傳粉昆蟲研究進展

傳粉昆蟲研究進展

2019-08-28 17:42:45  科學智慧火花
本文作者:朱朝東

發表時間:2019-08-28 17:42:45作者:朱朝東來源:科學智慧火花字體大小:A+  A-

摘要:傳粉昆蟲作為生態系統的重要組成部分,其種類組成、數量變化、傳粉對象都直接或間接地反映著生態環境狀況及其發展趨勢;同時,傳粉昆蟲又為生態系統提供重要的生態服務功能,為維持生態系統的動態平衡和相對穩定發揮了重要作用。本次沙龍邀請到中國科學院動物研究所的朱朝東研究員就傳粉昆蟲研究進展開展主旨報告,從國際、國內兩個方面就傳粉昆蟲的重要性、研究歷程以及目前的研究熱點和進展等方面進行概括性介紹,并著重介紹了傳粉昆蟲研究對我國的重要生物學和生態學意義。

關鍵詞:傳粉昆蟲,生態系統,研究進展

一、傳粉昆蟲對生態系統維持和糧食安全具有重要意義

傳粉昆蟲占所有動物傳粉的80%~85%,為植物-傳粉者生態系統提供重要服務,其重要性得到科研工作者和大眾的廣泛認同。據估計,全球生物物種多樣性約870萬,昆蟲占一半以上,是自然界最主要的傳粉者。目前,已報道的傳粉昆蟲約35萬種,涉及鱗翅目(約14萬種)、鞘翅目(約7.7萬種)、膜翅目(約7萬種)、雙翅目(約5.5萬種)以及其他類群(約0.8萬種)。蜜蜂是最主要的傳粉昆蟲,約有17,000種,全球107種重要作物種類中的90%是由蜜蜂完成傳粉。

圖1 主要昆蟲類群中傳粉昆蟲種類估計(Wardhaugh, 2015)

傳粉昆蟲與生態系統健康、綠色農業、糧食安全以及營養健康等方面具有重要的關系,野生傳粉昆蟲多樣性還能有效的提高農林作物的產量(Garibaldi et al., 2013)。目前,全球農業對生物傳粉的需求逐年穩定增長,僅2009年的估值就高達3600億美元。數據表明大約84%的歐洲作物依賴于昆蟲進行傳粉,昆蟲傳粉使全球作物產量增加了75%,對農業產值的貢獻約為1530億歐元。傳粉昆蟲能有效地提高農作物的產量和質量,例如油菜、芝麻、大豆等油料作物在放養蜜蜂的農場里產量和品質都更高,增產效果12%~1090%。自上世紀60年代以來,全球依靠昆蟲傳粉的作物種植面積擴大了3倍,昆蟲傳粉服務所提供的直接或間接的經濟價值已成為許多發達國家農業生產總值中重要的組成部分。

表1 國內外用蜜蜂為農作物和果樹授粉的增產效果

然而,歸因于農業活動的加劇、土地使用模式的改變、生境破壞和碎片化、全球氣候變暖、作物遺傳改良、外來物種入侵、昆蟲群落生態系統改變等因素,全球范圍內傳粉者正處于逐漸衰退和喪失的趨勢中,勢必對傳粉服務質量、生態系統功能以及人類食品與健康安全造成嚴重影響。研究數據表明,與1800年末期相比,2009、2010年的傳粉網絡結構發生了改變。只有24%的原始互作仍然完整。并且顯示已有50%的蜜蜂群滅絕,并導致了407個傳粉網絡互作的缺失,進一步導致了植物-傳粉者相互作用網絡結構與功能退化(Burkle, et al., 2013)。

二、全球傳粉昆蟲研究歷程和現狀

由于傳粉昆蟲的重要性以及目前所面臨的危機已經引起科學家和民眾的廣泛關注。諸多地區級、國家級乃至全球級別的傳粉研究已經取得了階段性的成果。就全球范圍來說,傳粉昆蟲的研究主要包括四個時期,分別為:1)萌芽與發展初期(18世紀初到20世紀上半葉);2)發展期(20世紀下半葉);3)快速發展期(20世紀90年代起至21世紀初);4)新快速發展期(2003年以后)。

圖2全球傳粉昆蟲研究歷程概述

此外,世界糧農組織(FAO)圍繞生態系統服務與生物多樣性主題提出加強管理與實踐,設立農-林系統,通過加強昆蟲傳粉來提高作物產量,于2015年發布“聚焦于傳粉,保護生物多樣性和生態系統服務”的政策分析報告;生物多樣性與生態系統政府間科學政策平臺(IPBES)是一個評估生物多樣性與生態系統狀態,以提供決策服務的政府間機構。該機構開展了傳粉者、傳粉與食品生產、生物多樣性主題評估,也于2017年3月5日發布了以“傳粉者、傳粉與糧食生產”的主題評估報告。與此同時,美國、歐盟、英國、德國等國家也都制定了關于傳粉昆蟲的戰略研究和行動計劃。

在傳粉生物學領域,全球研究論文增長較快,2015和2016年發表論文數量基本不變。從論文數量來看,全球從事傳粉生物學研究的科研人員規模有限,2016年全年論文數量為歷史峰值,達2132篇。從整體趨勢看,傳粉生物學研究規模較小,但增長較快,21世紀以來基本保持穩定增長。從專利的申請數量變化趨勢來看,傳粉生物學相關技術開發變化幅度較大,但整體呈現增長的趨勢。傳粉生物學的專利技術研發分為幾個階段。2003-2007年,全球傳粉生物學相關專利申請數量維持在200以內,2008-2014年開始出現快速增長的趨勢,2015年起,每年昆蟲傳粉相關專利申請數量約700件。

通過對全球范圍傳粉生物學領域2013-2017年的高被引論文進行定性分析,發現近年來國際傳粉生物學領域主要聚焦在傳粉昆蟲多樣性、傳粉昆蟲與植物相互作用、環境對傳粉昆蟲的影響、傳粉昆蟲的保護與利用、基于大規模數據的經濟與生態影響評估等方面。

1)傳粉昆蟲多樣性:近年來主要在蜜蜂的遺傳演化歷程、非蜜蜂的其他傳粉昆蟲生物多樣性研究等方面取得突破;通過多種手段對傳粉昆蟲的多樣性進行測量,并通過多個方面顯示傳粉昆蟲的重要性和生態服務價值。

2)傳粉昆蟲與植物相互作用(傳粉昆蟲與植物相互適應的研究):植物與傳粉昆蟲之間的相互作用一直是傳粉生物學領域的重要研究方向之一。近年來主要研究涉及植物對傳粉者的作用、傳粉者對植物的作用、植物性狀與傳粉昆蟲在形態、信號、基因組水平的協同進化、物種在群落中的相互作用形成復雜的網絡結構,以及傳粉網絡在不同環境梯度下的變化等方面。

3)環境對傳粉昆蟲的影響:傳粉昆蟲面臨多重環境壓力,包括氣候變化、土地使用集約化、外來入侵物種、害蟲與致病菌、殺蟲劑的大量使用、轉基因作物種植等,這些因素相互作用,嚴重威脅著傳粉昆蟲的生存。作物和野生植物的昆蟲傳粉者正面臨著全球威脅,傳粉昆蟲下降或損失會產生深遠的經濟和環境后果。多種人為壓力,包括土地利用集約化、氣候變化、外來物種和疾病蔓延等,是導致傳粉者下降的主要因素。而且這些壓力(如缺乏食物源、疾病和殺蟲劑)相互交錯組成復雜的網絡。

圖3 各種環境因素對傳粉昆蟲的各個層面的影響(Vanbergen et al., 2013)

4)傳粉昆蟲的保護與利用:首先,改進自然環境與生境,提高野生傳粉昆蟲的存活率和多樣性,提高作物授粉率;其次,通過生態系統修復加強傳粉網絡的適應性和功能;此外還需大力開展傳粉昆蟲繁育工作,用以為農林生產提供傳粉服務

5)傳粉昆蟲的評估:目前已經有許多研究開展了對蜜蜂及其他野生傳粉昆蟲的多樣性和豐富度下降是否會對作物產量和生態環境產生不良影響的評估工作,并揭示了二者之間的顯著相關性。

對地面發電,目前采用兩種基本發電方式,即閃蒸系統發電,和雙工質循環系統發電。前者如前面所述,利用地熱水在閃蒸器中降壓產生部分蒸汽,然后進入汽輪作功,并帶動發電機發電:后者是利用高溫地熱水,在加熱器(預熱器和蒸發器)中對低沸點有機工質進行加熱,使其轉變為飽和蒸汽,然后進入汽輪發電機組進行發電。為提高地熱發電效率,根據資源溫度和流量,可選用不同發電系統,如單級或兩級閃蒸發電系統,單級或兩級低沸點雙工質循環發電系統,或閃蒸—雙工質循環聯合發電系統【4】等。

通過利用Vos Viewer軟件繪制傳粉生物學關鍵詞共現(co-occurrence)聚類圖,獲得傳粉昆蟲學領域的研究熱點包括:
1)傳粉昆蟲的形態學、系統進化、分類學方面的研究;
2)傳粉昆蟲介導的植物繁殖、選育、選種等的研究,以及花粉限制對傳粉昆蟲的影響;
3)殺蟲劑導致傳粉昆蟲,尤其是蜜蜂、熊蜂的種群下降的影響;
4)傳粉昆蟲介導的植物基因表達、生長、增產等;
5)景觀變化、城市化等環境因素導致生物多樣性降低、傳粉服務功能下降、傳粉昆蟲群體數量下降等影響評估,并提出相關的控制與管理措施;
6)植物-傳粉昆蟲互作與共生、植物與傳粉昆蟲形成的生態網絡結構等方面的研究;
7)傳粉使植物基因流擴散,使植物基因變異和多樣性。

圖4. 2013-2017年傳粉生物學研究熱點分布情況

責編:微科普

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