害虫抗性发展遗传规律与综合治理策略的离散生态系统研究

The evolution of pests resistance in different generations is the key factor in successful integrated pest management, especially in chemical pest control. The genetic law of resistance development between different generations not only determines the evolution of pests resistance which is described by discrete (difference equation) model, but also confirms that it is more realistic to use the difference equations to model the interactions between pest population and natural enemy population with integrated pest control strategies. This project will develop some novel mathematical models to depict the evolutions between the pest resistant alleles and susceptible alleles, and the effects of pesticide spraying frequency and dosage on the evolution of pests resistance and pests control will be discussed in more detail, which can be realized by combining with the discrete pest-natural ecosystems and integrated pest management strategies. Different pest resistance management strategies including switching pesticides will be analyzed and assessed by developing suitable mathematical models. Further by applying the optimization theory, qualitative and numerical analyses techniques, the optimal pest resistance management strategies will be discussed and proposed. The effects of environmental factor, pesticide residual and delayed responses on integrated pest management and pesticide resistance management will also be discussed and investigated. The results of this project will provide ideas for integrated pest management department to design the optimal pest control tactics.

害虫种群不同世代抗药性发展是影响害虫综合控制特别是化学控制成败的关键因素之一。抗性发展在不同世代间的遗传规律不仅决定了刻画抗性动态发展的动力学模型是离散的，而且说明了采用离散（差分方程）模型刻画具有综合控制策略的害虫种群增长规律更加切合实际。本项目将在了解孟德尔遗传定律和群体遗传学的基础上，建立准确刻画害虫不同世代抗性等位基因和敏感性等位基因所占比例的动态方程，进而联合具有综合控制策略的离散害虫天敌生态系统探讨杀虫剂使用频率、剂量等对抗性发展以及害虫控制的影响。分析研究包括不同杀虫剂轮换或交替使用在内的不同抗性管理策略，通过建立数学模型，采用定性分析、最优化理论和数值分析等方法分析评估各种应对抗性发展策略的优缺点，提出相应的最优抗性管理策略。进而探讨杀虫剂的残留效应、滞后作用以及环境因素等对模型动态行为、综合害虫控制和抗性发展管理的影响，为设计最优的抗性管理和害虫控制策略提供思路。

害虫种群对化学杀虫剂（及转基因作物）的抗药性发展是影响害虫综合控制特别是化学控制成败的关键因素之一。本项目在了解孟德尔遗传定律和群体遗传学的基础上，建立了刻画杀虫剂使用量、使用频率及遗传规律等的抗药性动态发展方程，进而将起引入到具有控制策略的害虫增长模型中，探讨了杀虫剂使用频率、剂量等对抗性发展以及害虫控制的影响。分析了包括不同杀虫剂轮换或交替使用在内的不同抗性管理策略，通过建立数学模型，采用定性分析、最优化理论和数值分析等方法分析评估几种杀虫剂切换策略的优缺点，提出相应的最优切换策略；生物控制和化学控制同时使用的综合控制策略可以有效抑制抗药性发展。根据综合控制策略思想，我们建立了害虫-天敌生态模型，并引入抗药性发展及连续投放天敌策略，分析了抗药性发展与三种不同投放天敌策略之间的关系，给出了投放天敌的临界条件，提出了最优投放天敌策略；种植转基因作物也是害虫管理中一个非常重要的手段，本项目利用数学模型分析了害虫对转基因作物的抗药性发展，以农民收益最大为目标，分别建立了转基因与非转基因作物的混种策略与纯转基因作物种植策略下的收益函数，利用数学模型分析了影响收益的主要因素，对比分析了混种策略与纯转基因种植策略下最优问题。同时，在混种策略下，我们分析了转基因作物与非转基因作物最优种植比例的存在性，给出最优种植比例。本项目还研究了在利用携带沃尔巴克细菌蚊子控制登革热时，蚊子种群对CI效应的抗性发展问题。建立了刻画宏观上蚊子种群数量发展和微观上抗性基因的基因型比例变化的多尺度脉冲微分方程和差分方程组合模型，利用频闪映射、差分方程稳定性理论以及分支理论分析了模型动力学行为；结合数值分析以及参数对解的影响，讨论了抗性发展中各个因素对蚊子种群替代策略的影响。这些研究结果为设计最优的抗性管理和害虫控制策略提供思路。