综述：哨兵植物：印度外来入侵性害虫和病原体早期检测工具

《Discover Life》：Sentinel plants: A tool for early detection of invasive alien pests and pathogens in India

　　本综述系统阐述了哨兵植物（Sentinel plants）作为一种创新性生物安全（Biosecurity）工具，在印度早期检测和风险评估外来入侵物种（Invasive alien species, IAS）中的应用前景。文章分析了全球化与气候变化背景下印度作为生物多样性热点面临的入侵威胁，提出了利用植物园（Botanic gardens）和哨兵树木园（Sentinel arboreta）建立监测网络的框架，并探讨了其面临的挑战与未来发展方向，为保护印度生物多样性与农业安全提供了前瞻性策略。

　　

引言

印度作为生物多样性热点地区，尽管仅占地球陆地总面积的2.4%，却拥有全球8%的物种多样性。然而，全球范围内人员和货物的流动已成为生物入侵的主要驱动因素，外来入侵物种（IAS）对全球生物多样性、经济和人类福祉构成了严峻挑战。历史上，荷兰榆树病（Dutch elm disease）摧毁了英国的榆树种群，白蜡窄吉丁（Agrilus planipennis）严重危害了美国的白蜡树，而桉树瘿姬小蜂（Leptocybe invasa）则威胁着印度约800万公顷的桉树人工林。这些案例凸显了早期检测和预防入侵的紧迫性。哨兵植物概念作为一种主动的生物安全策略应运而生，旨在通过在国外环境中栽培植物，暴露于当地病原体之下，以评估其对本土生态系统的潜在威胁。

近期入侵印度造成的损失

外来入侵物种被认为是造成生物多样性丧失和经济损失的主要因素。据估计，全球每年因IAS造成的经济损失高达4230亿美元（2019年）。印度是全球入侵相关经济成本第二高的国家，在1960年至2020年间损失估计高达1273亿至1826亿美元。然而，这些估计仅基于印度已知330种入侵物种中的约3%（8-10种），表明存在巨大的知识差距。地区评估数据不足，例如西印度承担了最高负担（6.16亿美元，占87.5%），而中部、东部和东北部印度则没有报告成本，这阻碍了有效的资源分配和有针对性的生物安全措施。

识别与预防入侵的可持续解决方案

国际农业和生物科学中心（CABI）的全球入侵物种计划提出了三种主要策略：预防、早期检测和根除。预防通常是最具成本效益的选择，但当预防失败时，快速根除至关重要。利用生物体作为潜在危险的早期预警系统历史悠久，例如二十世纪初煤矿中使用金丝雀预警一氧化碳。哨兵植物概念正是基于类似的原理。

哨兵植物概念

哨兵树是指为监测和检测对本地生态系统和农业构成重大风险的IAS（即植物害虫和病原体）而选择的特定植物物种。这种做法涉及系统观察特定植物物种是否有害虫或病原体危害的迹象。这些哨兵植物作为生态健康的生物指标，使科学家和研究人员能够检测有害生物的存在并评估其传播潜力。研究表明，哨兵植物能有效识别与树种密切相关的病原体。通过哨兵监测发现的许多生物要么是科学上新发现的，要么是先前未记录的与所研究树木相关的害虫和病原体。

一个全球性倡议是国际植物哨兵网络（IPSN），该网络连接了世界各地的植物园和树木园，以监测外来害虫和疾病。由国际植物园保护联盟（BGCI）协调，IPSN促进了新兴威胁的早期检测，支持国际害虫数据共享，并通过合作研究和能力建设加强了植物健康监测。

哨兵植物概念中采用的有效诊断策略

哨兵种植园是指在其自然分布区外战略性地栽培的外来植物。必须非常谨慎地选择哨兵物种，以确保其本身不构成入侵风险。只应使用非入侵性且已在异域分布区出现或归化的物种。一个突出的例子是在印度地区建立原产澳大利亚的树木。哨兵种植园受到潜在病原体的监测，为害虫风险分析（PRA）生成关键数据。

哨兵苗圃旨在检测可能通过全球植物贸易引入的任何害虫或疾病。这是通过在其自然分布区内栽培本地植物来实现的，从而可以清楚地了解这些植物如何与环境相互作用以及它们可能面临的任何潜在威胁。一个稳健的采样策略至关重要，应包含有症状和无症状的材料，以确保全面了解潜在威胁。

在拥有来自不同地理区域的本土和外来树种多样化收集的哨兵树木园中，可以严格测试关于生物入侵的生态理论。这种环境允许研究人员研究寄主变化如何抑制外来植物害虫和疾病的增殖，这对于理解生态动态至关重要。

适合印度的哨兵植物概念模型

虽然哨兵树木园在全球生物安全努力中已很成熟，但其在印度的潜力尚未被充分开发，外来入侵害虫继续威胁着生态和农业系统。印度拥有丰富多样的植物区系，建立哨兵树木园将受益匪浅。植物园也扮演着补充角色，它们作为外来害虫和疾病引入的早期指标，并提供了关于非本地物种如何与本地植物群落相互作用的宝贵见解。印度目前拥有122个植物园，共收藏约15,000至20,000份活植物 accession，涵盖7,000至10,000个不同物种。这种植物收藏的丰富多样性为研究和监测提供了重要资产。

印度政府管理外来入侵物种的政策及相关政策倡议

印度管理入侵物种的方法是跨机构的，涉及多个部委和专门机构。农业与农民福利部是管理影响作物和牲畜的入侵害虫的节点部委，而环境、森林与气候变化部（MoEFCC）则负责管理影响生物多样性的入侵物种。印度农业研究委员会（ICAR）及其研究所网络通过研究和技术开发在解决入侵物种方面发挥着至关重要的作用。MoEFCC是生物多样性保护的主要部委，管理《生物多样性法案》（2002年），该法案通过规范生物资源的转移和防止生物资源入侵间接涵盖了IAS。

其他机构也做出了贡献。工商部下辖的外贸总局（DGFT）根据《对外贸易（发展与规范）法案》（1992年）为任何活体生物或繁殖体的出口颁发许可证。印度海关在入境点执行检疫规则，拦截不合规的动植物运输。在邦一级，邦农业部和邦生物多样性委员会有权实施和执行关于入侵害虫控制的指南。

鉴于涉及多个机构，机构间沟通对于确保及时的信息共享以进行PRA和向利益相关者发出警报至关重要。印度还积极与联合国粮食及农业组织（FAO）等国际组织合作。

使哨兵植物概念框架适应印度需求

为使哨兵植物概念适应印度条件，必须进行广泛调查，并制定明确的持续监测协议。必须系统地进行分析和评估，以指导应对策略。该框架的一个关键组成部分是实施早期预警系统。来自哨兵植物研究的科学成果有助于更深入地理解环境动态。

为确保哨兵植物框架的有效实施，还必须优先考虑若干支持行动。这些包括制定教育材料以提高利益相关者意识，培训参与监测和数据收集的人员，以及建立连接的哨兵站网络以进行实时数据交换和协作。此外，应根据哨兵植物的发现实施特定的生物安全措施。

哨兵植物的选择标准

为哨兵树木园选择植物物种基于若干标准，以优化对入侵害虫和病原体的监测。主要标准包括经济生态重要性、对多种病虫害的高度敏感性、地理气候适应性、低维护需求以及病虫害关联的历史数据。在实验室和小型田间进行受控实验有助于筛选出对病虫害高度敏感、能显示明显早期症状或能吸引广泛潜在入侵者的哨兵植物。

监测检测系统与技术

及时检测入侵物种对于防止其定殖和传播至关重要，尤其是在与现代监测技术结合时。遥感与地理信息系统（GIS）在大规模监测哨兵植物与入侵物种的相互作用中发挥着关键作用。分子诊断技术，如DNA条形码和环境DNA（eDNA）分析，提供了一种追踪哨兵植物与入侵物种相互作用的先进方法。识别哨兵植物响应入侵物种而释放的挥发性有机化合物（VOCs）可以进一步改善早期检测。人工智能（AI）和机器学习在物种检测中的应用进一步提高了分析哨兵植物响应的能力。

一个有前景的方法是基因工程，通过基因修饰，哨兵植物可以被设计来吸引或诱捕害虫，或者在受侵染时表达增强的视觉或化学信号，从而改善早期检测和监测。然而，基因修饰哨兵植物（GMSP）的生态可行性引发了对其对非目标物种影响、害虫抗性进化以及基因流动风险的考虑。

印度哨兵植物概念的差距与挑战

哨兵植物研究的众多优势已得到认可；然而，它也带来了重大挑战，特别是在观察周期长、生物安全风险、财政限制和沟通差距方面。研究的时间方面的一个显著限制是评估哨兵植物是否能为研究某些病原体的影响提供信息数据。另一个关键挑战是生物恐怖主义和生物安全问题。“生物恐怖主义”是指故意将植物病原体、害虫或毒素引入农业或生态系统，意图造成经济损害、破坏粮食供应链、损害自然生态系统或破坏国家稳定。

哨兵植物概念在印度未被采纳的主要原因是大多数关于这些植物的研究涉及多年生的木本树种，这些树种需要数年才能生长和发育。具有环境和文化价值的植物通过植物园进行监测，这最有可能表明此类生物存在于外来栖息地。哨兵植物可能并不总是对环境压力、疾病或害虫具有高度特异性或敏感性。环境条件的广泛变化可能会影响哨兵植物概念的可靠性。

在印度实施哨兵树木园网络面临着重大的财政挑战，这主要是由于高昂的初始设置成本、长期维护费用以及有限的资金机会。政府机构和私营部门对此类倡议的资金支持仍然有限。部门间协调不畅、数据共享问题、政策不一致以及应对新发威胁的延迟都会严重影响哨兵植物计划的有效性。

印度哨兵植物研究的未来方向

进化生物学家Alok Bang指出，人们对非本地害虫在印度次大陆的影响明显缺乏了解，这促使迫切需要一份在印度不同生物地理省份繁衍生息的非本地物种的全面清单。此外，制定关于哨兵树物种的全印协调研究项目对于识别外来物种的入侵是必要的，并应纳入生物多样性战略计划（2021-2030）。为了评估哨兵种植园受到的损害，有必要通过生态位建模利用GIS和制图技术。人工智能和遥感等新技术正在彻底改变对植物病虫害的监测。

哨兵种植园战略性地种植在主要入境通道附近，以阻碍具有入侵潜力的外来物种的额外引入。需要在国家层面建立一个全面的机构和法律框架来解决哨兵种植园问题。应优先建立一个印度植物哨兵信息网络，通过网络连接区域节点。即使是看似无害的昆虫也可能携带未经鉴定的病原体跨越国境。因此，对不同媒介与病原体之间的关联进行彻底研究至关重要。

结论

哨兵植物方法为减轻印度IAS威胁提供了一种主动且科学基础扎实的策略。通过将早期检测与及时响应联系起来，它提供了一种减少生态破坏和经济损失的方法。在关键入境点附近战略性地建立哨兵树木园，并将其纳入国家生物安全系统，可以大大加强印度的防范能力。然而，有效的实施需要多个利益相关者之间的协调行动。尽管存在这些限制，哨兵植物框架在加强监测、为政策决策提供信息以及促进国际合作方面仍然是一项宝贵的资产。利用印度在这种框架内的植物多样性可以显著增强国家对生物入侵的抵御能力。