杀虫剂并非总是必要的。苏黎世大学的研究人员进行了一项全面的实地研究，表明可以通过利用植物物种内的生物多样性来减少食草动物造成的破坏。不同的植物基因型可以合作抵御食草昆虫。这项研究发表在《可持续发展农学》杂志上。

实地研究发现利用生物多样性代替杀虫剂可以减少食草动物对农作物的破坏

就像人类一样，植物也会与周围的人互动。例如，如果你周围的人更容易感染，那么你自己被感染的风险也会增加，反之亦然。

植物也是如此。当同一植物物种的不同基因类型混合种植时，某些组合对病虫害的抵抗力更强。这种积极的生物多样性效应被称为关联抗性。

食品安全与保鲜

现代社会面临的一个关键挑战是协调粮食安全与保护环境和生物多样性。病虫害对农作物构成严重威胁，因此农药等化学药剂在农业中至关重要。然而，农药会降低昆虫的生物多样性。

“在这种背景下，联合抗性可能成为一种在保护生物多样性的同时确保粮食生产的新方法，”苏黎世大学进化生物学和环境研究系主任 Kentaro Shimizu 说。

但是，应该将哪些植物基因型组合种植在一起才能有效抵抗病虫害呢?例如，如果从总共 199 种基因型中选择两种基因型，则有 19,701 种可能的组合。苏黎世大学的研究人员现在开发了一种新的基因组预测方法，使用物理模型在基因层面分析个体之间的相互作用。

在研究花园进行广泛的实地考察

首先，研究人员在两年内于伊尔切尔校区和日本的露天田野中进行了大规模植物栽培实验。对于从世界各地收集的 199 种模式植物拟南芥基因型，已经获得了基因组 DNA 信息。研究人员随机混合并种植了每种基因型的 30 多个个体，总共 6,400 株植物。

“为了统计 6,400 株植物上的 52,707 只昆虫，高级研究员 Yasuhiro Sato 在研究花园里花了几个月的时间。这个惊人的数据集是利用 Irchel 校区的研究花园收集的，也是这项研究的关键，”Shimizu 说。

到目前为止，还没有方法可以分析哪些基因组区域支持相邻植物个体之间的关联抗性等相互作用。因此，Yasuhiro Sato 和他的团队开发了一种名为“邻域 GWAS”的新分析方法。

该方法将物理学中用于分析磁铁间相互作用的模型应用到相邻植物个体间的相互作用中，根据实地试验的实际结果，研究当具有特定基因DNA序列的个体相邻时，食草动物的危害会受到怎样的影响。

食草动物破坏减少高达 25%

通过采用这种新方法进行的分析，我们发现许多基因都参与了与周围个体的相互作用。研究人员利用机器学习方法预测了食草动物的破坏，并确定了预测具有相关抗性的有益基因型组合。

研究团队在两年内进行了另一项大规模田间试验，种植了约 2,000 株植物，每株植物的基因型预测有三种不同的联合抗性水平。该试验表明，与种植单一基因型相比，混合两种基因型可分别减少最高和次高联合抗性的食草动物破坏 24.8% 和 22.7%。

未来发展

“从基础研究的角度来看，这可以看作是植物个体间相互作用研究的一个里程碑，”Shimizu 说。“它从两个方面凸显了生物多样性的重要性。首先，农作物本身的遗传多样性可以减少害虫的危害。其次，减少农业环境中农药的使用有助于保护生物多样性，包括昆虫的多样性。”

Bernhard Schmid 合著的荟萃分析显示，在小麦或水稻等作物中，如果在田间随机混合基因型，产量可提高 4%–16%。Shimizu 表示，对于这些基因组已知的重要农业植物物种，新方法可以预测特定植物基因型的混合，从而最大限度地提高联合抗性，从而进一步提高产量，同时节省农药使用量。