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Science文章提议:建立作物病害全球监测系统
来源:基因农业网 发布时间:2019-07-08

6月28日,science发表《全球农作物病害监测系统》(A global surveillance system for crop diseases)。文章提出建立一个全球监测系统(GSS),可以将已建立的生物安全实践和网络设施惠及到低收入国家,使各国和各地区能够迅速应对新出现的疾病暴发,以稳定粮食供应,加强全球食品保护。

为了满足日益增长的粮食需求,全球农业生产必须在2050年之前增加70%。然而,作物病虫害加剧了全球粮食供应的风险。

在世界范围内,由病虫害引起的小麦平均产量损失估计为21.5%、大米为30.0%、玉米为22.6%、马铃薯为17.2%、大豆为21.4%。

这些作物为全球人口提供了一半的卡路里。气候变化和全球贸易进一步加大了植物病害的扩散、宿主范围和影响,其中许多病害在受到控制一段时间后还能继续传播或复发。虽然许多国家级和区域级的植物保护组织(NPPO和RPPO)致力于监测和控制作物病害的爆发,但在许多国家中,特别是低收入国家(LIC),由于没有有效的信息交换,对于防止疾病形成和传播的协调反应有延迟。

为了改善对意外作物病害蔓延的反应机制,我们提出了一个全球监测系统(GSS),将已建立的生物安全实践和网络设施扩展和整合到低收入国家,使各国和各地区能够迅速应对新出现的爆发性病害,以稳定粮食供应,加强全球食品保护。

全球网络改善了人类的健康状况,加快了对人类传染病爆发的全球反应。世界卫生组织(WHO)和美国疾病控制和预防中心(CDC)开发和维护这些拥有完善的网络实验室的监测系统,用于诊断和促进爆发期间共享数据和信息的规范,并由此更有效、更迅速地解决公共卫生问题。

本着类似的精神,联合国大会宣布2020年为国际植物健康年,以提高公众和政策制定者对植物健康重要性的认识,我们预计GSS将有大量机会帮助政府为植物病害爆发事件提供更有针对性和更具成本效益的应对措施。

1951年通过的“国际植物保护公约”(IPPC)为参与国家级和区域级的植物保护组织的国家之间合作提供了基础,以提高对限定有害生物和病原体的进入和传播对农业威胁的认识。这一由183个国家级植物保护组织和10个区域级的植物保护组织组成、与国际植保公约秘书处和植物检疫措施委员会合作的系统面临着许多挑战,有大量受监管的有害生物(仅在欧洲就有约400种)需要关注,而该系统的资源却十分有限。

目前,一个国家的作物病害监测能力取决于两种类型的基础设施:特定/靶向性监测,常规/被动监测。

特定/靶向性的监测基础设施包括入境口岸和贸易点、海关和边境巡逻、种子检查和植物检疫服务的实验室,并包括旨在防止特定病虫害的引入和转移的协调农业有害生物调查。“国际植保公约”和国家级植物保护组织的大多数政策努力都与靶向性监测有关,这需要受过培训的人员来识别受监管的有害生物和致病菌,并为满足贸易和检疫目的建立一个特定有害生物或疾病的“隔离区”。尽管有大量的全球靶向性监测基础设施,但进入一个国家的货物中只有约2%至6%可以接受有效的筛查;因此,潜在的生物入侵物种通过官方入境点的转移实质上几乎不设限。

常规/被动监测旨在检测和诊断所有的有害生物和作物疾病,而不仅仅是那些受到监管的疾病。被动监测人员或是在实地调查期间发现作物疾病,或是将样本带到分布在整个国家或地区的实验室。这些活动几乎总是病情爆发时的第一探测器,通常消息来源于非紧密互联的民众、科学家和训练有素的农学家、大学植物病理学实验室、支持种植业的按服务收费的诊所、CGIAR植物病理学实验室、国家网络互联实验室如美国国家植物诊断网(NPDN)、国家推广服务人员、私营作物顾问,以及农药销售人员和施药人员。

为使该基础设施有效,必须很好地协调第一探测器和下游响应器之间的连接。但是,大多数地区在诊断能力、信息共享和通信协议方面的建设匮乏或不完善。我们从多次疾病爆发中得出的反思是,无论是在高收入国家(HIC)还是低收入国家中,被动监测基础设施所拥有的现场监测和训练有素的眼睛最多,而从地方到全球的协调程度最低。这就是我们建议为GSS建立互联机制的部分,特别是将低收入国家包括在内,其风险评估、诊断能力、数据共享和通信协议等均需要加强。

GSS的组成部分

GSS的模型借鉴了先前病情爆发的经验教训,建立和协调的区域植物保护工作,以及在高收入国家应用的最佳实践,如欧洲植物保护组织(EPPO)、美国国家植物诊断网(NPDN)、欧盟参考物质实验室,以及由世卫组织协调的全球流感监测和应对系统(GISRS)。

回顾以前的病情爆发事件有助于找出需要加强的薄弱环节,以及在其他地区可以利用的经验。一个例子是最近在东南亚发生的木薯花叶病(CMD)爆发事件。CMD是一种病毒性疾病,在非洲、印度和斯里兰卡造成巨大的产量损失,并且极大地阻碍了营养性繁殖作物的种植材料贸易。

2015年5月,一位大学植物病理学家首次报告在柬埔寨的新发事件,不过,这些结果直到2016年5月才在科学期刊上发表。在这一地区内,人们意识到疾病存在会对经济产生影响,这种担忧进一步导致了区域性警报发布的延误,结果造成CMD传播到邻近地区和国家。主要的制约因素在于,在受病毒影响国家如柬埔寨和越南,受过培训的人员以及对病毒的诊断能力相对匮乏,有关新疾病爆发的区域级信息交流不足。如果区域级诊断中心、数据管理、风险评估和通信协议能够得到加强,应该有助于大大降低CMD在东南亚的传播速度。现在,利益相关方团体已经明确认识到这一点,并积极筹备CMD在东南亚地区的缓解战略(Global Cassava Partnership for the 21st Century (GCP21), 2018)。

另一个例子是2016年孟加拉国八个地区中麦瘟病的爆发,蔓延至约15,000公顷,所到之处,最坏可导致绝收。在当地,染病样本经过协调快速收集,生成病原体序列信息,同时招募了几名自愿通过开放式科学网络平台(OpenWheatBlast)分享未发表数据的植物病理学家,结果发现这种真菌与南美小麦病原体密切相关,最有可能是从南美洲引入孟加拉国的。没有麦瘟病爆发史的十个国家还在继续从这些地区进口受感染的小麦。他们没有关于病原体在来源国流行程度的信息,而这类信息将有助于制定关于检疫或更换进口来源的决策。

在欧洲,叶缘焦枯病菌(Xylella fastidiosa)的爆发对意大利的橄榄树产生了影响。自2013年第一次正式报告以来,一些区域性的举措已经加强了国家诊断实验室的能力,促进了专家之间的沟通,并提高了未感染国家对此细菌的准备程度。EPPO秘书处组织了沟通交流活动,以提高对有害生物构成威胁的警觉。EPPO还协调了一个国际专家组来分享诊断规程的信息,为该地区的最佳测试提供指导。欧洲食品安全局开展了有害生物风险分析,并启动了若干研究项目,以提供证据来支持政策的制定。所有这些举措都是建立在欧洲、巴西和美国专家的合作基础之上,并通过合作制定国际IPPC标准来诊断叶缘焦枯病菌。

GSS将包括世界范围内现有的监测系统,但需要审慎地协调人员安排、数据汇编和疾病诊断数据模式的分析,以及在全球范围内改进风险管理的前瞻性目标。它将在各国的一般监测实体和特定监测实体之间建立联系,以加强对严重后果型疾病检测的协调,从而优化早期响应和控制。它将通过五个互连的网络发挥作用:(i)诊断实验室,(ii)风险评估建模团队,(iii)数据标准化和管理专家,(iv)定期的专家交流,以及(v)分布式运营管理系统,所有这些互联网络共享跨领域的能力发展部分。试运行阶段将重点关注高风险作物病害,这类疾病会对低收入国家的一些全球最重要的作物(玉米、马铃薯、木薯、大米、豆类和小麦)造成严重的经济影响。这将增强现有网络的能力并将其关键组成部分联系起来,以更好地应对高风险病害。

在过去十年中,疾病诊断方面取得了重大进展,特别是通过基因组测序技术的诊断;基于CRISPR的诊断;用于基因组流行病学、基因组预测数据挖掘数据分析和建模的生物信息学工具;以及用于信息共享的社交媒体平台的扩展。这些技术的进步和发展将彻底改变疾病爆发期间信息收集的速度、准确性和丰富程度。最近的一个例子是用于小麦黄锈病的基于基因组学的近实时现场诊断平台:

移动和实时植物病害(MARPLE)诊断平台,该平台已被整合到埃塞俄比亚现有的小麦锈病早期预警系统中,可直接通报疾病风险的预测。然而,更快、更准确的检测和诊断技术的好处尚未广泛地应用于低收入国家,而那些地方新出现的疾病可能特别具有破坏性。必须同时努力利用和部署新兴技术,用于低收入国家的疾病监测和管理,以有效减少当地作物病害和全球疾病传播的影响。

诊断实验室网络将推广标准协议,包括国际植物保护公约已经提出的标准协议,采用先进技术,以实现更快、更准确的分析结果和标准化的信息管理和报告。它将由“区域中心”进行协调,支持区域内“辐射”诊断实验室,专门针对低收入国家的诊断实验室和推广服务,其方法类似于美国NPDN及其五个区域诊断网络。大多数低收入国家的植物保护服务资源不足,因此GSS将通过培训、区域连接和资源来加强实验室能力建设。区域中心将通过扩展代理、植物育种者和基于遥感的平台,连接和支持国家级植物保护组织目前的能力和基础设施,用于实验室诊断和现场监测。区域中心将与“辐射”团队合作,根据当地优先事项确定高风险作物和病原体。区域中心与区域级植物保护组织和国际植保公约合作,将努力促进与区域合作伙伴的共识,更新和协调现有的诊断、抽样方法和监测方法的标准操作程序。这些能力将与风险评估和通信网络相结合,以支持每个地区的早期现场检测、诊断确认、及时报告和管理建议。

现行针对检疫性有害生物风险分析的标准是由国际植物保护公约于2001年制定的。利用这些标准作为指导,风险评估网络将支持风险相关数据的收集、整合和管理,以开发分析建模和可视化工具,通过紧急警报、定期公告和作物疾病的最新优先清单,向关键利益相关方进行解释和沟通(通过GSS通信和数据管理网络)。该网络将推荐采样和缓解策略,向诊断实验室网络提供最新的风险评估,并与国家级植物保护组织、大学、政府人员和私人团体一起为能力发展做出贡献。

数据管理网络将与参与国就数据收集的标准和访问协议达成共识,以支持植物疾病数据的收集、整理、存储、分析和管理。这将基于数据的访问和使用规则,例如突发公共卫生事件和世界卫生组织的大流行性流感防范(PIP)框架,在该框架下,世界卫生组织将以快速、及时和系统的方式共享来自原始实验室和世界卫生组织GISRS实验室的遗传序列数据。GSS将提供数据,为风险评估和通信网络提供信息,以指导及时响应。

GSS将通过部署FAIR(可查找、可访问、可互操作和可重用)数据原则来激励数据共享(包括开源数据),尽管系统外的可访问性将基于每个国家或地区来决定。虽然各个国家可能希望限制敏感作物病害数据的公众可得性,并且已经报告了共享数据所面临的威胁,但GSS将确保建立共享信息和数据使用的规范。GSS通过该网络与植物病理学界合作,寻求植物病理学期刊的支持,以及类似地从国际医学期刊编辑委员会得到协议和支持,不会因为出版前传播由世界卫生组织宣布、对突发公共卫生事件至关重要的信息而妨碍期刊出版。国际植物病理学会正在讨论有关植物紧急卫生情况的道德准则。就孟加拉国爆发麦瘟病的情况下,协调努力共享病原体相关数据的好处是,可以确定最有可能的决策源头。

通信网络将促进所有网络之间的对话,包括内部的系统和外部的参与东道国政府,以提高认识并协调对疾病爆发的及时反应。该网络将通过确定最合适的来源并确保及时、负责和安全地传播知识,加快从诊断和风险评估网络获得的知识转移。

国际植物保护组织的主要成员、合作伙伴网络(如NPDN,IPPC和RPPO)和国际农业研究磋商小组(CGIAR)的联络人将监督区域业务的全球管理。该业务管理网络将为综合监测系统提供治理,以促进全球对作物病害爆发的认识和准备。其主要活动是运营网络、协调合作伙伴、管理预算、筹备资金以及制定政策和准则。每个网络都将包括能力建设,通过培训个人提高技能和知识,确保地方和区域机构在三个不同层面增加其能力,提供资源、服务和信息以加强组织,促进机构合作与协作。

影响和实施

GSS将检测全球粮食供应所面临的威胁和风险,并支持及时响应。通过提高预测、检测、沟通和有效应对新出现的作物病害爆发的能力,各国和各地区都将受益。这将通过利用从现有国家级和区域级植物保护系统中汲取的不同经验教训来实现,例如NPDN(成立于2003年)或EPPO(创建于1951年)。拟议的GSS需要应对诸如提高每个国家农业部以及区域级植物保护组织和政策制定者对GSS和区域中心功能的认识等挑战,并建立一个具有长期支持和可持续资金的综合治理方法。

在国际植保公约2020-2030年发展议程中,国际植物保护公约和粮农组织强调了加强监测系统的必要性,诊断实验室网络是其关键组成部分。我们鼓励年度G20农业部长会议、世界银行集团和粮农组织等共同努力,加强合作,为拟议的GSS制定多年行动计划,以更有效地减少作物病害的影响,提高全球粮食安全。

原始文献  https://science.sciencemag.org/content/364/6447/1237/tab-pdf

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