易科泰生態技術：生態-農業-健康 ——呼吸代謝測量技術在農業中的應用

農業是人類衣食之源、生存之本，是一切生產的首要條件。中國農業包括種植業、林業、畜牧業、漁業和副業。然而近些年的全球氣候變化、人類活動干擾、環境污染、人畜共患病傳播、國際環境的不確定性等嚴重影響了我國等一些發展中國家的農業安全，特別是農業病蟲害、動物養殖、農產品及糧食儲藏等。下面將介紹呼吸代謝測量技術在農業研究領域中的一些典型應用。

典型應用一  農林業病蟲害

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.

   蝗蟲在其獨居和群居階段有其身體大小相適應的代謝率和行為。飛蝗的群居階段，在體型和二氧化碳產量之間有一個幾乎等距的比例關系。本研究提出的問題是野外采集的褐色擬飛蝗在群居期是否由于其高活動性有較高的靜息代謝率。文中使用SSI呼吸代謝技術測量不同蟲齡期個體的二氧化碳產量，部分結果如下圖。結果表明，蝗蟲在群居期有較高的代謝率，生活史1和5階段經歷快速生長和發育并變為成體除外。1期進行連續的氣體交換呼吸代謝，而其它階段均為非連續性氣體交換（DGC）模式。

類似的研究見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).

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.

大豆夜蛾作為大豆作物害蟲，主要通過殺蟲劑防治。本文評估了毒死蜱對大豆夜蛾毒性、存活率和副作用（運動行為、呼吸、食物消耗等）的影響。毒死蜱（LC50=0.58 g L-1和LC90=0.85 g L-1）對大豆夜蛾有毒殺效應，并且LC50毒死蜱下存活率從對照99%降低到30%。殺蟲劑降低了呼吸速率、食物消耗量，改變了行為反應以及中腸組織病變損傷。

類似的研究如玉米象、黃粉蟲等，Khalid H , Mendon?a 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.

糧食儲藏中的玉米象等害蟲防治

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發現，2010年快速擴散到我國南方地區（見農業部、國家林業局公告第1380號），對當地棉花生產造成嚴重危害。

傳統的合成殺蟲劑易造成環境污染和害蟲耐藥性。文中通過RNAi對害蟲目標基因進行特定序列調節，從而導致重要生理過程功能喪失。生理過程功能監測采用SSI呼吸代謝測量技術定性評估害蟲體液損失，技術方案中的部分配置如下圖：

（i）與GFP相比，對dSRNA注射（10μg）后AQP和CAL處理的粉蚧液體損失進行定量和定性估計。基于水敏感紙的流體損失定性估計，表明AQP和CAL中的藍點（液體損失較少）較少：（A）dsAQP注射（B）dsCAL注射（C）dsGFP注入（ii）RH-300水蒸氣分析儀，用于評估昆蟲的液體損失。（三）與dsGFP相比，dsAQP 注射后粉蚧釋放的定量液體排泄物。誤差條表示標準偏差（n=4）和*表示顯著性（P=0.05）。

作者最新研究成果見：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.

典型應用二  家禽家畜營養與溫室氣體排放

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產中最常見的原料之一。由此產生的高脂肪聯合產品，稱為大豆餅（SBC），通過物理過程（壓力和熱量）的油提取獲得，是一種可用的聯合產品，可能是大豆粕（SBM）的替代品。在牲畜飲食中，用SBC有效替代SBM，除了這種飼料來源的潛在緩解特性外，還具有廣泛的經濟和環境意義。本研究的目的是：（a）評估用大豆餅（SBC）代替大豆粕對喂養行為、瘤胃發酵、牛奶生產、營養消化量和CH4排放的影響；（b）評估與金標準呼吸室相比建議的面罩方法能否準確預測每日CH4的排放。

研究結果人為，用14%的SBC替代SBM 降低奶牛的CH4產量（g/kg DMI）和強度（g/kg牛奶），對動物攝入量、瘤胃代謝、FCM4%、或營養消化能力沒有負面影響。因而SBC作為SBM的可行替代方案，有助于降低腸道CH4產生。另外，面罩式代謝測量可以準確預測日甲烷產量，但預測方程需要說明攝食行為和CH4日排放模式。

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

肉雞正日益處于全球肉類生產的前沿，但快速增長和選擇增加體重對家禽健康的影響是業界和消費者持續關注的問題。為了更好地了解選擇增加體重的影響，本文評估了在商業肉雞的6周孵化到屠宰發育期的能量和行為。隨著肉雞的生長，姿勢對靜息代謝率的影響變得越來越顯著，因為站立比坐著需要更多能量消耗。發育期間運動行為引起的代謝消耗所占比率下降，同時活動水平、平均和最大行走速度均下降。這些數據與一種推論是，肉雞在有限的代謝預算內將能量分配給活動，而且在其整個發育過程中，運動代謝范圍正在縮小。與類似體積大小的雞形目動物比較后發現，肉雞運動所消耗的能量投入較高。

文中實驗使用SSI動物代謝艙研究肉雞生長的發育階段、運動活動和能量方面之間的相互作用，可以通過代謝率篩選出更優質的肉雞品種，限制活動可增加體重，對其健康帶來的影響需要良好的飼養環境抵消，并為未來生產更健康的食用肉雞和提高食品安全的生產標準戰略提供信息。

典型應用三  農產品采后保存

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.

藍莓因其促進健康的潛力而備受重視，但它們卻非常易腐。控制氣體（Controlled atmosphere，CA）策略可減少藍莓呼吸代謝，減緩衰老。然而，氣體的突然變化可能會引起水果的物理非生物應激，對質量產生負面影響。本研究提出了CA的一種創新應用，基于逐步達到最佳CA氣體濃度，防止氣態環境突然變化導致的非生物性應力。實時呼吸測量（見下圖Figure.2）提供了對藍莓對氣體環境的呼吸反應的深入見解。與控制和標準CA水果相比， “漸進式”氣體控制（GCA，graduated controlled atmosphere）處理的藍莓具有較低的穩定狀態呼吸率，這表明代謝活性的減少，對質量和存儲壽命的延長產生了積極影響。此外，經過28天的冷庫后，GCA水果比對照果和CA水果硬度高出27%。

藍莓需要先進的后處理技術來保持其生理和功能質量。與標準CA和控制相比，創新的CA方法在逐漸達到最佳儲存濃度（GCA）的基礎上發展，可以減少藍莓呼吸代謝。這對質量參數產生了積極影響，如硬度和衰變發生率。呼吸的減少也很明顯，因為糖和有機酸得到更好的維持，這些都是主要的呼吸基質。GCA有可能成功地應用于其他藍莓品種。進一步研究將更好地了解這一技術所依據的機制及其在其他新鮮農產品上的使用效果。

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.

草莓的高易腐性是擴大新鮮水果市場供應鏈的瓶頸。盡管對草莓成熟的知識越來越多，但令人驚訝的是，幾乎沒有工作評估采摘后草莓生理學的激素調控。這種信息缺乏的后果之一反映了草莓保質期管理策略的局限性。

文中實驗采用SSI呼吸代謝測量技術監測連續外源乙烯（50μl/l）輸入在冷儲存（5°C）草莓中，成熟后的草莓生理實驗在6天內得到評估。連續接觸乙烯作為花托組織中第一反應誘導的脫落酸（ABA）積累，隨后二氧化碳產量增加。具體的實驗結果如下Figure1, 本工作評估了草莓呼吸活動的生理參數CO₂產量、重量減小及顏色變化。與連續產生二氧化碳和體重減輕相匹配，顏色參數受儲存時間影響更大。與對照果實在貯藏期間的CO₂產量相比，乙烯處理的果實的呼吸代謝增加了2倍以上（Figure1.A）。然而，在儲存結束（6天）時，對照果實CO₂產量與乙烯處理果實相似，乙烯處理的果實總失重率約為35%，在對照中水果約為20%（Figure1.B）。

類似的農產品案例見：Reducing Postharvest Losses and Wastage in UK Potato Storage due to Sprouting。農產品呼吸代謝測量技術可應用于各類農產品儲藏室，并經過二次抽樣后進行實驗研究分析。