近日，药学院万年峰课题组在Cell子刊—Current Biology上发表了题为Cascading social-ecological benefits of biodiversity for agriculture的原创性成果，该论文被遴选为Featured content。
该研究提出了利用生物多样性调控害虫的新理论——联动链理论(Cascade Chain Theory)，该理论是对课题组前期提出的营养级联动控害理论的升级与进化(Nature Plants, 2020)。文章指出，可从下行效应和上行效应两条路径，实现联动链理论。下行效应指的是，生物多样性使天敌增加、害虫降低，进而使作物增产；同时，下行效应也促使杀虫剂用量及其成本下降、经济效益增加和环境效应的提升。上行效应指的是，生物多样性产生的高作物抗性，增强了作物防御害虫能力而使害虫数量与危害下降；这同样能减少杀虫剂用量及其成本、增加经济效益和提升环境质量。首先，作者采用大数据思路，对全球作物多样性影响作物、害虫、天敌的三营养级报道进行了筛查；然后，对全球45个试验215组配对数据进行了路径分析，结果显示：作物多样性促发营养级联动，即作物多样性使天敌增加、害虫降低而使作物增产(见图1)。
图1：全球作物多样性种植促发天敌、害虫、作物的营养级联动
(*为显著性P <0.05，⁑为边际显著性0.05 < P<0.10；蓝色和红色箭头分别表示正、负关系；每个箭头旁边的数字是分段结构方程模型的估计系数，线宽与系数的大小成正比)
全球作物多样性种植诱发三营养联动的结果，为本文的联动链理论提供了基础。鉴于此，文章全面阐释了联动链理论的研究框架(见图2)：
图2：生物多样性控害联动链理论框架图
(“+”、“－”分别表示正相关、负相关关系；红色箭头表示通过直接自上而下的三营养级联动；蓝色和绿色箭头表示两个独立的间接的自上而下的联动链；图中数字表示实现联动链的步骤/程序)
该文指出，目前共有10种假说支撑联动链理论。针对全球广泛应用的作物多样性种植模式(例如农田田埂种植显花植物、诱集植物、作物间套作)，主要有4种假说支撑该理论：天敌假说(Natural enemyhypothesis)、资源集中假说(Resource concentration hypothesis)、保险假说(Insurance hypothesis)和推-拉假说(Push-pull hypothesis)。利用这4种假说实现联动链理论的研究示意图如下(图3)：
(A：天敌假说；B：资源集中假说；C：保险假说；D：推-拉假说；黑箭头、红箭头分别表示正、负效应；箭头宽度大小表示相对作用强度)
作物与人类驯养动物共存的物种多样性模式，是仅次于作物多样性模式的另外一种流行方式。例如，稻田养殖鱼虾蟹蛙鳖等稻渔共生模式，在东南亚国家已有2000多年的发展历史；菜田养殖水产动物，在近20年也得到了逐步发展；作物与家畜共存模式，已成为欧洲、北美洲、南非、澳大利亚以及新西兰等地区，发展现代农业的重要举措。虽然该共存模式的控害机制或理论鲜见报道，万年峰课题组在前期提出聚集假说(Journalof Applied Ecology, 2022)的基础上，在该文中又提出了另外3种假说：捕食假说(Predation hypothesis)、环境调控假说(Environmentalregulation hypothesis)、作物抗性假说(Cropresistance hypothesis)(见图4)。
图4：作物与人类驯养动物共存的物种多样性控害假说
(A：捕食假说；B：聚集假说；C：环境调控假说；D：作物抗性假说；黑箭头、红箭头分别表示正、负效应；箭头宽度大小表示相对作用强度)
与作物多样性、作物与人类驯养动物共存的物种多样性相比，作物与食用菌共存的物种多样性(例如，葡萄园种灵芝、茶园种香菇、玉米间作蘑菇、水稻间作黑木耳)，是保障食物安全和增加经济效益的重要技术。该技术在我国、巴西、埃及以及美国的一些地区，已被广泛采用。遗憾的是，学术界对该技术的控害机制知之甚少。针对当前研究空白，作者提出了两种假说：天敌假说(Natural enemyhypothesis)、作物抗性假说(Crop resistance hypothesis)(见图5)。
(A和B：天敌假说；C和D：作物抗性假说；黑箭头、红箭头分别表示正、负效应；箭头宽度大小表示相对作用强度)
为检验文章中提出的联动链理论的科学性和准确性，作者首先对稻田田埂种植大豆/玉米系统，进行了联动链理论效果检测；经结构方程模型检验，作物多样性增加了稻田天敌、减少了害虫，进而减少了杀虫剂用量、增加了水稻产量且增加了经济效益。紧接着，作者对花菜与水产动物共生系统进行了结构方程模型检验，发现这种多样化模式同样产生联动链趋势(见图6)。
(A：水稻单作vs.稻田田埂种植大豆/玉米系统；B：花菜单作vs.花菜与水产动物共生系统；“+”、“－”分别表示正相关、负相关关系)
最后，文章倡议，唯有科学家、政府部门、技术推广部门、种植养殖者、企业多方协力，方能将联动链理论更好服务社会、贡献人类、保护地球家园，以促使作物系统产生更安全优质的农产品、最大化的经济效益、更优质的环境质量和更丰富的生物多样性(见图7)。
图7：践行联动链理论的途径
十大菠菜导航网万年峰研究员为该文通讯作者，意大利维罗纳大学Matteo Dainese博士(共一)、复旦大学王昱泉博士、法国科学院院士/欧洲科学院院士/加拿大皇家科学院院士/北京大学客座教授Michel Loreau博士为共同作者。该研究得到了国家高层次青年人才项目、郑州市农业科技创新项目、郑州市科技创新行动计划国内合作项目等项目资助。
万年峰课题组主要致力于用从分子到生态系统的方法，整合分子生物学、化学员态学、控制试验、数理分析与大数据等手段，探索利用生物多样性控害原理与方法，阐明生物多样性控害的生态与分子机制；近5年代表性成果以一作/通讯作者发表于Nature Plants (2020)、Nature Communications (2022)、Current Biology (2024)、iScience (2021)、Journal of AppliedEcology (2022)、Agriculture Ecosystems & Environment (2024)、Ecological Indicators (2019)、Journal of CleanerProduction (2019a, 2019b, 2020)、Pest Management Science (2020, 2021, 2022)等学术期刊上。
原文衔接：https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(24)00599-2。