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CB114100-G害虫暴发成灾的遗传与行为机理[借鉴].pdf

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CB114100-G害虫暴发成灾的遗传与行为机理[借鉴].pdf

项目名称: 害虫暴发成灾的遗传与行为机理 首席科学家: 康乐 中国科学院动物研究所 起止年限: 2012.1-2016.8 依托部门: 中国科学院 1 / 29 一、关键科学问题及研究内容 基于国家重大需求和学科前沿,本项目以水稻、棉花和蔬菜等作物的重大 害虫为研究对象, 围绕上述关键科学问题, 从基因 -个体 -种群 -生态系统等不同层 次,开展以下 3 个方面的研究: 1、 昆虫发育变态的遗传基础 过去有许多工作围绕昆虫发育与变态,激素控制发育与变态的框架已经形 成,但是对应答激素的基因如何发挥作用知之甚少,分子机制尚不清楚。例如 相关的基因如何形成一个调节网络?上游基因如何和中下游基因形成紧密联 系的级联反应?最近发现的小分子 RNA 如何调节基因表达?表达的蛋白如何 通过修饰引发功能的改变?一个基因如何通过 mRNA 拼接发挥多个生物学调 节功能?因此,昆虫变态发育的遗传基础着重研究害虫的发育、变态以及生物 节律,阐明调节发育、变态、生物节律的关键基因功能及其基因调节网络。这 一系列的紧迫科学问题的解决,伴随分子机制的解析,将为寻找害虫防治的靶 标基因奠定了基础。 2、 害虫种群暴发的行为遗传机制 基于前期的研究成果,飞蝗型变相关的基因表达谱已经明晰,与神经调控 相关的基因功能得到了鉴定,并证明了表观遗传学机制的存在,为进一步的研 究指明了方向。 但详细的飞蝗两型转变行为遗传机制还有待进一步研究。 例如, 小 RNA 的转录组研究表明两型间存在表达差异,暗示了表观遗传学机制在飞 蝗型变中起到调控作用。然而,它们是怎样调控型变的?涉及到哪些特征的调 控?其它的表观遗传学机制,是否也参与了型变的调控,如 DNA 甲基化和组 蛋白乙酰化等?这些问题尚不清楚。而且,迁飞行为是种群暴发的重要特征, 这个过程中环境因子也起到了一定的作用。基于上述分析,本项目拟利用组学 的手段(转录组、蛋白质组、代谢组等)大规模筛选与聚群和迁飞行为相关的 基因、蛋白和小 RNA 以及表观调控机制,拟详细研究集群行为相关的神经调 控机制,加强迁飞行为相关的诱发因子、 定向机制和能量代谢机制的研究内容, 开展型变的表观遗传学机制研究,以及种群密度对行为可塑性的影响机制等。 通过这些研究,可以在前期研究的基础上,更深入地阐释害虫种群暴发的行为 2 / 29 遗传机制,为害虫行为调控提供有用的靶标基因。 3、 害虫对关键生态因子和食物网内信号物质的适应机理 环境中的非生物和生物因子是害虫发生的外因。所以,一方面着重研究害 虫对温度变化、温室气体升高等自然环境和杀虫剂使用等人为环境变化的行为 与遗传学的适应性进化,揭示环境变化对害虫生理、生态适应的分子机制,阐 明自然和人为环境变化诱导害虫暴发成灾的机理;另一方面以害虫为核心,深 入研究害虫与植物、天敌及共生物相互作用的化学通讯机制,包括化学信息分 子在寄主植物和害虫间的化学通讯及行为调控机制, 昆虫嗅觉识别的分子机制, 虫害胁迫植物主要化学信息分子相关基因及调控网络,害虫嗅觉相关蛋白的行 为学功能, 近缘种化学通讯的协同进化机制, 害虫共生物对害虫 - 寄主互作的调 控机制,寻找作物化学信息基因改良及干扰害虫通讯识别的方法和技术,以及 多营养级间对害虫、天敌行为起关键调控作用的信息化合物,明确重要信息化 合物在害虫治理驱避和吸引策略中的作用。 3 / 29 二、预期目标 (一)总体目标 1.发展害虫管理的“行为调控”新理念。通过本项目的实施,揭示害虫发生的内 在和外在关键因素, 寻找害虫行为基因调控与生态调控的新技术和新方法, 为保 证我国农业和食品可持续和健康发展做出贡献。 2.阐明昆虫发育、变态的遗传机制,害虫种群暴发的行为遗传机制,害虫对关键 生态因子和食物网内信号物质的适应机理等科学问题, 引领国际害虫种群暴发的 行为遗传机制研究。 3.扩大和完善以害虫为模式的研究系统和技术平台,实现多学科交叉、渗透和发 展,并引导前沿性、边缘性新学科的形成和发展。 4.凝炼一支害虫控制基础研究的创新团队, 丰富和发展我国害虫管理的科学理论 与实践,提升我国有害生物防控的原始创新和集成创新能力,扩大国际影响。 (二) 五年目标 1.明确发育与变态的基因级联调节和激素互作机制, 阐明发育与变态的节律调 控机理,完善发育与变态的 “基因-激素-行为 ”调控网络,在昆虫发育与变 态的分子机制的研究方面克隆发育与变态过程相关的关键基因 20 个。 2 .阐明飞蝗暴发的行为遗传学机制。 大规模筛选与聚群和迁飞行为相关的基因、 蛋白和小 RNA,揭示集群行为相关的神经调控机制,解析迁飞行为相关的诱 发因子、定向机制和能量代谢机制,以及种群密度对行为可塑性的影响机制; 3 .明确害虫对环境变化的行为特征和适应性对策, 阐明害虫适应环境变化的遗 4 / 29 传与进化关系,揭示害虫抗药性和影响行为的分子调控机制。 4 .解析害虫对寄主植物的选择行为策略, 阐明害虫与寄主植物之间的化学通讯 机制,揭示害虫与寄主植物之间的节律协同关系;鉴定害虫胁迫寄主植物后 重要气味调控基因 10 个,明确 3 种气味信息分子相关基因的调控功能;鉴定 嗅觉相关基因 30 个,解析嗅觉相关蛋白的结构与气味信息识别谱,创制害虫 嗅觉行为调控剂 2-3 个。 5 .发现植物 -害虫 -天敌协同进化的新机制,获得 2-3 种重要农业害虫信息素和 一般气味的受体基因及结合蛋白基因的全长序列并研究其功能;鉴定 4-5 个 在多营养级中起关键作用的挥发性信息化合物, 2-3 个害虫 -寄主-天敌-共生物 多营养级

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