康樂院士團隊揭示蝗蟲聚群成災的奧秘

  在人类历史上,蝗灾与旱灾、洪灾并称三大自然灾害,在全球造成了严重的农业和经济损失。 飞蝗是世界上分布最广泛的蝗虫,据我国近2000多年的历史记载显示,大规模的蝗灾发生过800多次。飞蝗至今仍然是非洲、亚洲、中东和澳大利亚的重要农业害虫。沙漠蝗虽然仅仅分布在非洲、中东、南欧和南亚地区,但危害的记载可以追溯到5000多年以前。这两种蝗虫灾害一直被认为是人类主要的瘟疫之一。从2019年到2020年6月,沙漠蝗的爆发从非洲之角到伊朗南部和印巴边境,蔓延到20多个国家和地区。联合国粮农组织(FAO)判断,沙漠蝗蝗灾波及区域达26万多公顷,规模为25年一遇,1平方公里的蝗群1天就能吃掉3.5万人的口粮,该地区1190万人的粮食供应受到直接威胁。近年来,俄罗斯、北美和南美也遭遇到当地蝗虫的袭扰。在世界范围内,蝗灾仍然对农业、经济和环境构成重大威胁。

飛蝗(Locusta migratoria

  盡管蝗災與人類發展曆史長期相伴,但是真正在科學上對蝗災成因的認識不足百年。國際著名昆蟲學家和蝗蟲學之父尤瓦洛夫(Uvarov,1921)發現飛蝗之所以能成災是因爲蝗蟲可以從低密度的散居型轉變爲高密度的群居型,他因在蝗蟲研究方面的傑出貢獻,被英國皇家授予爵士頭銜。在尤瓦洛夫提出蝗蟲型變理論之前,人們把散居和群居蝗蟲認爲是兩個不同的物種。散居型蝗蟲因密度較低,不發生遷飛,一般認爲無害。群居型蝗蟲一旦形成就會導致蝗災發生,蝗群會大規模移動或遷飛導致更大範圍的蝗災發生。近80年來,對蝗群如何形成有許多的假說,分別有食物、繁殖地、性成熟、群集信息素、氣候等假說,但是究竟是哪一個因素起主要作用以及其中的奧秘和機理並沒有在科學上被揭示。上世紀七十年代,國際上科學家們才逐步認識到群聚信息素可能是蝗蟲能夠聚集的最關鍵因素。經過50多年幾代科學家的不斷努力,有幾種化合物被認爲可能是蝗蟲的群聚信息素,這些信息素被命名爲蝗醇、蝗酚等。但是,這些化合物中沒有一個化合物能符合群聚信息素的所有標准,特別是沒有野外種群驗證的證據。

  最近,浙江风采网康乐院士团队通过分析飞蝗群居型和散居型飞蝗的体表和粪便挥发物,在35种化合物中鉴定到了一种由群居型蝗虫特异性挥发的气味,释放量低但生物活性非常高的化合物,4-vinylanisole(4VA,4-乙烯基苯甲醚)。通过一系列行为实验确定4VA对群居型和散居型飞蝗的不同发育阶段和性别都有很强的吸引力。4VA能够响应蝗虫种群密度的变化,随着种群密度增加而增加,甚至它的产生可由4-5只散居飞蝗聚集而触发,具有很低的诱发阈值。研究人员在飞蝗触角上的四种主要感器类型中,发现了4VA特异引起锥形感器的反应。在蝗虫的上百个嗅觉受体中,他们发现定位在锥形感器中的嗅觉受体OR35是4VA的特异性受体。当使用基因编辑技术CRISPR/Cas9敲除OR35后,飞蝗突变体的触角与锥形感器神经电生理反应显著降低,突变体也对4VA的响应行为和吸引力丧失。那么4VA在户外和自然环境中能够吸引和聚集蝗虫吗?研究人员将含有4VA的诱芯布置在田间,通过室外草地双选和诱捕实验证明4VA对实验室种群在户外具有很强的吸引力。进而,他们将诱芯直接布局到蝗虫野外发生区天津北大港,大范围的区块实验再一次证明4VA不仅能吸引野外种群,而且不受自然环境中蝗虫背景密度的影响。本研究首次从化学分析,行为验证,神经电生理记录,嗅觉受体鉴定,基因敲除,野外验证等多个层面对飞蝗群居信息素进行了全面而充分的鉴定和验证,发现和确立了4VA是飞蝗群聚信息素,而过去报道已知的其它化合物都不具备群聚信息素的所有条件,他们的研究范式将化学生态学的研究提高到一个新的阶段。因此,这项研究被认为是昆虫学研究的一个重要突破。文章在审稿之际,三位审稿人对文章分别给予了高度评价,两位匿名审稿人认为“该研究旨在阐明4VA作为群居信息素在飞蝗群聚过程中的作用,是一项令人印象深刻的、高技术的、深入的研究。”;“本研究聚焦于一个极具吸引力的生物学问题,在这个领域取得了非常重要的进展”。一位透明审稿人是国际著名神经生物学家、美国科学院院士、美国洛克菲勒大学莱斯莉·沃斯霍尔(Leslie B. Vosshall)教授,她在审稿意见中明确表示“这项工作做出了令人兴奋的发现,找到了一个人们长期寻找的蝗虫群聚信息素分子。文章包含了令人吃惊的多个层次的研究,我给予我无条件的支持,这项杰出的工作不要有任何拖延应该优先在《自然》杂志上发表。”。

  該研究不僅揭示了蝗蟲群居的奧秘,而且使蝗蟲的綠色和可持續防控成爲可能。長期以來,人們對于蝗災的防治主要依賴化學殺蟲劑大規模的噴施,而不合理的化學農藥的使用對食品安全、生態系統和人類健康産生了巨大的負面影響。康樂院士團隊的這項研究將從多個方面改變人們控制蝗災的理念和方法:利用人工合成的信息素可以在田間長期監測蝗蟲種群動態,爲預測預報服務;利用人工合成的信息素可以設計誘集帶誘集蝗蟲,並在誘集帶集中使用化學農藥或生物制劑將其消滅,從而極大地減少化學農藥的使用;根據4VA的結構設計拮抗劑,阻止蝗蟲的聚集;嗅覺受體OR35的發現,爲使用基因編輯技術建立4VA反應缺失的突變體成爲可能,這種突變體長期釋放到野外就可能在重災區建立起不能群居的蝗蟲種群,既在野外維持了一定數量的蝗蟲,又達到可持續控制的目的,將環境保護與害蟲控制有機地結合起來。因此,4VA和它的受體的發現將極大地改變防治蝗蟲的對策和技術。

  人类对蝗虫聚群成灾的认识经历了几个重要突破。首先是尤瓦洛夫(Uvarov,1921)提出的著名的蝗虫型变理论。该理论提出之后,先后在世界上发现大约有10种最具危险性的蝗虫都有型变现象。第二个重要突破是英国科学家辛普森(Simpson)领导的团队在上世纪90年代建立的沙漠蝗群居型与散居型行为判别模式和生理学特征。第三个重要的突破是来自于中國科學院康乐院士团队,他们从2004年起,开启了蝗虫型变基因表达调控和表观遗传调控的分子机理研究。现在,他们又发现了飞蝗群聚信息素,揭示了飞蝗群聚的奥秘。这一发现具有重要的理论意义与应用价值,进一步推动了国际蝗虫领域的研究。该研究工作以“4-vinylanisole is an aggregation pheromone in locusts”为题,于2020年8月12日正式在Nature发表(doi: 10.1038/s41586-020-2610-4),该研究得到了中國科學院先导专项、国家基金委重点项目等项目的大力支持。

圖:飛蝗群聚信息素4VA的鑒定與功能研究

關于我們
聯系我們
地  址:北京市朝陽區北辰西路1號院5號
郵  編:100101
電子郵件:ioz@ioz.ac.cn
電  話:+86-10-64807098
傳  真:+86-10-64807099
友情鏈接