国家自然基金标书-害虫暴发成灾的遗传与行为机理.docVIP

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 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： 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。 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遗传机制，为害虫行为调控提供有用的靶标基因。 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。 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