豆野螟的生物防治研究進展與展望

王嘉樂,朱佳晨,江薰垣,徐漢虹,唐雪妹*

(1. 廣東省農業科學院農業質量標準與監測技術研究所/廣東省農產品質量安全風險評估重點實驗室/農業農村部農產品質量安全檢測與評價重點實驗室,廣州 510640;2. 浙江大學昆蟲科學研究所,杭州 310058;3. 華南農業大學植物保護學院/天然農藥與化學生物學教育部重點實驗室,廣州 510642)

豆野螟MarucavitrataFabricius,又名豇豆莢螟、豆蛀螟、大豆卷葉螟、豆葉螟,屬鱗翅目Lepidoptera草螟科Crambidae,是豇豆等豆類蔬菜的重要害蟲。1995年以前,豆野螟曾用學名MarucaaquatilisDoisduval(林榮華等, 2000)和MarucatestulalisGryer。國外眾多的翻譯資料將MarucatestulalisGryer(豆莢野螟)譯作豆莢螟,因而常與EtiellazinckenellaTreitschke(豆莢螟)混淆。林榮華等(2000)曾就該問題提請研究學者們注意,但在此后的相關研究報道中,仍然常見此類誤用。

豆野螟喜產卵于寄主花(蕾)(田忠等, 2017),卵期3～5 d后,初孵幼蟲在寄主花器內取食,2～3齡幼蟲通過吐絲將受害花器與近花端的果枝相連,轉移至豆莢內為害(柯禮道等, 1985)。老熟幼蟲多鉆入土縫內做土室結莢化蛹,少數在植株上或豆架桿內化蛹(王琳等, 2003)。目前已知豆野螟為害的寄主超過73種,主要包括豇豆Vignaunguiculata、綠豆V.radiata、四季豆Phaseolusvulgaris、豌豆Pisumsativum、木豆Cajanuscajan、大豆Glycinemax等莢面少毛的豆類作物。其中以豇豆受害最為嚴重,可致產量損失高達72%(Sharma, 1998)。近年來,隨著高產優質品種的推廣,豇豆栽培面積不斷擴大,且全球氣候變暖,國際貿易交流日益頻繁,豆野螟在亞洲與非洲的發生日趨猖獗(Srinivasanetal., 2021)。對我國南方地區尤其是海南、廣東、廣西等(亞)熱帶氣候地區的豆類蔬菜生產構成嚴重威脅,田間常見“十莢九蛀”的情形。

目前,化學農藥仍是國內外防治豆野螟的主要方式,引發了豇豆等豆類蔬菜中尤為突出的質量安全問題。豆野螟幼蟲具有鉆蛀取食的習性,能有效躲避多種殺蟲劑的噴施,導致施藥效果不佳,國內外超范圍使用農藥的報道屢見不鮮(Schreinemachersetal., 2017)。且豇豆花果同期、采摘間隔短,成為了我國乃至全球農藥殘留超標問題最嚴重的食用農產品之一。自2010年海南“毒豇豆”事件以來,國家高度重視豇豆等蔬菜農藥殘留治理問題。2021年5月,農業農村部聯合六部委印發了《食用農產品“治違禁 控藥殘 促提升”三年行動方案》,將“豇豆”列作農藥殘留突出問題重點治理蔬菜之首;2022年11月農業農村部辦公室印發《豇豆農藥殘留突出問題攻堅治理方案》,大力推進豇豆病蟲害綠色防控技術的應用與普及。

生物防治是豆野螟綠色防控體系的重要組成部分,通過利用害蟲天敵(寄生性與捕食性昆蟲)、病原微生物、植物等生物及其產物,能有效抑制豆野螟的種群數量和抗藥性的產生(Sreelakshmietal., 2015)。其安全、綠色、可持續的優點突出,高度符合新時代下人民對農產品質量安全的新需求和新期待,因此近年來備受廣大研究學者的重視。然而,豆野螟不屬于我國重大農業害蟲或主要糧食作物害蟲,在國內害蟲生物防治研究領域關注度較低。迄今,國內鮮有關于豇豆重要害蟲豆野螟生物防治技術的系統綜述,在指導田間綠色防控時缺乏重要參考。因此,本文將對國內外生物防治豆野螟的前沿技術與研究成果進行簡要論述,主要圍繞昆蟲性信息素、天敵昆蟲資源、昆蟲病原微生物與植物源農藥4個方面展開,以期為豆野螟生物防治技術的推廣應用和基礎性研究提供參考。

1 昆蟲性信息素

性信息素是昆蟲兩性交流的重要信號分子,由性信息素腺分泌,可引起同種昆蟲的異性群體產生生殖反應。因其具有物種特異、微量高效、無毒無害的特點,近三十年在歐洲地區被廣泛應用于昆蟲種群監測、害蟲大規模誘捕、害蟲交配干擾等方面,成效顯著(Witzgalletal., 2010)。

目前已鑒定的豆野螟雌性性信息素共有3種組分,分別是(反,反)-10,12-十六碳二烯醛(EE10,12-16: Ald)、(反,反)-10,12-十六碳二烯醇(EE10, 12-16: OH)和反-10-十六碳單烯醛(E10-16: Ald)(Luetal., 2013; Schl?geretal., 2015)。 總體而言,EE10, 12-16: Ald為豆野螟性信息素的主要組分,EE10, 12-16: OH和E10-16: Ald的含量普遍較低。不同地理種群雌蛾釋放的性信息素中, 各組分的比例不盡相同(圖1)。例如, 在加納、 泰國、 越南、 我國臺灣的豆野螟種群的性信息素中未鑒定到E10-16: Ald(Schl?geretal., 2015),但該組分在我國武漢種群中大量存在, 在我國化州種群中的含量也顯著高于EE10, 12-16: OH(Luetal., 2013)。由此推測,不同地理種群的遺傳差異可能導致了豆野螟性信息素組成的分化,促進了地理隔離的形成。

圖1 不同地理種群豆野螟性信息素組成的差異Fig.1 Differences of sex pheromone components in different geographic populations of Maruca vitrata注:該圖基于國家自然資源部標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2016)1663號的標準地圖制作,且未對國家、行政區域界線或者范圍、重要地理信息數據進行修改。Note: This figure was drawn based on the standard map No. GS (2016) 1663 downloaded from the standard map service website of the Ministry of Natural Resources, without modification of national and administrative boundaries or scope, as well as important geographical information data.

不同地理種群的豆野螟雄蛾對不同雌性性信息素的趨性也有所差異。在西非國家貝寧和加納,以100∶5∶5的比例混合EE10, 12-16: Ald、EE10, 12-16: OH和E10-16: Ald,能有效誘集豆野螟雄蛾;而在布基納法索,單獨使用EE10, 12-16: Ald才是誘集雄蛾最有效的方式(Downhametal., 2003; Downhametal., 2004)。有趣的是,這兩種使用性信息素的方法在毛里求斯(Unmole, 2009)及多個東南亞國家或地區,如泰國、越南、我國臺灣等均無法吸引豆野螟雄蛾(Schl?geretal., 2012; Srinivasanetal., 2015)。使用3種人工合成性信息素ZE-10, 12: Ald(EE-10, 12: Ald的同分異構體)、EE10, 12-16: OH與E10-16: Ald,以100∶10∶5的比例混合制作誘芯,在印度和柬埔寨能顯著提升豆野螟雄蛾的誘集數量(Bhanuetal., 2018; Kapoor and Shankar, 2019);但該方法在老撾、泰國、越南、我國臺灣仍不適用(Srinivasanetal., 2019a)。在我國武漢和廣州,分別以5∶0.3∶5和5∶5∶0.7的比例配制EE10, 12-16: Ald、EE10, 12-16: OH和E10-16: Ald三元組分誘芯時,田間誘捕豆野螟雄蛾的活性最高(陸鵬飛, 2007)。從分子水平上看,豆野螟雄蛾對不同性信息素組合的差異反應可能與性信息素結合蛋白(Pheromone binding protein,PBPs)關鍵位點的氨基酸突變有關(Malinietal., 2019)。

性信息素結合蛋白(PBPs)和普通氣味結合蛋白(general odorant-binding protein, GOBPs)是昆蟲氣味結合蛋白(odorant binding protein, OBPs)家族的兩個重要亞族,分別參與性信息素分子和寄主植物揮發物(信息素)的識別與結合。目前已知的豆野螟PBPs共3種,分別是在雄蛾中鑒定到的MvitPBP1、MvitPBP2和雌蛾中的MvitPBP3(Malinietal., 2013)。熒光競爭結合實驗結果顯示,MvitPBP1、MvitPBP3與性信息素EE10, 12-16: Ald的結合力最強,MvitPBP2則偏好E10-16: Ald(Maoetal., 2016)。Wang等(2014)從豇豆花中鑒定出17種能夠引起豆野螟雌蟲觸角強烈的EAG反應的揮發性化合物,解釋了豆野螟對寄主植物花(蕾)的產卵偏好性。Zhou等(2015)從分子生物學水平驗證了MvitGOBP1和MvitGOBP2能與17種豇豆花揮發物發生不同程度的結合。Ai等(2021)鑒定的MvitOBP3則與4種豇豆花揮發物具有較強的結合親和力。此外,MvitPBP3被檢測出與MvitGOBP2相似的功能,能與豇豆花揮發物丁酸辛酯顯著結合(毛阿萍, 2015)。因此,豆野螟性信息素和寄主植物的揮發性化合物均可作為引誘劑(或增效劑),用以調節豆野螟在尋找寄主植物或產卵時的選擇行為,為生物防治提供新的思路。

現階段,我國對昆蟲性信息素等引誘劑的應用總體仍處于起步階段。有鑒于不同地理種群(或亞種)的豆野螟性信息素通訊系統存在差異,全國各地在考慮利用性信息素防治豆野螟時,有必要對當地種群的性信息素組分進行再鑒定,進而推廣因地制宜的豆野螟性信息素應用技術規程。

2 天敵昆蟲資源

天敵昆蟲在作物害蟲生物防治中扮演著重要的角色。根據取食特點的不同,常見的天敵昆蟲主要分為寄生性與捕食性兩大類群。

2.1 寄生性天敵

寄生性天敵昆蟲通常將卵產在寄主害蟲的體內(或體外),其后代通過持續消耗寄主以滿足自身生長和發育所需,從而有效控制田間害蟲基數,是害蟲生物防治的重要手段之一。據統計,自然界中已知的豆野螟寄生性天敵昆蟲超過98種(Srinivasanetal., 2021)。其中,膜翅目寄生蜂是重要的天敵昆蟲資源。豆野螟寄生蜂物種以繭蜂科數量最多,姬蜂科次之(表1)。

表1 國內外已報道的豆野螟寄生蜂物種

續表2 Continued table 2

此外,雙翅目寄生蠅也是基于天敵昆蟲生物防治豆野螟的有效途徑,國內外研究報道中常見的豆野螟寄生蠅共13種(表2)。

表2 國內外報道的豆野螟寄生蠅種類

豆野螟的寄生性天敵昆蟲資源雖然豐富,但至今未發現其專性寄生的天敵。瓜螟絨繭蜂Apantelestaragamae是豆野螟的優勢寄生蜂,起源于印度-馬來西亞地區,在我國海南、浙江等地均有分布(劉樹生等, 1989; 劉奎等, 2007)。寄生時,雌蜂產卵在豆野螟1～2齡幼蟲(2～3日齡)體內,老熟幼蟲自3齡豆野螟幼蟲體內鉆出并吐絲結成白繭,約3～4 d后羽化成蜂(Dannonetal., 2010)。瓜螟絨繭蜂在我國臺灣地區田菁上的自然寄生率可高達63%(Huangetal., 2003),在豆野螟生物防治領域具有廣闊的應用前景。然而,目前國內外對瓜螟絨繭蜂的認識仍然十分有限。我國大陸僅在調查瓜螟天敵時,對其發生動態進行了簡要報道(劉奎等, 2007);國際上圍繞瓜螟絨繭蜂的生物學特性開展了一些研究,揭示了印度種群與臺灣種群在寄主范圍與寄生習性上的差異(Mohan and Sathiamma, 2007),但對其寄生機制(包括寄生因子等)仍缺乏深入了解。

為充分發揮寄生蜂天敵資源的應用價值,貝寧曾從我國臺灣引進瓜螟絨繭蜂用于豆野螟的生物防治,但一直未能成功建立起本地的優勢種群(Srinivasanetal., 2021)。直至2016年,貝寧再次引進了豆野螟的兩種繭蜂Phanerotomasyleptae和Therophilusjavanus,并成功克服了環境等制約因素,建立了本地種群并將其應用推廣至鄰國布基納法索(Baetal., 2019; Srinivasanetal., 2021)。其中,P.syleptae是目前已知為數不多的豆野螟卵-幼蟲期寄生蜂,可在豆野螟幼蟲鉆蛀為害前完成寄生,而T.javanus是幼蟲期寄生蜂,兩者相輔相成,是豆野螟綠色防控體系建設的重要組成部分。但截至目前,P.syleptae和T.javanus在我國未見紀錄。我國科研人員報道了黃眶離緣姬蜂Trathalaflavoorbitalis是豆野螟的重要寄生蜂,7-11月在長沙的自然寄生率達40%左右(肖芬等, 2009),該數據與7-8月在貴陽調查結果相近(忙定澤等, 2012)。

2.2 捕食性天敵

已知豆野螟捕食性天敵的種類較為豐富(表3),但實際活躍在豆類蔬菜田間的種群數量較少。除了室內日捕食卵量可達10～15粒的小花蝽若蟲(汪自卿等, 1987)以外,其他捕食性天敵大部分以多種昆蟲為食,在豆類蔬菜田間捕食豆野螟的幼蟲。然而,豆野螟幼蟲鉆蛀豆莢取食的習性為天敵的捕食行為增加了難度,天敵可能因此轉向捕食其他昆蟲。因此,應用捕食性天敵綠色防控豆野螟存在一定的短板。

我國幅員遼闊、自然地理條件復雜,天敵昆蟲物種資源極為豐富,且在赤眼蜂、瓢蟲、蠋蝽等重要天敵昆蟲的規模化繁殖與應用技術創新方面都取得了一系列理論突破。但迄今,我國除臺灣地區鮮有關于豆野螟天敵資源的監測與調查研究,嚴重制約了基于天敵昆蟲應用的豆野螟生物防治技術發展。

表3 國內外報道的豆野螟捕食性天敵昆蟲種類

3 昆蟲病原微生物

昆蟲病原微生物是能夠侵染昆蟲使其致病,并在昆蟲種群中流行的真菌、細菌、病毒等。它們為提高自身在寄主體內適應性,可調控寄主生理引起發燒等病理現象;而寄主在應對昆蟲病原物侵入時也會產生免疫反應,改變其取食、繁殖、防御、群集、趨性等行為。因此,昆蟲病原微生物作為調控害蟲種群數量動態的重要因子,在害蟲生物防治中發揮了關鍵作用。

3.1 真菌

昆蟲病原真菌是昆蟲病原生物中最大的類群,能有效防控豆野螟的發生。已有報道證實,球孢白僵菌Beauveriabassiana和金龜子綠僵菌Metarhiziumanisopliae對豆野螟具有中高致病性(Ekesietal., 2002; Mehintoetal., 2014; Srinivasanetal., 2014; Tumuhaiseetal., 2015);但其制劑對豆野螟的防治效果并不理想。在實驗室條件下,僅越南報道了上述兩種真菌制劑對豆野螟具有較高致病性(Srinivasanetal., 2014);印度和泰國報道的真菌制劑侵染效果則不佳(Sunithaetal., 2008, Yule and Srinivasan, 2013)。根據現有的田間試驗數據,綠僵菌制劑的防治效果略高于白僵菌。在印度卡納塔克邦,按照(1～2)×1012conidia/ha在豇豆上使用綠僵菌,可減少45%～68%的蛀果率(Rachappaetal., 2005);在柬埔寨的裙帶豆上使用Real M-62?、Real M-69?的綠僵菌制劑可減少48%～77%(Srinivasanetal., 2019b)。但在印度泰米爾納德邦,按照2.8×106CFU/g在黑吉豆上使用白僵菌,可挽回的蛀果損失不超過50%(Soundararajan and Chitra, 2011)。

3.2 細菌

豆野螟是多種昆蟲病原細菌的自然寄主。蘇云金芽孢桿菌Bacillusthuringiensis(Bt)、蠟樣芽孢桿菌B.cereus、糞鏈球菌Streptococcusfaecalis和粘質沙雷菌Serratiamarcescens等均可侵染豆野螟(Otienoetal., 1983)。其中,Bt產生的伴孢晶體中內含δ-內毒素,可經蟲體中腸蛋白酶水解進入血淋巴,引起敗血癥,致蟲體死亡。在西非和我國臺灣,豆野螟對Bt毒素Cry1Ab和Cry1Ca高度敏感(Srinivasan, 2008)。此外,不同地理種群的豆野螟對不同Bt亞種制劑的敏感性也有差異。在泰國,豆野螟對蘇云金芽孢桿菌庫爾斯塔克(Kurstaki)亞種制劑高度敏感(Yule and Srinivasan, 2013; Kumaretal., 2014);而在越南和我國臺灣地區,則對蘇云金芽胞桿菌鲇澤(aizawai)亞種制劑高度敏感(Srinivasanetal., 2014)。不同地理種群豆野螟對Bt敏感性的差異可能與其長期生境中的Bt水平有關,部分地理種群可能已經對Cry1Ab和Cry1Ca產生了一定的抗性。目前尚未建立豆野螟對Bt毒素的敏感基線。

Bt制劑應用于田間防治豆野螟的案例相當豐富。以裙帶豆為例,在泰國使用Bt-aizawai(Zitarback F.C.?)和Bt-kurstaki(Redcat?),能分別減少36%～52%和36%～45%的蛀果率(Yule and Srinivasan, 2013);在柬埔寨使用Bt-aizawai(Xentari?)和Bt-kurstaki(Crymax?、E911?)則能減少46%～72%和48%～75%(Srinivasanetal., 2019b)。

3.3 病毒

目前已知的能侵染豆野螟的昆蟲病原病毒數量不多。1986年,國內首次采集、分離到豆野螟顆粒體病毒(M.testulalisgranulosis viruses, MtGV)。幼蟲在感染第3天后停止取食,四處爬動但行動和發育都變得遲緩,體色漸變成黃白色,體壁脆弱(葉愛珍等, 1998)。隨后,研究人員發現大蠟蛾核型多角體病毒(Galleriamellonellanucleopolyhedrovirus,GmNPV)也能侵染豆野螟幼蟲,但認為其在田間規模化應用的前景較為有限(Parthasarathyetal., 2004)。直至2004年,在我國臺灣地區的田菁上首次發現了NPV特異性感染的豆野螟幼蟲。被感染的幼蟲行動緩慢不進食,蟲身呈粉紅色且體壁易破,表現為典型的NPV感染(Leeetal., 2007)。經表征分析,該病毒被命名為豆野螟多核衣殼型多角體病毒MaviMNPV(M.vitratamultiple nucleocapsid nucleopolyhedrovirus)。同其他NPV一樣,MaviMNPV制劑對豆野螟低齡幼蟲非常有效(Leeetal., 2007),可在幼蟲轉移至豆莢為害前實現有效控制,從而大幅地減少經濟損失。2006年,MaviMNPV由國際熱帶農業研究所引入貝寧,貝寧的評估結果也證實了該病毒作為生物殺蟲劑有效控制豆野螟的巨大潛力。當MaviMNPV的使用比例達到2×1013OBs/ha時,豆野螟幼蟲死亡率高達88%(Srinivasanetal., 2009)。而瓜螟絨繭蜂被證實是MaviMNPV在不同地理種群中傳播的途徑之一(Srinivasanetal., 2009)。

4 植物源農藥

植物源農藥是從植物中提取的、能有效抑制農作物病蟲害發生的活性成分。它們通常是植物中的多種有機物組合,對非靶標生物安全、對生態環境友好、不易產生抗藥性,因此國內外學者從未停止將植物源農藥應用于豆野螟生物防治上的探索。

印楝Azadiracbtaindica中提取的印楝素(Azadirachtin)是目前植物源農藥產業化最為成熟的品種之一,具有較高的環境安全性。已有研究表明,在實驗室條件下,印楝油及其商業化產品對豆野螟幼蟲具有良好的殺蟲活性(Kumaretal., 2014)。研究人員先后將印楝籽、葉的提取物,及其油、皂等多種產品應用在不同豆類作物上,豆野螟的田間防治效果各異(表4)。此外,多種豆野螟非嗜食植物提取物也對具有良好的種群抑制活性。飛機草Eupatoriumodoratum、馬纓丹Lantanacamara、蟛蜞菊Sphagneticolacalendulacea乙醇提取物對豆野螟成蟲和幼蟲都有明顯的趨避效果,蛀果率分別下降42.4%、35.4%和29.3%(曾玲等, 2001);胡椒Piperguineense和大蒜Alliumsativum的提取物能降低豆野螟卵的孵化率(Ekesi, 2000)。在田間試驗中,麻瘋果油(Pillaietal., 2013)、水黃皮皂(Sambathkumaretal., 2015)、木薯Manihotesculenta和面包果Artocarpusaltilis(Oparaeke, 2006)等植物提取物均能有效減少蛀果。然而,上述研究中涉及的多種(亞)熱帶植物對生境要求高,且現階段其生理學研究基礎較為薄弱,要實現這些植物源農藥的商業化量產,仍需面臨多重的挑戰。

綜上,印楝制劑是現階段生物防治豆野螟的常用的植物源農藥。在豆類蔬菜的早花期,印楝油與MaviMNPV配合使用的防治效果更佳(Sokameetal., 2015),是豆野螟“治花保莢”關鍵防治策略的重要組成部分之一。

5 總結與展望

豆野螟的生物防治技術是保障我國“菜籃子”質量安全的迫切需求。現階段,利用性信息素進行誘捕的方法在貝寧、加納、印度、柬埔寨等地取得了一定的成效。但是豆野螟不同地理種群(或亞種)的性信息素組成呈多態性,適用于當地的誘捕方法和經驗不一定具有可復制性。在天敵昆蟲方面,P.syleptae和T.javanus兩種寄生蜂在貝寧和布基納法索的成功引種和應用,為推廣“以蟲治蟲”的豆野螟生物防治方法提供了范例。作者認為,寄生蜂資源的有效利用是從源頭上治理豇豆等質量安全問題的突破口。一方面,寄生蜂能準確定位、寄生隱蔽在豇豆花苞和豆莢內的幼蟲,破解了化學農藥無法直接作用于蟲體的難題;另一方面,寄生蜂能連續多天多次寄生,可持續抑制田間齡期大小不一的豆野螟種群,避免了在豇豆連續開花結莢期間多次用藥的困境。豆野螟的昆蟲病原微生物制劑和植物源農藥的研發工作已積累了一定基礎,尤其是在MaviMNPV和印楝制劑配合使用的方法上取得了較好的成績。但是生物源農藥的推廣和應用高度依賴于“產研融合”的進程,生產企業在降低成本、提質增效、擴大產能等方面,仍有較大提升空間。

豆野螟的生物防治手段多樣,但在國內的適用性仍缺乏具體實踐和論證,相關應用基礎研究仍處于起步階段。我國科技人員可以從以下幾方面著手,助力豆野螟綠色防控體系建設:

(一)繼續研究豆野螟性信息素合成與化學感受機理。了解國內不同地理種群性信息素通訊系統的差異;研究豆野螟性信息素生物合成與化學通訊系統的基因調控機理、遺傳和進化規律;進一步篩選、開發寄主植物的特異性揮發物作為引誘劑或與性信息素誘芯復配,增加田間誘捕能力。

(二)發掘我國境內豆野螟寄生性天敵昆蟲資源,系統開展利用基礎研究。充分發揮我國生物多樣性的大國優勢,明確國內豆野螟的優勢寄生蜂(蠅)種類及其自然控害作用;研究寄生性天敵對豆野螟的控害機理及關鍵因子,解決寄生性天敵昆蟲在規模化繁育、保藏與田間釋放保護中的技術問題。

(三)加強昆蟲病原物微生物與植物源農藥新制劑的研發及其配套的使用技術。優先建立豆野螟低齡幼蟲對Bt毒素的敏感基線;明確制劑與天敵昆蟲、常用化學農藥和其他生物源農藥的相互增效或拮抗作用;解決生物農藥資源在人工擴繁過程中的技術問題;研究制劑的增效途徑、儲存條件優化、施用后的抗逆能力等。

相信在國家政策的推動與國家自然科學基金的雙重助力之下,我國生物防治技術的高質量發展勢如破竹,未來可應用于豆野螟生物防治的手段也將取得創新性的突破,有助于化學農藥的減量控害,為保障人民群眾“舌尖上的安全”,推動“十四五”時期農業綠色轉型作出重要貢獻。