近日，药学院万年峰研究员课题组联合我国、意大利、丹麦、美国、德国科研人员，提出了利用植物基因多样性调控有害生物的下行控害假说，在国际综合性著名期刊Nature子刊——Nature Communications上，以Articles形式发表了题为“Plant genetic diversityaffects multiple trophic levels and trophic interactions”的长篇研究论文。
植物分布于全球各个生态系统，是构成海洋和陆地生物多样性的重要组成部分，是人类赖以生存与发展的物质基础。人类的衣食住行，与植物息息相关。例如，五谷杂粮、蔬菜、水果是人们生活的必需品；棉花可用来纺线织布做衣服；实木家具、木地板、橡胶、皮革、桐油香料等原料取自植物；青蒿素、青霉素、金鸡纳霜等药物以及诸多中药材来自植物；马尾藻、海带、紫菜、裙带菜等海洋植物，是药物之宝。即便是现代工业燃料(煤、石油、天然气)，也是由大面积森林沉入地下、经长期地壳变动后演变形成。植物对人类贡献的价值，可以说无处不在、无时不有。然而，实际情况是，植物往往遭受植物虫害、病害(真菌/细菌/病毒)、杂草、老鼠等有害生物侵害，由此限制了植物为人类提供更多资源。无疑，保护植物免受有害生物危害(即植物保护工作)，是科学家和决策者需要关注的课题。
图1 全球植物基因多样性试验分布图
图2 各营养级功能群对植物基因多样性的响应效果值
已有理论研究与实践探索表明，利用生物多样性防控植物有害生物，是安全可行的生态环保技术途径之一，实施该技术控害的理论支撑主要来自物种多样性控害，例如，天敌假说、资源集中假说、保险假说、聚集假说（Wan* et al., J. Appl.Ecol., 2022）、营养级联动理论（Wan et al., Nature Plants,2020）等。然而，基因多样性（或称“遗传多样性”）控害的理论相对较少。鉴于此，该论文整合了全球413个植物多基因与单/纯基因的比较试验数据，结果显示：在农业、森林、草原、湿地、海洋等生态系统，增加植物基因多样性，提高了捕食性和寄生性天敌的丰度和捕食/寄生率，降低了植食性昆虫、杂草以及植物病害、线虫的侵害，提升了作物产量与品质以及植物生产力；同时发现植物多基因与单/纯基因对增加农业、森林、草原等生态系统中的天敌及其增强控害效果并无显著影响。因此，在该类系统实施植物保护技术时，只需在主栽植物田块通过间套作同种其他1个品种，便可实现对植物病虫草害的控制。
图3 植物基因多样性通过抑制有害生物来促进植物性状的路径机制
图4 植物基因多样性通过增强天敌、抑制植食性昆虫来促进植物性状的路径机制
进一步利用结构方程模型量化各营养级功能群之间关系，结果显示：（1）在无天敌的作用下，植物基因多样性能够抵抗植物有害生物(病虫草害)，使其危害降低，而植物有害生物下降促进了植物的生长发育与繁殖并增强了品质；（2）在植物、植食性昆虫、天敌共存的三营养级功能群中，多样化的植物基因有利于天敌，增强了天敌对害虫的控制效果，植物多样性通过提升天敌对害虫的控制能力来增强植物性状。
该成果提示，农林草种植者、海洋植物种植者、政府决策者可通过植物间套作实施植物基因多样化种植(例如，不同水稻品种、林木品系或牧草品种间作)，充分利用基因多样性增强植物对病虫草害的抵抗能力以及巧用天敌自然控害的本领。同时，呼吁管理部门制定相关政策，在将“山水林田湖草”共视为生命共同体的大背景下，紧密围绕国家农药使用量零增长和生物多样性保护的方针政策，广泛应用与推广植物基因多样性种植体系，以便更好地美化人类居住的地球家园、服务全人类。
万年峰研究员为该论文的通讯作者兼第一作者，首都医科大学付利宛博士为共同第一作者；复旦大学胡跃清教授、意大利维罗纳大学Matteo Dainese博士、丹麦根本哈根大学Lars Pødenphant Kiær博士、美国明尼苏达大学Forest Isbell博士、德国科尼格博物馆Christoph Scherber教授参与了本文的工作，为共同作者。本文得到了国家高层次青年人才项目、上海市科技创新行动计划和国家自然科学基金资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35087-7
