 项目名称：稻鱼共生的生态学效应 申报单位：生命科学学院 负责人：陈欣 01 项目简介 现代集约农业中生物多样性简单化，生物之间的相互作用及效应常常被忽略，农业的高产稳产需要高投入来维持。现代集约农业能否依据生物之间的相互作用原理，建立物种多样化的生产模式以增强其稳定性，是全球可持续农业亟须解决的问题。 生命科学学院陈欣教授领导的研究小组长期研究农业生态系统生物间的相互作用及其利用途径，试图阐明农业可持续发展的生态学原理，并创建一套实现农业可持续发展的科学方法与技术体系。 研究组自2005年起对全球重要农业文化遗产系统“青田稻鱼共生系统”开展研究，揭示出物种间的正相互作用及资源的互补利用是稻鱼共生系统可持续的重要生态学机制，并于2011年12月13日以封面论文形式发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS, 2011, 108 (50): E1381-1387）。PNAS同期发表欧美学者撰述的 “Rice, fish and planet”长篇正面述评（2011, 108(50):19841-19842），Nature在其 “Research Highlights”栏目以“Eco-farming fish with rice”为题进行了报道(479:448-449，2011)。此外，英国、美国、意大利、印度等国的科学网站及主流媒体科学栏目也对此进行了正面评述和报道。 2018年1月16日，课题组再次在PNAS发表稻鱼共生研究论文，阐明稻鱼共生系统遗传多样性保育机制（Ren et al，2018. 115（3）：E546-554.）。微卫星技术分析发现，稻鱼共生系统中田鱼维持着较高的遗传多样性，研究区域内虽然有明显地理隔离的田鱼，但种群间无明显遗传分化；景观遗传学研究指出，农户间频繁的种质交换活动驱动了基因流，使田鱼在区域尺度上形成集合种群和较大的基因库；基于地标点的几何形态测量（landmark-based geometric morphometric analysis）显示田鱼形态表型的多样性；连续摄像观察发现，表型不同的田鱼取食行为著显差异；稳定性同位素(15N和13C)的分析表明，不同表型的田鱼对稻田资源的利用格局明显不同；田间实验进一步表明，田鱼表型间的这些差异有利于种群适合度的提高，进而有利于田鱼群体遗传多样性的维持。 基于研究成果所揭示稻鱼共生系统原理，课题组系统而全面地研究了稻鱼共生效应利用的模式及共性技术，获得国家发明专利授权多项，并作为主要完成人参与制定国家行业标准《稻渔综合种养技术规范通则》和地方标准《稻鱼共生系统技术规范》。在全国南北稻作区建立了十多个稻鱼共生系统试验和示范验证基地与推广，2016-2018年仅在浙江、安徽、福建和江西等就推广200余万亩，净增109亿元。2018年11月29日浙江省农学会组织了包括中国科学院院士桂建芳等专家对稻鱼共生系统研究成果进行了鉴定。专家组认为该成果探明了稻鱼共生系统的效应及机理，创建了稻鱼共生的模式和关键技术，研究成果总体上达到国际领先水平。 02 项目团队  图1. 研究团队照 生命科学学院陈欣教授领导的研究小组长期研究农业生态系统生物间的相互作用及其利用途径，试图阐明农业可持续发展的生态学原理，并创建一套实现农业可持续发展的科学方法与技术体系。 研究组自2005年起对全球重要农业文化遗产系统“青田稻鱼共生系统”开展研究，揭示出物种间的正相互作用及资源的互补利用是稻鱼共生系统可持续的重要生态学机制，并于2011年12月13日以封面论文形式发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS, 2011, 108 (50): E1381-1387）。 03 科学解读 “互利共生”是一个生态学概念，是自然界生物与生物之间相互作用的一种形式，指两种生物或者多种生物共同生活在一起时，通过资源互补利用等生态学效应，各方生物的生长发育都受到了不同程度的促进，表现出共存的各方均有受益的现象。稻鱼共生是人类利用稻田浅水环境将水稻和鱼类种养在同一稻田空间中。传统稻鱼共生系统在我国南方山丘区（浙南、闽北、粤北、湘西南、桂西北和黔东南等）均有分布。但随着现代农业的发展，有些区域稻鱼共生系统逐渐走向消亡。分布在浙南地区的青田稻鱼共生系统具有1200年历史，2005年被联合国粮农组织评选为首批“全球重要农业文化遗产”。青田稻鱼共生系统中田鲤鱼（简称“田鱼”）和水稻“共同生活”在稻田浅水环境，这两类生物“共同生活”在一起，将发生什么的生态学故事呢？ 2005年开始，浙江大学生命科学学院陈欣教授领导的研究团队对具有千年历史的传统稻鱼共生系统开展了研究，逐渐揭示出稻鱼共生的秘密。  图2. 研究图 长期适应和生活在稻田浅水环境中的田鱼，与水稻相互帮助、互利互惠。一方面，田鱼可减轻病、虫、草等有害生物对水稻的危害。用连续摄像观测到，由于田鱼的活动碰撞和取食，稻飞虱的去除率约为30%；田鱼直接取食水稻基部的纹枯病菌，也直接取食杂草或干扰杂草幼苗的生长，纹枯病和杂草的去除率分别为70%和90%；连续摄像还观测到，田鱼在一天的活动规律中有两个活动频率高峰：一个是在早晨，鱼的活动对水稻的碰撞导致露珠掉落，水稻叶片冠层湿度降低，降低稻瘟病的发生；另一活动高峰是傍晚，鱼的活动对水稻的碰撞干扰了蛾类害虫的交配和产卵。另一方面，水稻植株为田鱼创造良好环境。在夏季高温季节，稻株下光强降低72%，水温降低摄氏1.5度左右。水体铵态氮浓度下降50%。连续摄像观测表明，和水稻生活在一起的田鱼，其活动频率比生活在相同水深的池塘高40%。此外，田鱼和水稻共同分享着稻田氮素资源，使得稻田资源利用率提高。田间试验和饲料-15N标记受控实验显示，水稻籽粒和秸秆中31.8%的氮素来饲料；而通过被浮游生物吸收，进而被田鱼取食，化肥氮中约2.1%被鱼同化，水稻和田鱼分享不同氮素资源。稻田中有很多“闲置”的生物资源（昆虫、杂草、水稻基部叶片、藻类、浮游动植物等），这些“闲置”的生物资源都成了田鱼的“美味饵料”。稳定性同位素13C和 15N食谱分析显示，对田鱼食源的贡献达49.1%。这部分“闲置”的资源经过田鱼转化部分氮素以粪便形式返回稻田，DNA稳定性同位素探针研究发现，田鱼粪便中的氮素可进入稻田土壤微生物组分，维持着土壤肥力。  图3. 研究图 研究还发现，青田稻鱼共生系统中田鱼维持着较高的遗传多样性，有7种不同体色表型的田鱼，其中约45%的田块都有3种以上表型田鱼共存。基于地标点的几何形态测量、连续摄像和基于稳定性同位素的食谱组成分析显示，这些体色表型不同田鱼其形态不同、取食活动不同、食谱组成也不同。当这些表型不同的田鱼生活在同一稻田空间，与单一表型的稻田相比，其总活动频率、资源利用效率均提高，田鱼总生长量增加。 稻鱼共生系统的生态学效应和机理的揭示对现代综合种养农业系统的构建有着重要指导意义。例如，研究组根据稻鱼共生系统种间互惠和资源互补利用的原理，研究了水稻生产和水产动物养殖的一些模式（如稻鱼、稻鳖、稻蟹、稻虾、稻鳅等），并研究这些模式中物种之间能产生共生效应的关键共性技术（包括协同密度调控、田间设施比例调控、氮素协同施用调控、延长共生期的再生稻技术等），指导现代稻渔共生产业的健康发展，目前，全国稻渔综合种养面积约2500万亩，获得稳产、增收、农用化学品投入减少和产品优质等多方面的效应。 点击右下角“在看”为项目加油点赞 |
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