[论文解读] Exploring the Dynamics of Virulent and Avirulent Aphids: A Case for a "Within Plant" Refuge

Aniket Banerjee, Ivair Valmorbida+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

Insect and Pesticide Research参考文献 50被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种非局部微分方程模型，以探讨毒性蚜虫和无毒蚜虫如何在抗性大豆植株上共存，结果表明毒性蚜虫可通过生理调控抑制植物抗性，从而在植株内部形成‘内部庇护所’，使无毒蚜虫得以持续存在。模型显示，毒性蚜虫的定殖程度越高，无毒蚜虫的存活率也越高，表明存在一种可自我维持的庇护所机制，该机制可能提升综合害虫管理中抗蚜大豆的持久性。

ABSTRACT

The soybean aphid, Aphis glycines (Hemiptera: Aphididae), is an invasive pest that can cause severe yield loss to soybeans in the northcentral United States. A tactic to counter this pest is the use of aphid-resistant soybean varieties. However, the occurrence of virulent biotypes can alter plant physiology and impair the use of this management strategy. Soybean aphids can alter soybean physiology primarily by two mechanisms, feeding facilitation and the obviation of resistance, favoring subsequent colonization by additional conspecifics. We developed a non-local, differential equation population model, to explore the dynamics of these biological mechanisms on soybean plants co-infested with virulent and avirulent aphids. We then use demographic parameters from laboratory experiments to perform numerical simulations via the model. These simulations successfully mimic various aphid dynamics observed in the field. Our model showed an increase in colonization of virulent aphids increases the likelihood that aphid-resistance is suppressed, subsequently increasing the survival of avirulent aphids, producing an indirect, positive interaction between the biotypes. These results suggest the potential for a "within plant" refuge that could contribute to the sustainable use of aphid resistant soybeans.

研究动机与目标

• 探究无毒蚜虫在存在宿主抗性的情况下，是否仍能在抗蚜大豆植株上持续存在。
• 考察毒性蚜虫如何通过改变植物生理特性，促进与无毒生物型的共存。
• 评估‘植株内’庇护所——即无毒蚜虫因毒性蚜虫诱导的抗性抑制而在抗性植株上存活——是否可持续地为综合抗性管理（IRM）做出贡献。
• 评估该庇护所机制对基于Rag基因的抗性在大豆蚜虫防治中长期持久性的影响。

提出的方法

• 开发了一种非局部微分方程种群模型，用于模拟具有抗性与不具抗性的大豆植株上蚜虫的动态变化。
• 纳入了两个关键机制：取食促进（一般性植物生理变化）和抗性规避（特定性毒性蚜虫诱导的植物抗性抑制）。
• 利用实验室实验中无毒和抗性大豆上蚜虫种群增长的种群学数据校准模型参数。
• 模拟了毒性蚜虫与无毒蚜虫种群在不同初始条件下的共存阈值与种群轨迹。
• 将抗性阈值（R）定义为通过取食促进触发抗性抑制所需的最低无毒蚜虫密度。
• 探讨了初始种群密度对共存结果及种群峰值时间的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 当毒性生物型定殖时，无毒蚜虫是否能因宿主生理变化而在抗性大豆植株上存活并持续存在？
• RQ2 通过取食促进诱导抗性抑制所需的无毒蚜虫密度临界阈值是多少？
• RQ3 毒性蚜虫的存在如何改变无毒蚜虫在抗性植株上的种群动态与存活率？
• RQ4 在多大程度上可形成‘植株内’庇护所，使无毒蚜虫在整个生长季节内持续存在于抗性大豆上？
• RQ5 自然天敌（捕食者与寄生蜂）在多大程度上影响该植株内庇护所的稳定性和有效性？

主要发现

• 毒性蚜虫可提高大豆植株抗性抑制的可能性，从而使无毒蚜虫能在原本具有抗性的寄主上存活。
• 当无毒蚜虫密度超过抗性阈值（R）时，取食促进机制可实现与毒性生物型在抗性植株上的持续共存。
• 两种生物型的种群峰值密度同时出现，无论初始种群比例如何，表明其动态具有同步性。
• 初始毒性蚜虫密度越高，总体种群密度越大，但只要达到抗性阈值，无毒种群仍能持续存在。
• 模型表明，在现实生物学条件下，‘植株内’庇护所是可行的，支持无毒种群在抗性大豆上的长期持续存在。
• 结果表明，此类庇护所可能增强抗蚜大豆在IRM计划中的持久性，减少对外部庇护所的依赖。