利用转基因抗虫作物可以有效控制靶标害虫的为害,减少化学农药的使用,保护人类健康和生态平衡。为了有效防控水稻螟虫,我国科学家培育出了多例转Bt基因抗虫水稻品系。研究表明,这些转基因水稻表达的Bt蛋白杀虫谱窄、专一性强,对非靶标昆虫如寄生蜂没有直接毒性影响。然而,田间调查发现,Bt稻田靶标害虫和非靶标害虫寄生蜂种群密度均显著低于非Bt稻田,产生这一现象的生态机制一直不太清楚。本研究主要以植物-害虫-天敌三级营养关系为研究系统,以Bt水稻/非Bt水稻,靶标昆虫二化螟(Chilo suppressalis)及其幼虫寄生蜂二化螟绒茧蜂(Cotesia chilonis),非靶标昆虫褐飞虱(Nilaparvata lugens)及其卵寄生蜂稻虱缨小蜂(Anagrus nilaoarvatae)为研究对象,开展了相应的生物学、生态学、分子生物学和组学试验,研究了转Bt基因水稻的种植对稻田寄生蜂种群动态的影响,并揭示了相应的分子和生化机制,主要结果如下:(1)Y型嗅觉仪行为测定试验显示,二化螟绒茧蜂雌蜂对健康的Bt和非Bt稻株具有相似趋性。然而,不管是Bt水稻还是非Bt水稻,受二化螟幼虫为害后的稻株较健康稻株对寄生蜂均表现显著的引诱作用,当两种稻株被二化螟幼虫为害程度相当时,寄生蜂对二者没有选择差异性。进一步收集和分析水稻挥发物,发现健康的Bt水稻和非Bt水稻释放的挥发物在化合物种类和含量上没有显著差异。不管是转基因还是非转基因水稻,二化螟为害后,挥发物释放量均有所增加,一些挥发物的释放量显著增加;虫害还能诱导水稻产生新的化合物,但受二化螟为害的两种水稻单个化合物含量及挥发物总量均没有显著性差异。综合分析上述结果显示:外源Bt基因的转入不会影响受试水稻(T1C-19)挥发物的合成和释放;当Bt水稻和非Bt水稻相邻种植时,由于非Bt水稻受到较重的为害,释放的信息挥发物相对Bt水稻显著提高,引诱靶标害虫寄生蜂向非Bt水稻田扩散转移,最终导致非Bt稻田寄生蜂种群密度显著高于相邻转基因稻田。(2)褐飞虱行为学试验表明,在没有虫害的情况下,褐飞虱雌成虫显著偏好在非Bt水稻取食和产卵;然而,在二化螟为害的情况下,不管是Bt还是非Bt稻株,褐飞虱均偏爱在虫害植株上取食和产卵。Y型嗅觉仪行为测定试验显示,二化螟为害不影响稻虱缨小蜂的寄主选择行为,但褐飞虱取食为害和产卵稻株对缨小蜂具有显著的引诱作用。基于褐飞虱雌成虫偏爱在二化螟为害水稻取食和产卵这一结果,我们推论:在田间实际情况下,非Bt水稻相对Bt水稻遭受二化螟为害更为严重,因而引诱褐飞虱从Bt稻田向非Bt稻田的扩散转移,使非Bt稻田稻飞虱种群密度显著高于Bt稻田,进而引起稻虱缨小蜂从Bt稻田同样向非Bt稻田扩散转移的连锁反应,最终导致非Bt稻田稻虱缨小蜂种群密度同样显著高于Bt稻田。(3)上述研究结果表明稻田寄生蜂的寄主选择行为与水稻的基因背景无直接关系,而是二化螟对Bt和非Bt水稻的为害程度不同带来的生态后果。因此,为明确水稻对二化螟为害的生理反应,揭示水稻影响寄生蜂种群动态的生化和分子基础,以MH63水稻为研究材料,采用转录组学和代谢组学技术分析其在二化螟幼虫为害后不同时间点(24 h,48 h,72h和96 h)基因表达和代谢物动态变化,并通过实时荧光定量PCR进一步验证了转录组测序数据的有效性。转录组测序结果表明,虫害后的四个时间点共有4729个差异基因,这些基因按照表达趋势可以分为5大类;GO和KEGG pathway分析显示,这些基因涉及植物初生代谢和次级代谢多个代谢途径。代谢组共测得151个代谢物,这些物质可分为氨基酸、碳水化合物、脂质、辅基辅助因子和电子载体、核酸、多肽及次生代谢物质等7大类。进一步分析发现,绝大多数氨基酸,特别是对褐飞虱具有取食刺激作用的天冬酰胺等含量显著升高,氨基酸总量也显著增加,而一些对飞虱具有取食抑制作用的物质如β-谷甾醇和菜油甾醇等则随二化螟为害时间延长而显著降低。对水稻挥发物的分析发现,虫害水稻可释放对褐飞虱((E)-β-石竹烯,2-庚醇,α-蒎烯和柠檬烯等)或二化螟绒茧蜂(柠檬烯和2-壬酮等)具有引诱作用挥发物。进一步通过组学数据结合分析发现,二化螟取食激活了防御相关的植物激素、转录因子、莽草酸介导的以及萜类相关的次生代谢,抑制水稻生长相关进程。转录组和代谢组联合分析显示,水稻响应二化螟为害是一个系统性、动态性过程,涉及初生代谢途径如光合作用、氨基酸代谢、碳水化合物代谢等和次生代谢途径中如苯丙素类生物合成、萜烯类生物合成等多种基因和物质的变化。综合以上分析,我们认为二化螟为害诱导水稻代谢物的变化是稻田褐飞虱和寄生蜂种群变化的重要原因。总之,本研究结果揭示了转Bt基因水稻的种植影响稻田靶标昆虫和非靶标昆虫寄生蜂种群动态的生化和分子机理,为深入理解转基因抗虫植物对农田生物多样性的影响、靶标害虫抗性进化及次要害虫爆发成灾机制提供科学依据。