小RNA(small RNA,sRNA)是一类序列短于300 bp的非编码RNA,它在生物体的细胞生长、分裂、分化、增殖和凋亡过程中发挥着重要的调控作用.近年来的多项研究表明,sRNA还可以作为信号分子在物种之间传递,以跨界方式发挥调控作用.除了视觉和化学信息,生物个体之间还可以利用多种分子信号传递和实现信息交流,其中,sRNA分子不仅可以在生物个体内移动和调控基因表达,还可以作为1种分子信号跨越物种发挥动物、植物和微生物互作关系的信息纽带作用.作为地球上物种数量最多、生态位最丰富的类群,昆虫体内存在多种外源sRNA分子.本文分析了sRNA介导跨界调控的分子基础,综述了近年来关于外源sRNA通过生物互作进入昆虫体内,跨界调控昆虫基因表达,影响昆虫与寄主植物及病原微生物之间互作关系的研究进展,并分析了sRNA介导的跨界RNAi对昆虫生态适应性的影响以及在害虫防控中的应用前景.昆虫和植物之间sRNA分子的跨界转移可以调控植物抗虫性和社会性昆虫的品级分化,微生物的sRNA进入昆虫体内可以辅助病原微生物的侵染或影响寄生蜂的发育.利用基因工程改造或人工表达外源sRNA进行跨界调控是研发害虫高效生防产品的新途径.

秦岭山脉以其丰富的植被和多样的传粉昆虫闻名,然而在过去的几十年里,由于意大利蜜蜂(Apis mellifera)的引入和扩散,蜂类物种的丰富度和数量显著下降.这一下降对该地区的群落结构和生态系统稳定性产生了连锁反应.为了改善秦岭山脉及其周边地区自然和农业景观中本土蜂类的保护,我们在三类栖息地(森林、森林-农业交错带和农田)的33个采样点进行了调查.我们使用广义线性混合模型、t检验等数据分析方法,探讨了意大利蜜蜂对不同栖息地中本地传粉蜂类的丰富度、数量以及传粉网络的影响.结果表明:①意大利蜜蜂显著负面影响了野生传粉蜂类的丰富度和数量,而中华蜜蜂(Apis cerana)的数量也受养蜂条件的影响.②意大利蜜蜂对秦岭山脉及其周边地区传粉蜂类的群落结构产生了显著的负面影响:在受意大利蜜蜂影响的地点,蜜蜂群落的香农-维纳多样性指数、皮尔洛均匀度指数和Margalef丰富度指数显著低于未受其影响的地点.③这种影响的根本原因是意大利蜜蜂对花卉资源的垄断.意大利蜜蜂倾向于访问具有大量蜜源的开花植物,这些植物在当地植物群落中占有重要比例.通过在蜂-植物传粉网络中保持主导地位,意大利蜜蜂竞争性地取代了本地传粉蜂类对花卉资源的访问权,最终导致本地蜂-植物互动的减少,降低了传粉网络的复杂性和稳定性.这些发现表明,需要采取有针对性的保护措施来保护本土传粉物种,维持秦岭山脉的生态平衡.

景观破碎化对物种的影响依赖于斑块属性,斑块属性体现了斑块的类型、面积、形状及其与周围斑块间关系.然而,在破碎化农业景观中这些斑块属性对关键物种的联合影响仍知之甚少.选取中国海南地区的典型农业破碎化景观,实测了 180 个斑块中三类关键物种,分别为害虫-橡胶材小蠹虫(Xyleborus affinis)、传粉昆虫-中华蜜蜂(Apis cerana)和天敌物种-玉米螟赤眼蜂(Trichogrammatid ostriniae Pang et Chen),刻画了各斑块属性,包括斑块类型、斑块面积、形状指数、距天然林距离、是否与橡胶接触、景观中天然林所占比例、是否有林下植物,并使用 3 种机器学习模型(神经网络、随机森林、支持向量机)拟合斑块属性与三类物种丰富度关系,解析斑块属性的相对重要性.结果表明,与支持向量机和神经网络相比,随机森林模型对三个物种的丰富度预测效果均最好,其R2在橡胶材小蠹虫、中华蜜蜂和赤眼蜂中分别达到 0.785、0.845 和 0.798;基于随机森林模型的结果表明,斑块类型对橡胶材小蠹虫和中华蜜蜂丰富度相对重要性高于其他斑块属性;斑块面积对赤眼蜂丰富度影响高于其他斑块属性,且与斑块类型存在交互作用;橡胶林中橡胶材小蠹虫与中华蜜蜂丰富度高于天然林和其他斑块类型,玉米螟赤眼蜂丰富度则在天然林与农田中最高.研究揭示了斑块属性对不同物种丰富度的相对影响,阐明了斑块类型在不同物种中的重要作用,并证实了机器学习是推导斑块属性对物种影响的有效方法.

昆虫翅多型作为生物可塑性发育的典型代表,是昆虫对复杂多变环境适应进化的结果.褐飞虱Nilaparvata lugens是一种典型的翅多型昆虫,若虫可发育成短翅型或长翅型成虫,后者的远距离迁飞特性造成褐飞虱在亚洲稻区大面积为害.20世纪60年代以来,前人针对褐飞虱翅多型的发生机理进行了大量研究,发现种群密度、寄主植物质量、温度和光周期等诸多环境因子以及保幼激素均能够影响翅型比例.近20年来,得益于基因组学、RNAi和基因编辑等生物技术的发展,褐飞虱翅型分化的分子机制研究取得了突破性进展,发现了褐飞虱翅型分化的开关基因FoxO,沉默或敲除FoxO会导致飞虱发育为长翅型;而胰岛素信号通路能够磷酸化FoxO抑制其进入细胞核,从而参与翅型分化调控;锌指转录因子Zfh1能够以启动子结合的方式调节FoxO的转录,与胰岛素信号通路平行调控翅型分化;另一个锌指转录因子Rotund能够与FoxO互作共同调控褐飞虱翅多型.此外,性别决定基因Trransformer-2和c-Jun氨基末端激酶通路等也能够影响翅型分化,表明褐飞虱的翅型分化存在多样化的分子调控机制.鉴于半翅目不同亚目间的翅多型机制均有所不同,对褐飞虱翅型分化机制的解析远不足以阐明半翅目乃至整个昆虫纲的翅多型机制,但其研究成果能够引领未来对昆虫翅多型机制的探索研究,并加深人们对昆虫翅及组织可塑性发育与进化的理解.

水稻矮缩病毒(Rice dwarf virus,RDV)是水稻普通矮缩病(Rice dwarf disease)的病原,主要依赖黑尾叶蝉Nephotettix cincticeps经卵以持久增殖方式传播.本研究采用室内试验观测了带毒与无毒的黑尾叶蝉在健康及感病水稻间的取食、产卵选择趋性.取食偏好性试验发现,无毒叶蝉对感病水稻趋性更强,从观测的第8小时开始达显著差异水平;带毒叶蝉则对健康水稻趋性更强,在观测的第24小时开始达到显著差异水平,表明RDV侵染水稻会引起黑尾叶蝉取食偏好性的改变.产卵偏好性试验发现无毒及带毒黑尾叶蝉在健康及感病水稻间3个观测指标(每植株卵块数、每卵块的卵量及每植株上的总卵量)均无显著差异,表明RDV侵染水稻对黑尾叶蝉产卵选择偏好性无显著影响.本文初步明确RDV对黑尾叶蝉取食和产卵偏好性的影响,为揭示介体昆虫-病毒-寄主植物三者之间的互作机制提供佐证.

随着全球逐渐暖干化,林火不仅驱动着森林生态系统结构和功能的变化,同时也影响树木的生理和生长.林火导致的热损伤引发树木一系列复杂生理响应.揭示火后树木生理的响应机制,对于进一步理解树木碳水关系和火后恢复生长限制,以及提高火后树木死亡预测准确性具有重要指导意义.该文从林火对树木的作用途径和方式着手,基于不同形式林火(树冠火、地表火、地下火)对树木各部分(树冠、树干、根系)造成的损伤,综述了林火对树木生理的直接影响和间接影响,以及火后树木生理与非生物和生物因素的互作关系.热损伤诱导的形成层、韧皮部坏死和木质部水力失衡是火后树木生理的主要响应机制,二者导致的两个生理功能限制——"碳饥饿"和水力失效——严重影响树木的碳水关系,也决定了火后树木是恢复生长还是延迟死亡.火后树木生理机制还与干旱、昆虫攻击和微生物入侵等其他因素密切相关.该文强调了对林火强度的定量分析和对植物组织死亡阈值的准确判断的迫切性,同时提出了探究火后树木生理与功能性状和其他因素的互作关系的必要性.精确评估树木生理机制间关系对于深入理解林火如何影响树木功能完整性极为关键,有助于完善林火风险评估和树木死亡模型预测.在未来气候暖干化驱动的高频、高强度林火发生背景下,对树木生理响应的深刻认识对于更好地研究火后生态系统动态及其与气候因子的相互关系同样具有重要意义.

物种-资源利用网络可以呈现不同物种在资源利用上的竞争、共享以及分化,可为从资源利用角度解释群落的物种多样性提供新的视角.昆虫群落一方面由群落内种间对资源的利用方式决定,也受寄主植物生态特征的影响.通过寄主生态特征解释物种-资源利用网络指标将深入揭示昆虫群落的组织模式和多样性决定机制.本研究采集榕属(Ficus)18种榕树的榕小蜂群落,构建每种榕树上的榕小蜂-榕果资源利用网络,分析网络指标间的关系.我们重点关注了群落物种数(物种多样性)和群落稳健度指标与其他网络指标间的关系,并比较不同寄主特征(传粉模式、生活型、繁育系统)对榕小蜂物种数以及榕小蜂-榕果资源利用网络指标的影响.结果显示,18种榕树上共收集到隶属于5科28属173种榕小蜂.榕小蜂群落物种数与网络的连接度呈负相关,与分化度呈显著的正相关;网络稳健度与物种数无显著相关关系,但与连接度、加权嵌套性、互作Shannon多样性、分布重叠度呈显著正相关关系,而与互作专化度、分化度呈显著负相关.与雌雄异株榕树相比,雌雄同株榕树的榕小蜂资源利用的互作专化度高,种间分布重叠度小,分化度高(资源利用分化高),所以雌雄同株榕树比雌雄异株榕树上榕小蜂物种数多.本研究支持资源利用的特异性和分化促进了榕小蜂物种多样性,支持竞争导致的资源利用分化在促进近缘种多样化过程中发挥重要作用.群落对资源丢失的稳健度与群落的物种数无关,但是与物种的资源共享程度(由连接度、分布重叠度表示)正相关.此外,繁育系统间榕小蜂物种数的差异可能与雌雄异株榕树繁殖功能的分化和专化以及对非传粉榕小蜂产卵的防御能力有关.

昆虫和植物是自然界生物类群中重要的组成部分,在长期进化的过程中形成了复杂的相互作用关系,如植物进化出了复杂的防御策略来抵御昆虫为害,同时,昆虫为了获取更多的生存资源也进化出了更多的适生方式.因此,分析和了解昆虫与寄主植物相互适应的研究进展对害虫的有效防治和抗虫植物的培育具有重要作用.在昆虫与寄主植物互作的研究中,植食性昆虫的口腔分泌物(唾液或反刍液)、卵分泌物、肠道合成物及微生物等作为连接昆虫和植物的中间媒介,其有效成分不仅起着诱导或增强植物防御的作用,而且部分还具有抑制或削弱植物防御的功能,因此,按有效成分发挥的作用,植食性昆虫的口腔分泌物主要可分为激发子和效应子.本文从昆虫分泌物的角度介绍了昆虫钙结合蛋白类、酶类和毒液蛋白类等效应子与脂肪酸氨基酸共轭物类、多肽类和酶类等激发子及其介导植物防御的主要方式,明确了植食性昆虫适应寄主植物防御的不同策略,不仅有助于对昆虫和植物两者互作机制的深入解析,而且为绿色有效防治害虫和植物抗性品种的选育提供新的思路.

植食性昆虫与寄主植物在长期协同进化的历程中,两者逐渐演化出丰富多样的防御与反防御机制,其中在植食性昆虫适应植物防御的过程中,唾液腺分泌物起到关键性的作用.本研究从宏观与微观两个层面,揭示植食性昆虫如何利用唾液腺以适应寄主植物防御的作用机理.回顾了昆虫唾液腺分泌物通过干预植物气孔的动态变化、适应植物细胞壁、降解植物防御性化合物等方式调控寄主植物防御的研究进展,探讨了昆虫唾液效应因子以干扰植物早期免疫信号通路、调节植物激素信号通路、与植物免疫蛋白互作等形式应对植物防御反应的内在分子机制.同时,本文依据CRISPR/Cas9、植物介导的RNAi、纳米材料介导的RNAi等新技术的发展,对基于昆虫效应因子开发的虫害防控技术的发展空间进行分析,以期为作物抗性的提高以及害虫综合治理能力的提升提供理论依据与实践指导.

蚜虫(aphids)及其携带的病毒是全球农作物生产过程中最具破坏性的病虫害之一.植物一旦被蚜虫侵染,会产生并释放挥发性有机化合物(VOCs),进而通过空气传播至周围植物,激活邻近植物对昆虫和病毒的抗性,称为气传性免疫(AD).而对于植物如何产生挥发性信号分子以及邻近植物如何感知并激活抗病虫的机制尚不清楚.近期,清华大学刘玉乐研究团队在植物间通讯介导邻近植物抗虫和抗病毒研究方面取得了新突破,他们揭示了一条由水杨酸甲酯(MeSA)-水杨酸结合蛋白SABP2-转录因子NAC2-水杨酸羧基甲基转移酶SAMT1组成的信号通路介导邻近植物抗虫和抗病毒能力.该研究还发现由蚜虫传播的一些病毒编码蛋白能够通过与NAC2转录因子互作促进NAC2的出核和降解,从而破坏植物间的信号交流以促进蚜虫及病毒的侵染.该研究全面阐释了蚜虫与其传播的病毒间共同进化的新的互惠关系,填补了植物抗病虫、特别是气传性免疫领域的空白,同时为培育抗虫、抗病毒作物提供了新思路及潜在基因.