作物多样性对病虫害生态调控和土壤地力的影响

1、项目名称：作物多样性对病虫害生态调控和土壤地力的影响首席科学家：朱有勇 云南农业大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：云南省科技厅二、预期目标总体目标探明作物多样性生态调控病虫害的基本原理，创建基本方法，提供应用范例。建立评价体系，客观评价作物多样性的持续效应和对地力的影响。在本领域顶级学术刊物发表系列论文，发展和丰富农业生物多样性理论。在作物多样性调控病虫害的研究方面保持国际前沿地位，在国际学术界产生重要的影响。五年预期目标1、基础理论贡献1）阐明作物多样性调控病害的基因多样性原理从前一项目的研究基础切入，利用遗传异质性高的元阳梯田水稻品种为研究材料，通过该品种的基因组精准测序和

2、基因芯片分析，从基因组和表达组解析遗传异质性调控病害的原理，探明其分子基础。利用项目育成的抗小麦条锈病近等基因系，设计组配不同丰度基因多样性品系组合，完成田间抗病试验和人工接种试验，验证基因多样性调控病害的效应和作用。通过完成这两类交互试验，一是从元阳梯田水稻品种持久调控病害现象到探明其遗传异质的分子基础，二是从组配已知抗病基因不同丰度到调控田间病害的效应，诠释遗传异质调控病害的机理。2）探明作物多样性影响土壤地力的根际生态过程在前一项目试验验证了玉米与蚕豆、小麦与蚕豆间作促进蚕豆根瘤增加以及蚕豆通过活化根际磷改善玉米磷营养的基础上，以作物多样性种植体系地上部和地下部种间相互作用及其反馈调节为

3、切入点，深入研究作物多样性种植与单作的根际过程和根系组成特征，探明作物多样性种植中作物对提高土壤养分吸收利用的作用机理；从养分活化竞争利用，土壤碳氮协调促进生物固持和微生物多样性的变化特征，阐明作物多样性种植对土壤地力的影响。2、基本方法贡献1）形成作物多样性种植模式的技术参数集成各项研究的核心要素，结合机械化配套作业需求，构建作物多样性种植模式的技术参数，主要包括作物搭配原则、栽培方式、种植规格和群落结构比例等技术参数，并完成大面积田间试验验证，形成作物多样性种植专利技术和技术参数，为制定技术规程和标准提供科学数据。2）建立作物多样性种植模式持续应用的评价体系集成各项研究的指标数据，构建作物

4、多样性种植模式的评价内容和技术指标，建立长期定位观测点，并完成田间观测验证和校正，形成评价技术和标准。完成定位观测数据分析，客观评价作物多样性种植模式对土壤地力、病虫害、产量、品质等方面的影响和效应。3）提供大面积应用范例，展示研究成果通过田间试验验证的技术参数进行组装配套，形成简单易行效果显著的技术规程，进行田间放大展示。本项目拟提供玉米与马铃薯、玉米与大豆等作物多样性种植模式的万亩应用范例，展示作物多样性研究成果，为促进区域粮食安全提供技术储备。3、学术贡献和人才培养在本领域顶级学术刊物发表系列论文，申请一批发明专利，发展和丰富农业生物多样性理论。在作物多样性调控病虫害的理论和应用研究方面

5、保持国际前沿地位，在国际学术界产生重要的影响。培养和凝聚一批农业生物多样性研究的科学家队伍，培养博士、硕士研究生100-120名，形成国内外农业生物多样性研发网络和中心。三、研究方案1、研究思路根据生物多样性、作物栽培学、植物保护学、生态学、土壤学等学科的基本原理，将田间试验、定位观测、模式模拟、资源评价、分子生物学和信息技术有机结合，在前期项目工作的基础上，从作物遗传异质调控病害和作物多样性干扰害虫行为的前期试验结果切入，深入研究作物多样性调控病虫害的关键科学问题。另外，从前一项目研究发现的作物多样性种植增加根瘤和土壤磷的活化等现象切入，深入研究作物多样性影响土壤地力的关键问题。在此基础上，

6、解析作物多样性种植生态调控的主要机理，集成研究结果核心要素，形成应用模式范例，并客观评价持续应用的效应和影响。2、技术途径本项目是在前一个973项目“农业生物多样性控制病虫害和保护种质资源的原理和方法”基础上的深入研究。有良好的技术支撑平台，有数据积累和人才积累。汇集了我国从事农业生物多样性研究的2个国家重点实验室，1个国家生物多样性研究中心，5个省部级重点实验室，拥有先进配套的实验设备及布局合理的试验基地，长期田间试验点西南地区40个，西北5个，东南5个。前期研究基础扎实，试验条件基本满足上述试验方案的圆满完成。3、创新点及其突破1）作物遗传异质调控病害的分子基础作物群体遗传异质性与病害流行

7、呈负相关，单一品种大面积种植的农田系统遗传异质性低，发病率高病害流行概率大，品种多样性种植的农田系统遗传异质性高，发病率低病害流行概率小。各种作物均普遍存在这种现象，并被广泛认知，但长期未被试验理论解析，难点是难以获得良好的试验研究材料，其次是研究方法上对抗病基因的认知不全。本创新点有望突破是基于前一项目的研究积累，获得了理想的研究材料和基因组学研究方法的应用。本创新点突破的可行性分析。有良好的研究材料，前一项目研究获得持久抗病的元阳梯田水稻品种，其特征是遗传异质性高，精准测序结果表明基因单位点突变率（SNP）对照日本晴和9311分别差异为99%和71%。该品种长期种植，经研究证明至少连续种植

8、118年。该品种产量稳定，当地记录的数据表明从1986年-2006年亩产变化幅度仅为34-51公斤。调控病害能力强，从1986-2006年稻瘟病穗颈瘟发病率仅在1.4-6.3%之间。该材料是探明遗传异质调控病害的分子基础的理想材料。另一研究材料是前一项目育成的抗小麦条锈病的近等基因系，为研究作物抗病基因重叠、累加等调控病害研究提供了良好材料。本突破拟设计两项交互试验，一是从已知品种抗性多样性持久调控病害现象到探明其遗传异质的分子基础，本项试验选用元阳梯田水稻品种，通过基因组学和表达组学分析，研究调控稻瘟病的相关基因及其表达特征，探明其分子基础。二是从组合不同的抗病近等基因系到田间验证调控病害效

9、果，本项研究采用项目育成的抗小麦条锈病近等基因系，设计组配不同抗病基因及其群体比例，完成田间抗病试验和人工接种试验，探明基因多样性调控病害的效应和作用。通过完成上述两类交互试验，诠释作物多样性调控病害的基因多样性原理。本创新点力争发表影响因子10以上论文1-2篇，在本领域刊物发表系列论文。2）作物多样性调控害虫的效应及其机理本创新点在作物-害虫-天敌三级营养系统的基础上，着重突出研究作物多样性种植调控害虫的效应及其机理。从前一项目试验发现的玉米与甘蔗多样性种植干扰玉米螟产卵行为，降低玉米螟虫口密度的现象切入，研究干扰玉米螟寄主定位的主要因素，深入研究作物多样性对玉米螟行为、生长发育和繁殖的影响

10、，田间试验玉米与甘蔗不同群落结构与玉米螟及其天敌种群动态变化的特征，探明玉米与甘蔗多样性种植影响玉米螟发生危害的作用机理。本创新点力争发表影响因子10以上论文1篇，在本领域刊物发表系列论文。3）作物多样性影响土壤地力的根际互作作物多样性优化种植变一熟为两熟，大幅度提高耕地产出率，增加粮食产量。作物多样性的高效产出是否影响土壤地力，是急需回答的问题。本创新点是在前一项目试验验证了玉米与蚕豆、小麦与蚕豆间作促进蚕豆根瘤增加以及蚕豆通过活化根际磷改善玉米磷营养的基础上，以作物多样性种植体系地上部和地下部种间相互作用及其反馈调节为切入点，深入研究作物多样性种植与单作的根际过程和根系组成特征，探明作物多

11、样性种植中作物对提高土壤养分吸收利用的作用机理；从养分活化竞争利用，土壤碳氮协调促进生物固持和微生物多样性的变化特征，阐明作物多样性种植对土壤地力的影响。本创新点力争发表影响因子10以上论文1-2篇，在本领域刊物发表系列论文。4、项目研究特色1）不可替代的区域资源条件项目研究定位在我国西南地区是以横断山脉为主体的全球独特纵向岭谷区。该地区纬度低海拔高差大，山脉蜿蜒，河流众多，形成了高山、丘陵、盆地等地貌多样性。造就了寒带、温带、亚热带、热带等气候多样性。地貌和气候的多样性形成了丰富的生物多样性和民族文化多样性，是北半球生物多样性最富集区，动物和植物种类占全国总数的一半以上，农作物资源极为丰富，

12、倍受国内外关注。另一方面，该地区为少数民族聚居区，民族众多社会发育参差不齐，经济发展不平衡，农业生产方式多种多样。山区和丘陵区仍然以传统农业生产方式为主体。西南地区农业生物资源的多样性和农业生产方式的多样性是农业生物多样性研究不可替代的资源条件。2）急需解决的区域粮食生产难题我国西南山区和丘陵区的少数民族以马铃薯、玉米、豆类、麦类等为主要口粮。该地区受南亚季风气候影响，干湿季节分明，特殊年份冬春连旱，严重影响粮食作物生产。正常年份，五月至十月为降雨季节。七、八、九月为降雨高峰期，降雨量约占全年雨量的60%。降雨高峰期与马铃薯晚疫病、玉米大、小斑病等主要粮食作物病害发生高峰期重叠，年年阴雨年年病

13、害流行，造成粮食产量重大损失，严重影响山区农民口粮和经济收入。提高该地区抗旱减灾能力，解决该地区作物主要病害流行问题成为广大农民的迫切要求和各级政府的期望目标。但是，常规栽培技术难以应付突发的严重干旱，常规病害防治技术实施难度大且防效甚微，使用农药的成本较高，使用后受雨水冲涮防效降低。气象灾害和生物灾害发生频繁，粮食作物单产低长期是西南地区粮食生产的难题。四、年度计划第一年度（2011年1月至12月）1、计划研究内容1）筛选适宜作物多样性种植的玉米、小麦、马铃薯、大豆等品种资源，开展品种资源的株型结构、根系结构、养分水分利用以及抗病性、抗虫性等研究。2）以玉米与大豆、玉米与马铃薯等典型的作物多

14、样性种植模式为对象，依据生态学的生态位原理及其对等效应，对复合群体内作物间株高、株型适配和品种类型选择与时空布局配置参数进行定量研究。3）利用遗传异质性高的元阳梯田水稻品种为材料，通过该品种的基因组精准测序和基因芯片分析，初步从基因组和表达组解析遗传异质性调控病害的原理。从前一项目甘蔗玉米多样性种植影响玉米螟产卵行为，研究作物多样性影响害虫寄主定位、生长发育和繁殖过程。4）以作物多样性种植体系地上部和地下部种间相互作用及其反馈调节为切入点，深入研究作物多样性种植与单作的根际过程和根系组成特征。5）构建作物多样性种植模式的技术参数，在我国西南、西北、东南山区的等典型区域，进行田间试验。2、预期目

15、标1）初步明确作物生育期差异，株型互补，根系互作，抗性差异，病虫害差异等合理组配基本原理。2）从作物多样性种植环境、作物基因型、作物产量品质表现型三个层面，初步明确作物种群结构对产量、品质的作用。3）初步了解元阳梯田水稻品种持久调控病害现象的遗传异质的分子基础。初步探明甘蔗玉米多样性种植影响玉米螟产卵行为。4）完成第一年田间小区试验，初步构建作物多样性种植模式的技术参数。第二年度（2012年1月至12月）1、计划研究内容1）进一步筛选适宜作物多样性种植的玉米、小麦、马铃薯、大豆等品种资源，继续开展品种资源的株型结构、根系结构、养分水分利用以及抗病性、抗虫性等研究。2）继续进行玉米与大豆、玉米与

16、马铃薯等典型的作物多样性种植模式的作物间株高、株型适配和品种类型选择与时空布局配置参数进行定量研究。3）继续进行元阳梯田水稻品种的基因组和表达组解析遗传异质性调控病害的原理的研究。继续研究作物多样性影响害虫寄主定位、生长发育和繁殖过程。4）继续进行作物多样性种植体系地上部和地下部种间相互作用及其反馈调节的深入研究，进一步探明作物多样性种植与单作的根际过程和根系组成特征。5）继续进行作物多样性种植模式的技术参数的构建，在我国西南、西北、东南山区的等典型区域进行田间试验示范。2、预期目标1）基本明确作物生育期差异，株型互补，根系互作，抗性差异，病虫害差异等合理组配基本原理。2）基本明确作物种群结构

17、对产量、品质的作用。3）基本解析元阳梯田水稻品种持久调控病害现象的遗传异质原理。深入探明甘蔗玉米多样性种植影响玉米螟产卵行为。4）构建作物多样性种植模式的技术参数和技术规程，从田间小试进入田间中试。第三年度（2013年1月至12月）1、计划研究内容1）继续筛选适宜作物多样性种植的玉米、小麦、马铃薯、大豆等品种资源，进一步开展品种资源的株型结构、根系结构、养分水分利用以及抗病性、抗虫性等研究。2）深入进行玉米与大豆、玉米与马铃薯等典型的作物多样性种植模式的作物间株高、株型适配和品种类型选择与时空布局配置参数进行定量研究。开展作物复合群体内的光、水、养分在环境内的时空分布的深入研究。3）利用抗小麦

18、条锈病近等基因系，设计组配不同丰度基因多样性品系组合，进行田间抗病试验和人工接种试验，验证基因多样性调控病害的效应。深入研究作物多样性在作物-害虫-天敌三级营养系统中的作用。4）深入研究作物多样性种植与单作的根际过程和根系组成特征，探明作物多样性种植中作物对提高土壤养分吸收利用的作用机理；从养分活化竞争利用，土壤碳氮协调促进生物固持和微生物多样性的变化过程。5）集成核心要素，构建作物多样性种植模式的技术参数和技术标准，并结合当地生产实际和机械化配套作业需求，形成作物多样性高效栽培专利技术和技术规程，建立大面积推广应用范例。定位研究作物多样性种植模式对土壤地力、病虫害组成结构和产量品质等方面的影

19、响。2、预期目标1）基本明确作物多样性合理组配原理，初步建立组配原则和技术参数。2）探明作物种群结构对产量和品质的作用，初步建立作物多样性种植技术参数。3）解析作物遗传异质调控病害基本原理，初步探明作物多样性在作物-害虫-天敌三级营养系统中的作用。4）建立作物多样性种植模式的技术参数和技术规程，开展大面积田间示范。第四年度（2014年1月至12月）1、计划研究内容1）基本完成筛选适宜作物多样性种植的玉米、小麦、马铃薯、大豆等品种资源，构建作物多样性优化种植的组配原则和参数。2）基本完成玉米与大豆、玉米与马铃薯等典型的作物多样性种植模式的作物间株高、株型适配和品种类型选择与时空布局配置参数进行定

20、量研究。深入研究作物复合群体内的光、水、养分在环境内的时空分布。3）继续设计组配不同丰度基因多样性品系组合，验证基因多样性调控病害的效应。基本完成作物多样性在作物-害虫-天敌三级营养系统中的作用。4）继续研究作物多样性种植与单作的根际过程和根系组成特征，探明作物多样性种植中作物对提高土壤养分吸收利用的作用机理；从养分活化竞争利用，土壤碳氮协调促进生物固持和微生物多样性的变化过程。5）进一步集成核心要素，构建作物多样性种植模式的技术参数和技术标准，并结合当地生产实际和机械化配套作业需求，形成作物多样性高效栽培专利技术和技术规程，建立大面积推广应用范例。定位研究作物多样性种植模式对土壤地力、病虫害

21、组成结构和产量品质等方面的影响。2、预期目标1）探明作物多样性合理组配原理，建立组配原则和技术参数。2）探明作物种群结构对产量和品质的作用，建立作物多样性种植技术参数。3）解析作物遗传异质调控病害基本原理，探明作物多样性在作物-害虫-天敌三级营养系统中的作用。4）建立作物多样性种植模式的技术参数和技术规程，开展大面积田间示范。初步明确作物多样性种植模式对土壤地力、病虫害组成结构和产量品质等方面的影响。第五年度（2015年1月至8月）1、计划研究内容1）完成筛选适宜作物多样性种植的玉米、小麦、马铃薯、大豆等品种资源，构建作物多样性优化种植的组配原则和参数。2）完成玉米与大豆、玉米与马铃薯等典型的

22、作物多样性种植模式的作物间株高、株型适配和品种类型选择与时空布局配置参数进行定量研究。深入研究作物复合群体内的光、水、养分在环境内的时空分布。3）完成基因多样性调控病害的效应和作用研究。完成作物多样性在作物-害虫-天敌三级营养系统中的作用。4）完成作物多样性种植与单作的根际过程和根系组成特征研究，作物多样性种植中作物对提高土壤养分吸收利用的作用机理；从养分活化竞争利用，土壤碳氮协调促进生物固持和微生物多样性的变化过程的研究。5）综合各课题的主要研究结果，构建作物多样性种植模式的技术参数和技术标准，结合当地生产实际和机械化配套作业需求，形成作物多样性高效栽培技术规程，建立大面积推广应用范例。定位

23、研究作物多样性种植模式对土壤地力、病虫害组成结构和产量品质等方面的影响和作用，客观评价作物多样性种植的持续效应。2、预期目标1）阐明作物多样性调控病害的基因多样性原理2）探明作物多样性影响土壤地力的根际生态过程3）形成作物多样性种植模式的技术参数4）建立作物多样性种植模式持续应用的评价体系5）提供大面积应用范例，展示研究成果一、研究内容1、研究的典型地区本项目以我国西南山区作为研究的典型地区，辐射研究西北山区和东南山区。我国西南山区是少数民族聚居区，以种植马铃薯、玉米、豆类、麦类等为主要口粮。该地区受南亚季风气候影响，干湿季节分明，特殊年份冬春连旱，严重影响粮食作物生产。正常年份，五月至十月为

24、降雨季节，七、八、九月为降雨高峰期，降雨量约占全年雨量的60%。降雨高峰期与马铃薯晚疫病、玉米大、小斑病等主要粮食作物病害发生高峰期重叠，年年阴雨年年病害流行，造成粮食产量重大损失，严重影响山区农民口粮和经济收入。解决该地区作物主要病害流行问题成为广大农民的迫切需求和各级政府的期望目标。但是，常规的病害防治技术实施难度大且防效甚微，使用农药的成本较高，使用后受雨水冲涮防效降低。探索作物多样性控病增产新方法成为保障粮食增产的关键。前一项目研究成果在该地区进行了大面积应用，有多年的田间试验数据和气象资料，前期基础扎实，利于项目的持续研究和观测。近年来项目组在西北山区和东南山区开展了前一项目的辐射式

25、研究，也积累了大量的资料和数据，有良好的研究基础。2、主要研究对象项目以禾谷类与豆类，禾谷类与薯类等作物种类为研究对象，重点研究玉米与薯类、玉米与豆类、小麦与豆类等重要作物搭配高效栽培的生态调控原理。前一项目研究了20余种作物多样性搭配控病增产的效果，其中大部分搭配均有良好的控病增产效果，但根据该区域的生产实际，应用面积最大的是禾谷类与豆类，禾谷类与薯类等作物多样性搭配组合。为此，本项目进一步集中研究对象，深入研究玉米与马铃薯、玉米与大豆、小麦与蚕豆等作物搭配，系统研究多样性种植对病虫害的生态调控和土壤地力的影响。3、研究主要内容1）作物多样性种植的种质资源筛选和组配原理立足我国丰富的农作物种

26、质资源，筛选适宜作物多样性种植的玉米、小麦、马铃薯、大豆等品种资源。研究品种资源的株型结构、根系结构、养分水分利用以及抗病性、抗虫性、抗逆性等。探明作物生育期差异，株型互补，根系互作，抗性差异，病虫害差异等合理组配原理，构建作物多样性优化种植的组配原则和参数。2）作物群落结构对产量与品质的影响及其机理本课题以玉米与大豆、玉米与马铃薯等典型的作物多样性种植模式为对象，依据生态学的生态位原理及其对等效应，对复合群体内作物间株高、株型适配和品种类型选择与时空布局配置参数进行定量研究，构建高产优质的作物多样性配置技术体系。在此基础上，对作物复合群体内的光、水、养分在环境内的时空分布和在作物间的分配利用进行研究，从作物多样性种植环境、作物基因型、作物产量品质表现型三个层面，探明作物种群结构对产量、品质的效应和作用机理。3）作物多样性调控病虫害的作用及其机理根据植物保护学原理，应用现代植物病理学、昆虫学、分子生物学、化学