项目名称：农业生物多样性控制病虫害和保护种质资源的原理与方法首席科学家：朱有勇云南农业大学起止年限：2006.1至2010.12依托部门：云南省科技厅一、研究内容（一）拟解决的关键科学问题1、农业生物多样性控制病虫害的原理和方法农业生物多样性控制病虫害的时空配置方法和效应；时空配置中基因表达和次生代谢的变化特征；作物与病虫相互作用的遗传学原理及协同进化；生物间信息及物理化学作用；生态功能和流行机制；阐明农业生物多样性控制病虫害的机理，建立优化应用模式和方法。

2、利用生物多样性促进种质资源保护的方法及机制农业生物多样性促进品种资源保护的方法和效应；生物多样性促进品种持久性利用的机理；基因交流和种质渗入对品种资源的影响；利用生物多样性促进品种资源保护的时空尺度及其内在关联；建立评价标准和评价体系。

（二）主要研究内容围绕关键科学问题，立足我国农业生物多样性资源及生产管理多样性特色优势，以重要粮食作物为研究对象，利用分子生物技术和信息技术，从微观的基因表达和次生代谢入手，结合现代新技术和传统技术，主要研究农业生物多样性的宏观生态学问题，重点开展农业生物多样性控制病虫害和保护种质资源的评价体系、原理与机制和模式与方法三个层次五个方面的研究。

1、重要粮食作物的农业生物多样性评价标准和体系在表现型和基因型两个层次，对不同生态区和不同种植模式的水稻、小麦等重要粮食作物品种进行取样策略、评价标准和评价体系开展研究。

通过分析表现型和基因型的多样性，并对不同生态条件和不同种植模式下主要功能基因表达及调控、基因－环境互作进行研究，提出重要粮食作物农业生物多样性评价标准和评价体系。

2、农业生物多样性时空配置的基因表达和次生代谢变化特征围绕生物多样性控制病虫害和种质资源保护的中心内容，利用功能基因组学的研究方法，分析不同生态条件和不同种植模式下基因组、转录组、蛋白质组及代谢组水平上的变化特征和规律；通过结构基因组和功能基因组水平上的综合分析，明确多样性时空配置的基因表达、次生代谢与表型的相互关系；探明遗传异质性与品种持久利用的关系。

3、农业生物多样性控制病虫害的效应、机理及方法农业生物多样性控制病虫害的基本规律及其效应；作物与病虫相互作用的遗传学原理及协同进化；品种搭配的分子标记和农艺性状特征；生物间信息及物理化学作用；生态学机理和流行学机制；农业生物多样性时空配置控制病虫害的优化应用模式及方法。

4、利用农业生物多样性促进种质资源保护的效应、时空尺度及其关联农业生物多样性促进种质资源保护的效应；品种持久性利用的生物多样性机理；基因交流和种质渗入对种质资源的影响；利用农业生物多样性促进种质资源保护的时空尺度及内在关联；建立优化应用模式。

5、农业生物多样性控制病虫害和种质资源保护综合应用模式在西南地区重点研究遗传多样性控制病虫害和农家保护品种资源的时空配置综合模式；西北地区重点研究品种多样性时空配置的综合模式；东部地区重点研究农田生态系统多样性时空配置的综合模式；田间验证研究结果，进行成果集成，建立农业生物多样性控制病虫和保护种质资源的范例。

二、预期目标(一)总体目标探明农业生物多样性控制病虫害的效应及基本规律，明确生态学原理、流行学和遗传学机理；建立农业生态系统中作物品种多样性的评价标准和评价体系；探明利用生物多样性促进种质资源保护的效应、尺度及内在关联；判识种质渗入对种质资源的影响；构建综合应用模式，验证研究结果并进行成果集成。

发现农业生物多样性控制病虫害和种质资源保护的基本规律，明确基本原理，创建基本方法和评价体系，丰富和发展农业生物多样性利用和保护理论。

为解决品种单一化带来的负面影响提供可操作方案；为开发农业生物多样性实用技术提供理论支持；为探索粮食生产与农业生物多样性保护和谐发展的新途径提供科学依据。

（二）五年预期目标发现农业生物多样性控制病虫害和品种资源保护的基本规律，明确基本原理，创建基本方法和评价体系，构建综合应用模式，提供成功范例，丰富和发展农业生物多样性利用和保护理论。

主要贡献如下：1、基础理论贡献●农业生物多样性控制病虫害的生态学原理；●农业生物多样性控制病虫害的遗传学和流行学机理；●品种持久性利用的生物多样性原理；●利用生物多样性促进种质资源保护的机理。

2、基本方法贡献●重要粮食作物的农业生物多样性评价标准和方法；●控制病虫害时空配置模式和方法；●保护品种资源的利用模式和方法；●农业生物多样性综合应用模式和方法。

3、建立综合应用模式●遗传多样性综合应用模式范例；●物种多样性综合应用模式范例；●生态系统多样性综合应用模式范例。

4、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，在利用生物多样性控制病虫害和原位（农家）保护品种资源的研究保持国际前沿地位，发展和丰富农业生物多样性理论，对国际学术界产生重要的影响。

●形成研究农业生物多样性的优秀科学家群体，培养博士、硕士生100-120名。

三、研究方案(一)总体思路以生物多样性、植物保护学、生态学、遗传学、种质资源学以及其他现代科学的基本理论为指导，将科学考察、定位观测、田间试验、模式模拟、农户调查、资源分析与分子生物技术和信息技术相结合，在前期工作和相关成果的基础上，采用微观分子生物学和宏观生态学方法，探索利用微观技术解释宏观生态学现象的交互式分析方法，进行利用生物多样性控制病虫害和保护种质资源的多学科交叉研究。

选择我国重要粮食作物水稻和小麦及其主要的病虫害为研究对象，以西南地区（元阳梯田）、西北地区（条锈病菌原地区）和东部地区（珠江三角区）不同自然生态条件和社会发展水平地区为代表性研究区，围绕利用生物多样性促进粮食安全的研究主线，重点解决农业生物多样性控制病虫害和保护种质资源的两个关键科学问题，系统开展农业生物多样性控制病虫害和保护种质资源的评价体系、原理与机制和模式与方法三个层次五个方面的研究。

（二）技术途径本项目的开展已有较好的技术平台支撑，承担单位拥有2个国家重点实验室，1个农业生物多样性国家工程研究中心，1个国家级作物种质资源库，5个省部级重点实验室，项目所需的绝大部分仪器均能满足。

另外，承担单位还拥有30余万份品种资源材料，建立了100余个田间试验点，包括云南原生态点10个，西部欠发达地区75个，东部发达地区20余个，基本代表了我国自然生态和社会经济发展纵向梯度的农业生产类型。

在大量前期工作的基础上，本项目研究的主要技术途径如下：（三）创新点与特色1、创新点及其突破1）生物多样性控制病虫害的理论创新：阐明农业生物多样性利用中寄主与病虫相互依赖、相互制约的机理，形成生物多样性控制病虫害的新理论。

突破点：生物多样性控制病虫害的生态机理利用生物多样性控制作物病虫害的应用研究已历时5年，完成了遗传学、病理学、流行学等方面的大部分研究工作，积累了大量研究资料。

在项目执行期内，通过学科交叉，微观技术与宏观技术结合，可望在解析同一品种不同种植方式产生不同控制效果的农田生态学机理获得突破，促进生物多样性控制病虫害的创新理论的形成。

2）粮食作物重大病虫害防治技术创新：在理论创新基础上，借鉴水稻的成功经验，形成重大病虫害生物多样性防治新技术，为建立我国重大病虫害防治的长效机制提供技术。

●突破点：锈病菌源地的生物多样性防治技术由于小麦品种单一化，我国每年发生条锈病近2亿余亩，病害发生菌源来自西北和西南山区的2千余万亩小麦，是800余万农民的自给口粮生产土地。

其无法替代性严重威胁我国2亿余亩小麦的安全生产。

在菌源地区构建品种多样性控制锈病技术，有效控制菌源地条锈病的发生，为建立我国防治条锈病的长效机制提供创新技术。

已开展生物多样性控制小麦锈病技术研究3年，完成了田间小区试验150多个，获得了大量的技术参数，可望在项目执行期内防治技术获得突破。

3）品种资源持久性利用的理论创新：从生物多样性角度，结合遗传学、生态学、植物保护学、环境科学等学科，定位观测，分析实例，解析经久使用的农家品种的机理和机制，建立品种资源持久性利用的新理论。

●突破点：解析连续种植120余年农家品种的机理在云南元阳梯田地区选择了两个连续种植了120余年的水稻农家品种，定位了10个田间观测点，从农业生物多样性角度已开展了2年的系统研究，有望在项目执行期内，通过多学科交叉研究，解析该农家品种持久利用的机理和机制，促进品种资源持久性利用新理论的形成。

2、特色在国际上，我国农业生物多样性资源及其生产方式多样性，其研究条件对该领域的研究具有无可替代特色；在国家需求上，通过利用农业生物多样性控制病虫害的特性，促进广大农民在利用中实现品种资源保护和减少农药使用量，其对我国生态农业的发展，特别对促进西部山区生态农业的建设，具有独到之处。

（四）课题设置围绕利用生物多样性促进粮食安全的研究主线，重点解决农业生物多样性控制病虫害和种质资源保护的两个关键科学问题，系统开展三个层次的研究，根据研究内容的性质、任务、关联度和学科特点，将研究内容设置为六个课题：1、重要粮食作物的农业生物多样性评价标准和体系；2、不同生态条件下品种抗病虫的基因表达和次生代谢特征；3、农业生物多样性控制病害的效应、原理和方法；4、农业生物多样性控制害虫的效应、原理和方法；5、农业生物多样性促进种质资源保护的作用、尺度及关联；6、农业生物多样性综合应用模式与方法。

（五）课题的任务和关联根据研究的总体方案和技术路线，设置的6个研究课题分三个层面展开。

层面一（包括课题1和课题2是本项目的基础部分，其中课题1的主要任务是建立评价标准和体系，为判识其他课题的研究结果服务；课题2的主要任务是研究不同生态系统中基因表达和次生代谢变化特征，为其他课题研究的宏观生态学原理提供分子证据和解析分子机理服务。

层面二（包括课题3、4、5）是研究的主体，主要任务是研究农业生物多样性控制病虫害和种质资源保护的原理和方法，其中课题2与课题3重点研究控制病害和虫害的规律及原理，其结果是课题5研究的前提；课题5是研究利用农业生物多样性控制病虫害的模式对品种资源保护的作用和内在关联。

层面三（课题6）是各课题研究结果的集成，形成综合应用模式，通过验证建立基础理论。

各课题间的相互关联如下图所示：（六）课题简介课题一：重要粮食作物的农业生物多样性评价标准和体系本课题将在表现型和基因型两个层次，对不同生态区和不同种植模式的水稻、小麦等重要粮食作物品种进行取样策略、评价标准和评价体系开展研究。

通过分析表现型和基因型的多样性，并对不同生态条件和不同种植模式下主要功能基因表达及调控、基因－环境互作进行研究，提出重要粮食作物品种多样性评价标准和评价体系。

本课题是项目研究的基础之一。

1、主要研究内容1）重要粮食作物种质资源表现型多样性研究：包括重要粮食作物不同品种在不同生态区及多样性种植模式下抗病、抗逆、产量、品质等表现型的精细鉴定评价，构建不同生态区和不同种植模式下的表现型多样性评价标准和技术体系。