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基于水稻冠层多信息融合的监测褐飞虱种群大小的BP神经网络方法

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昆虫学报 2024年第4期67卷 572-581页

作者：熊志强王嘉汉刘向东南京农业大学植物保护学院昆虫学系南京210095

【目的】褐飞虱Nilaparvata lugens种群监测的自动化和智能化尚未实现。本研究旨在探究水稻受褐飞虱危害后冠层光谱和温度以及叶片叶绿素相对含量与为害虫量的关系,建立基于高光谱、热成像和叶绿素等多信息融合的误差反向传播(back prop... 详细信息

【目的】褐飞虱Nilaparvata lugens种群监测的自动化和智能化尚未实现。本研究旨在探究水稻受褐飞虱危害后冠层光谱和温度以及叶片叶绿素相对含量与为害虫量的关系,建立基于高光谱、热成像和叶绿素等多信息融合的误差反向传播(back propagation,BP)神经网络监测褐飞虱的方法,为田间褐飞虱种群监测向自动化与智能化方向发展提供方法支持。【方法】在可控条件下利用方形塑料框培育水稻,并在分蘖期接入雌雄1∶1配对的不同对数(0,1,2,3,4,5,6和7对)的褐飞虱雌、雄成虫,然后连续多次(接虫后16,27,32,44和60 d时)调查接虫区水稻上褐飞虱虫量(每4穴稻上个体数),并采用高光谱仪和热成像仪分别测定水稻冠层光谱反射率和冠层温度,利用土壤和植物分析仪器开发(soil and plant analyzer development,SPAD)叶绿素仪测定叶片叶绿素的相对含量(SPAD值);采用Pearson相关法分析各测量指标与褐飞虱虫量的相关性;采用多元散射校正对光谱反射率数据进行降噪处理;采用连续投影算法对高光谱反射率数据进行降维和敏感波段筛选;分别以光谱反射率单一信息及其与冠层温度和SPAD值融合后的多源信息为输入量,采用普通和加入粒子群算法优化的BP神经网络建模,构建褐飞虱为害不同时段后种群大小的神经网络监测模型。【结果】褐飞虱为害后水稻冠层光谱在近红外的730-930 nm波段反射率、水稻冠层温度与气温的差值(冠气温差)和叶片的SPAD值均与褐飞虱虫量呈显著负相关。利用连续投影算法筛选出的冠层光谱敏感波段处反射率并降噪后建立的BP神经网络监测5个危害时段褐飞虱虫量的预测集决定系数R^(2)在0.504~0.892之间;融合冠层光谱、冠气温差和叶片SPAD值等多信息建立的BP神经网络监测褐飞虱虫量的预测集R^(2)提升到0.640~0.975;在多源信息基础上再选用粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法优化BP神经网络后监测褐飞虱虫量的精度提高,预测集R^(2)提升到0.931~0.991,模型预测效果好。【结论】基于水稻冠层高光谱与热成像和叶片SPAD值等多信息融合的PSO-BP神经网络方法监测褐飞虱虫量的精度高、效果好,有望用于田间褐飞虱种群的自动监测。

关键词：褐飞虱冠层光谱反射率冠层温度叶绿素SPAD BP神经网络粒子群优化

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白背飞虱危害水稻虫量的叶片光谱监测

应用昆虫学报 2024年第2期61卷 411-422页

作者：孙嘉怿刘向东南京农业大学植物保护学院昆虫学系南京210095

【目的】利用水稻叶片光谱反射率建立白背飞虱Sogatella furcifera虫量的监测模型,为稻飞虱的光谱监测提供方法支持。【方法】在水稻分蘖期和孕穗期分别人工接种不同数量的白背飞虱3龄若虫,使水稻受到不同程度的危害;在暗室利用ASD手持... 详细信息

【目的】利用水稻叶片光谱反射率建立白背飞虱Sogatella furcifera虫量的监测模型,为稻飞虱的光谱监测提供方法支持。【方法】在水稻分蘖期和孕穗期分别人工接种不同数量的白背飞虱3龄若虫,使水稻受到不同程度的危害;在暗室利用ASD手持式光谱辐射仪测定白背飞虱为害1-4周后水稻倒4单叶和全部叶片的光谱反射率;采用相关性分析方法确定叶片光谱反射率和植被指数与白背飞虱虫量的关系;运用逐步回归建模方法组建基于植被指数的白背飞虱虫量监测模型。【结果】稻株倒4单叶和全部叶片的光谱反射率不能很好表征水稻分蘖期受20头/株以内白背飞虱为害1-2周和孕穗期受30头/株以内白背飞虱为害1周的虫量大小,但为害3-4周时叶片反射光谱均有稳定波段区域与虫量显著相关。分蘖期倒4单叶和全叶在440和680nm处反射率可区分16头/株白背飞虱为害3周时的虫量,680和760nm处反射率可区分12头/株白背飞虱为害4周时的虫量;孕穗期全叶680和760 nm处反射率可区分30头/株白背飞虱为害3周时的虫量,倒4单叶在760nm处反射率可区分12头/株白背飞虱为害4周时的虫量。在白背飞虱为害分蘖期和孕穗期稻株3和4周时,倒4单叶在400-1000 nm范围内的差值(DVI)、比值(RVI)和归一化(NDVI)植被指数与虫量相关程度高的光谱波段区域较为稳定,并且DVI与虫量的相关性强于RVI和NDVI。分别建立了基于倒4单叶DVI的分蘖期和孕穗期稻株为害3和4周时的白背飞虱虫量的逐步回归模型,模型均方根误差在两水稻生育期分别约为4和5-8头/株。【结论】稻叶光谱反射率对白背飞虱为害虫量的表征能力受水稻生育期和为害时长的影响。稻株受白背飞虱为害2周后,倒4单叶和全叶的光谱反射率在稳定波段区域内均与白背飞虱虫量存在显著相关性,叶片光谱的差值植被指数与白背飞虱虫量相关稳定,可用于建立虫量监测模型。

关键词：白背飞虱种群数量光谱反射率植被指数回归模型

来源：评论

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点蜂缘蝽效应子新型筛选体系的建立及应用

应用昆虫学报 2024年第1期61卷 49-61页

作者：鲁王善李继芬董玉妹沈丹宇窦道龙夏爱南京农业大学植物保护学院南京210095

【目的】建立以荧光素酶为报告基因且调控不同植物抗性相关通路的点蜂缘蝽效应子筛选新体系,并应用于点蜂缘蝽效应子的研究。【方法】通过对点蜂缘蝽Riptortuspedestris取食前后的大豆叶片转录组比较分析,挑选出了4个点蜂缘蝽取食后高... 详细信息

【目的】建立以荧光素酶为报告基因且调控不同植物抗性相关通路的点蜂缘蝽效应子筛选新体系,并应用于点蜂缘蝽效应子的研究。【方法】通过对点蜂缘蝽Riptortuspedestris取食前后的大豆叶片转录组比较分析,挑选出了4个点蜂缘蝽取食后高度上调表达且影响不同信号通路的大豆抗性相关基因。其中Gm^(2)参与异黄酮代谢、Gm3参与生长素和硫苷代谢、Gm6参与免疫信号识别和Gm8参与茉莉酸生物合成。利用PCR扩增4个基因的启动子序列并构建到pGreen-LUC载体上。构建成功的载体转化到大肠杆菌中,再利用根癌农杆菌注射在本氏烟中瞬时过表达建立报告系统。其次,在烟草叶片上表达点蜂缘蝽候选效应子12h后再分别表达报告系统。通过观察效应子对荧光素酶表达活性的影响来研究效应子的功能。【结果】琼脂糖凝胶电泳和测序证明了PCR成功扩增了4个抗性相关基因的启动子。荧光素酶报告基因检测、酶标仪酶活检测以及Western Blot验证了4个基因启动子在烟草叶片上成功表达。昆虫取食、机械处理和MeJA处理验证了该报告系统的可行性。最后利用该筛选体系对9个点蜂缘蝽效应子进行了筛选,结果显示9个点蜂缘蝽效应子对4个报告基因的表达有不同的调控作用。【结论】成功建立了以荧光素酶为报告基因的点蜂缘蝽效应子筛选新体系,该体系可应用于点蜂缘蝽效应子的大量筛选,且具有高效、快速和操作简易等特点,为其他昆虫效应子的研究提供了新思路。

关键词：点蜂缘蝽荧光素酶大豆基因启动子昆虫效应子信号通路烟草瞬时表达

干扰害虫生殖行为的弦音器TRPV通道调节剂研究进展

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农药学学报 2024年

作者：林品轩刘兆宇彭宇漩宋鑫宇王利祥高聪芬吴顺凡郑州大学农学院南京农业大学植物保护学院

瞬时感受器电位(transient receptor potential， TRP)通道是细胞膜上一类重要的阳离子通道，参与昆虫视觉、嗅觉、听觉、温度感知及机械感知等感觉功能的形成。其中瞬时感受器电位香草酸（transient receptor potential vanilloid，TRP... 详细信息

瞬时感受器电位(transient receptor potential， TRP)通道是细胞膜上一类重要的阳离子通道，参与昆虫视觉、嗅觉、听觉、温度感知及机械感知等感觉功能的形成。其中瞬时感受器电位香草酸（transient receptor potential vanilloid，TRPV）通道为TRP家族中的一类亚家族，其成员nanchung (Nan) 和inactive(Iav) 基因所编码的蛋白复合物是杀虫剂吡蚜酮、双丙环虫酯以及氟喹酮的分子靶标。研究表明，TRPV通道调节剂类药剂的作用机制不同于传统的神经毒性杀虫剂。如吡蚜酮和氟喹酮会抑制制桃蚜Myzus persica的取食行为；吡蚜酮通过作用于昆虫的弦音感受器，使东亚飞蝗Locusta migratori表现出后足抬起并伸展的独特中毒症状；吡蚜酮和氟喹酮能影响黑腹果蝇Drosophila melanogaster的重力感受和听觉感受，破坏其正常的负趋地性行为；吡蚜酮能够干扰褐飞虱Nilaparvata lugens和黑腹果蝇的生殖行为，有效抑制其下一代种群数量，从而表现出持效期长的特点。我国褐飞虱田间种群已对吡蚜酮普遍产生中等到水平抗性，白背飞虱Sogatella furcifera和灰飞虱Laodelphax striatellu对吡蚜酮的抗性水平虽然较低，但也呈逐年升高趋势；烟粉虱Bemisia tabaci对吡蚜酮和双丙环虫酯的抗性水平相对较低。细胞色素P450家族成员CYP6CS1 CYP6CM1、CYP6CW1、等参与了现阶段害虫对吡蚜酮的代谢抗性。但还未发现害虫对TRPV通道调节剂的靶标抗性。本文主要从TRPV通道调节剂的发现、毒理学机制、抗性现状、抗性机制及抗性适合度代价几方面研究进展进行系统阐述，以期为该类药剂的科学使用提供帮助。

关键词：杀虫剂毒理分子靶标 TRPV通道吡蚜酮抗性机制生殖行为

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常用茎叶处理除草剂对藜麦的安全性研究

南京农业大学学报 2024年

作者：赵瑾尹绍静李茹董立尧冯致科南京农业大学植物保护学院苏州市农业科学院

[目的]本文旨在研究藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）对常用茎叶处理除草剂的敏感性，筛选出对藜麦安全且能有效防除藜麦田杂草的除草剂，为藜麦田杂草防除提供参考依据和有效途径。[方法]采用室内整株生物测定法研究常用茎叶处理除... 详细信息

[目的]本文旨在研究藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）对常用茎叶处理除草剂的敏感性，筛选出对藜麦安全且能有效防除藜麦田杂草的除草剂，为藜麦田杂草防除提供参考依据和有效途径。[方法]采用室内整株生物测定法研究常用茎叶处理除草剂对藜麦的安全性，测定了‘苏藜一号’‘W77’两种藜麦对16种常用除草剂的敏感性，并测定了高效氟吡甲禾灵和精喹禾灵对禾本科杂草的除草活性。[结果]两种藜麦均对高效氟吡甲禾灵、精喹禾灵敏感性较低；高效氟吡甲禾灵对藜麦和杂草的选择性指数均小于2，表现为对藜麦不安全；精喹禾灵对‘苏藜一号’‘W77’与稗的选择性指数分别为9.28和9.63，精喹禾灵对‘苏藜一号’‘W77’和马唐的选择性指数分别为4.56和4.73，均表现为对藜麦安全，可以同时有效防除稗和马唐。[结论]本研究表明：精喹禾灵可以应用于藜麦田化学除草，可高效、安全地防除藜麦田部分禾本科杂草。

关键词：藜麦田杂草除草剂安全性敏感性

干扰害虫生殖行为的弦音器瞬时感受器电位香草酸通道调节剂研究进展

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农药学学报 2024年第2期26卷 246-256页

作者：林品轩刘兆宇彭宇漩宋鑫宇王利祥高聪芬吴顺凡南京农业大学植物保护学院南京210095 郑州大学农学院郑州450001

瞬时感受器电位(transient receptor potential,TRP)通道是细胞膜上一类重要的阳离子通道,参与昆虫视觉、嗅觉、听觉、温度感知及机械感知等感觉功能的形成。其中瞬时感受器电位香草酸(transient receptor potential vanilloid,TRPV)通... 详细信息

瞬时感受器电位(transient receptor potential,TRP)通道是细胞膜上一类重要的阳离子通道,参与昆虫视觉、嗅觉、听觉、温度感知及机械感知等感觉功能的形成。其中瞬时感受器电位香草酸(transient receptor potential vanilloid,TRPV)通道为TRP家族中的一类亚家族,其成员nanchung(Nan)和inactive(Iav)基因所编码的蛋白复合物是杀虫剂吡蚜酮、双丙环虫酯以及氟喹酮的分子靶标。研究表明,TRPV通道调节剂类药剂的作用机制不同于传统的神经毒性杀虫剂。如吡蚜酮和氟喹酮会抑制桃蚜Myzus persicae的取食行为;吡蚜酮通过作用于昆虫的弦音感受器,使东亚飞蝗Locusta migratori表现出后足抬起并伸展的独特中毒症状;吡蚜酮和氟喹酮能影响黑腹果蝇Drosophila melanogaster的重力感受和听觉感受,破坏其正常的负趋地性行为;吡蚜酮能够干扰褐飞虱Nilaparvata lugens和黑腹果蝇的生殖行为,有效抑制其下一代种群数量,从而表现出持效期长的特点。我国褐飞虱田间种群已对吡蚜酮普遍产生中等到高水平抗性,白背飞虱Sogatella furcifera和灰飞虱Laodelphax striatellu对吡蚜酮的抗性水平虽然较低,但也呈逐年升高趋势;烟粉虱Bemisia tabaci对吡蚜酮和双丙环虫酯的抗性水平相对较低。细胞色素P450家族成员CYP6CS1、CYP6CM1及CYP6CW1等参与了现阶段害虫对吡蚜酮的代谢抗性,但还未发现害虫对TRPV通道调节剂的靶标抗性。本文主要从TRPV通道调节剂的发现、毒理学机制、抗性现状、抗性机制及抗性适合度代价等方面的研究进展进行了系统阐述,可为该类药剂的深入研究及科学使用提供参考。

关键词：杀虫剂毒理分子靶标 TRPV通道吡蚜酮抗性机制生殖行为

非作物生境及其中功能植物生态调控作物害虫的研究进展

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中国生物防治学报 2024年

作者：何北辰闫雪影刘雨欣向子仪王慧刘红梅张海芳杨殿林赵建宁张艳军武淑文农业农村部环境保护科研监测所东北农业大学资源与环境学院南京农业大学植物保护学院

人口规模的快速扩张产生了农产品供应的较大缺口，推动了农业生产方式的高度集约化。但是，农业集约化生产方式往往伴随着化学农药的大量使用，对生态环境造成了明显破坏，尤其是导致生物多样性锐减。生物多样性的减少削弱了自然天敌对... 详细信息

人口规模的快速扩张产生了农产品供应的较大缺口，推动了农业生产方式的高度集约化。但是，农业集约化生产方式往往伴随着化学农药的大量使用，对生态环境造成了明显破坏，尤其是导致生物多样性锐减。生物多样性的减少削弱了自然天敌对作物害虫的防控作用，农田生态系统稳定性降低，对粮食安全产生了明显威胁。利用生物平衡原理对害虫进行生态调控，是提高农业生物多样性，维持农田生态系统可持续发展的有效策略。研究证实，非作物生境的植物组成及生物特性对维系天敌昆虫多样性具有重要作用，且对天敌昆虫迁移扩散到作物生境发挥害虫控制功能产生积极影响。因此，研究功能植物涵养天敌的机制，针对作物害虫筛选特定功能植物及组合，利用功能植物优化非作物生境的植被状况以涵养天敌多样性从而生态调控害虫发生具有重要的科学意义和应用价值。本文系统概括了害虫治理历程、非作物生境管理和功能植物的概念、原理、技术及应用进展，展望了本领域理论研究与应用实践的发展方向，旨在为利用功能植物优化非作物生境以实现作物害虫的生态防控提供参考。

关键词：生物多样性有害生物自然天敌绿色防控

2021年南京稻纵卷叶螟后期大规模发生种群的虫源性质

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应用昆虫学报 2024年

作者：马诣博杨金熹黄乐陆珍珍朱凤张熠玚高博雅胡高南京农业大学植物保护学院昆虫系江苏省南京市江宁区植保植检站江苏省植物保护植物检疫站全国农业技术推广服务中心

【目的】21世纪以来，长江三角洲8月下旬-9月上中旬第4代稻纵卷叶螟Cnaphalocrocis medinalis(Guenée)上升成为主害代之一。然而其虫源性质和暴发成灾机制仍不清楚。本研究通过解析2021年南京稻纵卷叶螟后期发生动态和迁飞过程，为该... 详细信息

【目的】21世纪以来，长江三角洲8月下旬-9月上中旬第4代稻纵卷叶螟Cnaphalocrocis medinalis(Guenée)上升成为主害代之一。然而其虫源性质和暴发成灾机制仍不清楚。本研究通过解析2021年南京稻纵卷叶螟后期发生动态和迁飞过程，为该区域稻纵卷叶螟准确测报和科学防控提供理论依据。【方法】基于田间系统赶蛾计数、性诱剂诱捕和雌成虫卵巢解剖数据，结合基于WRF中尺度模式的轨迹分析方法，阐释南京稻纵卷叶螟后期大规模发生的虫源及其大气背景场条件。【结果】2021年8月下旬-9月上中旬长江三角洲出现的大范围、长时间持续稻纵卷叶螟成虫高峰由两个阶段不同性质的虫源组成。8月24日-9月2日以外地迁入为主，虫源主要来自安徽南部、江西北部、湖南北部以及湖北东部；9月3-14日以本地种群外迁为主，主要降落在安徽南部、江西北部、浙江北部、湖南北部及湖北中部。与常年相比，2021年8月下旬西太平洋副热带高压（简称副高）异常偏强，位置偏南，持续控制在长江以南地区，西南气流贯穿湖南、江西、安徽和江苏等地，经向风风速大于常年；盛行下沉气流期间性诱诱捕的虫量占总虫量的87.29%(419/480)，表明副高控制下下沉气流为主是稻纵卷叶螟聚集降落的关键因子。【结论】特定气候条件下大规模持续迁入是2021年长江下游第4代大规模发生种群的虫源。

关键词：稻纵卷叶螟西太平洋副热带高压轨迹分析卵巢解剖

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载脂蛋白在褐飞虱取食、存活和繁殖中的作用

昆虫学报 2024年第6期67卷 729-737页

作者：付健美赵志畅戴红岩李晶方继朝纪锐江苏省农业科学院植物保护研究所南京210014 南京农业大学植物保护学院南京210095 长江大学农学院武汉434023

【目的】载脂蛋白(apolipoprotein,apoLp)在动物实现其各项生理功能中发挥着重要作用,但如何影响稻飞虱生长发育等尚未见报道。本研究旨在明确载脂蛋白apoLp在褐飞虱Nilaparvata lugens取食、存活和繁殖中的作用。【方法】基于褐飞虱基... 详细信息

【目的】载脂蛋白(apolipoprotein,apoLp)在动物实现其各项生理功能中发挥着重要作用,但如何影响稻飞虱生长发育等尚未见报道。本研究旨在明确载脂蛋白apoLp在褐飞虱Nilaparvata lugens取食、存活和繁殖中的作用。【方法】基于褐飞虱基因组获得载脂蛋白编码基因NlapoLp全长开放阅读框(ORF)序列,并分析其蛋白序列;使用邻接法将NlapoLp与其他昆虫物种的同源序列进行聚类分析;利用RT-qPCR检测NlapoLp在褐飞虱不同发育阶段(卵、1-5龄若虫以及刚羽化的短翅型雌雄成虫)、短翅型雌成虫不同组织(去除唾液腺的头部、唾液腺、中肠、脂肪体和卵巢)中的表达量;通过对褐飞虱3龄若虫显微注射dsNlapoLp进行RNAi,利用RT-qPCR检测RNAi后NlapoLp的表达量,之后调查不同发育阶段虫体RNAi后褐飞虱在寄主水稻上的单雌蜜露分泌量、若虫存活率和单雌产卵量。【结果】序列特征分析发现NlapoLp有1个信号肽及5个保守结构域,但无跨膜结构域。系统进化树显示褐飞虱NlapoLp与灰飞虱Laodelphax striatellus LsapoLp和白背飞虱Sogatella furcifera SfapoLp的进化关系最近,然后与其他半翅目昆虫紫苑叶蝉Macrosteles quadrilineatus、烟粉虱Bemisia tabaci和茶翅蝽Halyomorpha halys的apoLp聚为一支,表现出较近的亲缘关系。RT-qPCR结果显示,NlapoLp在褐飞虱各个发育阶段均表达,在短翅型雌成虫中的表达量较高;在短翅型雌成虫中肠、脂肪体和唾液腺中高表达,在其他组织中低表达。对褐飞虱显微注射dsNlapoLp可以显著降低NlapoLp的表达,经RNAi后褐飞虱在寄主水稻上的单雌蜜露分泌量、若虫存活率和单雌产卵量均比对照组(注射dsGFP)的显著降低。【结论】载脂蛋白基因NlapoLp在褐飞虱各发育阶段和短翅型雌成虫各组织均表达,经RNAi沉默NlapoLp可显著影响褐飞虱的正常的取食、生长发育和繁殖。研究结果为深入探究载脂蛋白在昆虫致害水稻中的作用机制奠定了基础,并提供了害虫高效防控的关键靶标。

关键词：褐飞虱载脂蛋白时空表达 RNA干扰生物测定

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