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易科泰生态技术:生态-农业-健康 ——呼吸代谢测量技术在农业中的应用

易科泰生态技术:生态-农业-健康 ——呼吸代谢测量技术在农业中的应用

农业是人类衣食之源、生存之本,是一切生产的首要条件。中国农业包括种植业、林业、畜牧业、渔业和副业。然而近些年的全球气候变化、人类活动干扰、环境污染、人畜共患病传播、国际环境的不确定性等严重影响了我国等一些发展中国家的农业安全,特别是农业病虫害、动物养殖、农产品及粮食储藏等。下面将介绍呼吸代谢测量技术在农业研究领域中的一些典型应用。

典型应用一  农林业病虫害

Duncan, F. D., & Hanrahan, S. A. (2018). Respiratory patterns in field collected brown locust, Locustana pardalina , in the gregarious phase. Journal of Insect Physiology, 106, 209–216.

   蝗虫在其独居和群居阶段有其身体大小相适应的代谢率和行为。飞蝗的群居阶段,在体型和二氧化碳产量之间有一个几乎等距的比例关系。本研究提出的问题是野外采集的褐色拟飞蝗在群居期是否由于其高活动性有较高的静息代谢率。文中使用SSI呼吸代谢技术测量不同虫龄期个体的二氧化碳产量,部分结果如下图。结果表明,蝗虫在群居期有较高的代谢率,生活史1和5阶段经历快速生长和发育并变为成体除外。1期进行连续的气体交换呼吸代谢,而其它阶段均为非连续性气体交换(DGC)模式。

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类似的研究见Talal S , Gefen E , Ayali A . Intricate but tight coupling of spiracular activity and abdominal ventilation during locust discontinuous gas exchange cycles[J]. Journal of Experimental Biology, 2018, 221(6).

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Angelica Plata-Rueda, Carlos Henrique Martins de Menezes, et al., Side-effects caused by chlorpyrifos in the velvetbean caterpillar Anticarsia gemmatalis (Lepidoptera: Noctuidae),Chemosphere,Volume 259,2020.

大豆夜蛾作为大豆作物害虫,主要通过杀虫剂防治。本文评估了毒死蜱对大豆夜蛾毒性、存活率和副作用(运动行为、呼吸、食物消耗等)的影响。毒死蜱(LC50=0.58 g L-1和LC90=0.85 g L-1)对大豆夜蛾有毒杀效应,并且LC50毒死蜱下存活率从对照99%降低到30%。杀虫剂降低了呼吸速率、食物消耗量,改变了行为反应以及中肠组织病变损伤。

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类似的研究如玉米象、黄粉虫等,Khalid H , Mendonça Larine P, Dos S M F , et al. Metabolic and Behavioral Mechanisms of Indoxacarb Resistance in Sitophilus zeamais (Coleoptera: Curculionidae)[J]. Journal of Economic Entomology(1):362.

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                       粮食储藏中的玉米象等害虫防治

Insecticidal activity of garlic essential oil and their constituents against the mealworm beetle, Tenebrio molitor Linnaeus (Coleoptera: Tenebrionidae). Sci Rep 7, 46406 (2017).

Singh S , Gupta M , Pandher S , et al. Using de novo transcriptome assembly and analysis to study RNAi in Phenacoccus solenopsisTinsley (Hemiptera: Pseudococcidae)[J]. Scientific Reports, 2019, 9(1).

棉花粉蚧起源于北美,2005年在印度及巴基斯坦被发现,2010年快速扩散到我国南方地区(见农业部、国家林业局公告第1380号),对当地棉花生产造成严重危害。

传统的合成杀虫剂易造成环境污染和害虫耐药性。文中通过RNAi对害虫目标基因进行特定序列调节,从而导致重要生理过程功能丧失。生理过程功能监测采用SSI呼吸代谢测量技术定性评估害虫体液损失,技术方案中的部分配置如下图:

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(i)与GFP相比,对dSRNA注射(10μg)后AQP和CAL处理的粉蚧液体损失进行定量和定性估计。基于水敏感纸的流体损失定性估计,表明AQP和CAL中的蓝点(液体损失较少)较少:(A)dsAQP注射(B)dsCAL注射(C)dsGFP注入(ii)RH-300水蒸气分析仪,用于评估昆虫的液体损失。(三)与dsGFP相比,dsAQP 注射后粉蚧释放的定量液体排泄物。误差条表示标准偏差(n=4)和*表示显著性(P=0.05)。

作者最新研究成果见:Kaur R , Gupta M , Singh S , et al. Enhancing RNAi Efficiency to Decipher the Functional Response of Potential Genes in Bemisia tabaci AsiaII-1 (Gennadius) Through dsRNA Feeding Assays[J]. Frontiers in Physiology, 2020, 11.

典型应用二  家禽家畜营养与温室气体排放

Silveira, S. R., Terry, S. A., Biffin, T. E., Maurício, R. M., Pereira, L. G. R., Ferreira, A. L., … Chaves, A. V. (2019). Replacement of Soybean Meal With Soybean Cake Reduces Methane Emissions in Dairy Cows and an Assessment of a Face-Mask Technique for Methane Measurement. Frontiers in Veterinary Science, 6.

大豆是全球生物柴油生产中最常见的原料之一。由此产生的高脂肪联合产品,称为大豆饼(SBC),通过物理过程(压力和热量)的油提取获得,是一种可用的联合产品,可能是大豆粕(SBM)的替代品。在牲畜饮食中,用SBC有效替代SBM,除了这种饲料来源的潜在缓解特性外,还具有广泛的经济和环境意义。本研究的目的是:(a)评估用大豆饼(SBC)代替大豆粕对喂养行为、瘤胃发酵、牛奶生产、营养消化量和CH4排放的影响;(b)评估与金标准呼吸室相比建议的面罩方法能否准确预测每日CH4的排放。

研究结果人为,用14%的SBC替代SBM 降低奶牛的CH4产量(g/kg DMI)和强度(g/kg牛奶),对动物摄入量、瘤胃代谢、FCM4%、或营养消化能力没有负面影响。因而SBC作为SBM的可行替代方案,有助于降低肠道CH4产生。另外,面罩式代谢测量可以准确预测日甲烷产量,但预测方程需要说明摄食行为和CH4日排放模式。

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Tickle, P.G., Hutchinson, J.R. & Codd, J.R. Energy allocation and behaviour in the growing broiler chicken. Sci Rep 8, 4562 (2018).

肉鸡正日益处于全球肉类生产的前沿,但快速增长和选择增加体重对家禽健康的影响是业界和消费者持续关注的问题。为了更好地了解选择增加体重的影响,本文评估了在商业肉鸡的6周孵化到屠宰发育期的能量和行为。随着肉鸡的生长,姿势对静息代谢率的影响变得越来越显著,因为站立比坐着需要更多能量消耗。发育期间运动行为引起的代谢消耗所占比率下降,同时活动水平、平均和最大行走速度均下降。这些数据与一种推论是,肉鸡在有限的代谢预算内将能量分配给活动,而且在其整个发育过程中,运动代谢范围正在缩小。与类似体积大小的鸡形目动物比较后发现,肉鸡运动所消耗的能量投入较高。

文中实验使用SSI动物代谢舱研究肉鸡生长的发育阶段、运动活动和能量方面之间的相互作用,可以通过代谢率筛选出更优质的肉鸡品种,限制活动可增加体重,对其健康带来的影响需要良好的饲养环境抵消,并为未来生产更健康的食用肉鸡和提高食品安全的生产标准战略提供信息。

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典型应用三  农产品采后保存

Natalia Falagán, Tiana Miclo and Leon A. Terry. Graduated Controlled Atmosphere: A Novel Approach to Increase “Duke” Blueberry Storage Life. Frontiers in Plant Science. 2020,11:221.

蓝莓因其促进健康的潜力而备受重视,但它们却非常易腐。控制气体(Controlled atmosphere,CA)策略可减少蓝莓呼吸代谢,减缓衰老。然而,气体的突然变化可能会引起水果的物理非生物应激,对质量产生负面影响。本研究提出了CA的一种创新应用,基于逐步达到最佳CA气体浓度,防止气态环境突然变化导致的非生物性应力。实时呼吸测量(见下图Figure.2)提供了对蓝莓对气体环境的呼吸反应的深入见解。与控制和标准CA水果相比, “渐进式”气体控制(GCA,graduated controlled atmosphere)处理的蓝莓具有较低的稳定状态呼吸率,这表明代谢活性的减少,对质量和存储寿命的延长产生了积极影响。此外,经过28天的冷库后,GCA水果比对照果和CA水果硬度高出27%

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蓝莓需要先进的后处理技术来保持其生理和功能质量。与标准CA和控制相比,创新的CA方法在逐渐达到最佳储存浓度(GCA)的基础上发展,可以减少蓝莓呼吸代谢。这对质量参数产生了积极影响,如硬度和衰变发生率。呼吸的减少也很明显,因为糖和有机酸得到更好的维持,这些都是主要的呼吸基质。GCA有可能成功地应用于其他蓝莓品种。进一步研究将更好地了解这一技术所依据的机制及其在其他新鲜农产品上的使用效果。

Roberta Tosetti, Fardusa Elmi, Inmaculada Pradas, Katherine Cools and Leon A. Terr. Continuous Exposure to Ethylene Differentially Affects Senescence in Receptacle and Achene Tissues in Strawberry Fruit. Frontiers in Plant Science. 2020,11:174.

草莓的高易腐性是扩大新鲜水果市场供应链的瓶颈。尽管对草莓成熟的知识越来越多,但令人惊讶的是,几乎没有工作评估采摘后草莓生理学的激素调控。这种信息缺乏的后果之一反映了草莓保质期管理策略的局限性。

文中实验采用SSI呼吸代谢测量技术监测连续外源乙烯(50μl/l)输入在冷储存(5°C)草莓中,成熟后的草莓生理实验在6天内得到评估。连续接触乙烯作为花托组织中第一反应诱导的脱落酸(ABA)积累,随后二氧化碳产量增加。具体的实验结果如下Figure1, 本工作评估了草莓呼吸活动的生理参数CO2产量、重量减小及颜色变化。与连续产生二氧化碳和体重减轻相匹配,颜色参数受储存时间影响更大。与对照果实在贮藏期间的CO2产量相比,乙烯处理的果实的呼吸代谢增加了2倍以上(Figure1.A)。然而,在储存结束(6天)时,对照果实CO2产量与乙烯处理果实相似,乙烯处理的果实总失重率约为35%,在对照中水果约为20%Figure1.B)。

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类似的农产品案例见:Reducing Postharvest Losses and Wastage in UK Potato Storage due to Sprouting。农产品呼吸代谢测量技术可应用于各类农产品储藏室,并经过二次抽样后进行实验研究分析。

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