【中國科學報】飛蝗災變的奧秘

飛蝗。中科院動物所供圖

  一只螞蚱有啥可怕?如果有人告訴你,這些在草叢裏蹦蹦跳跳的小蟲一天就能吃掉3.5萬人的口糧呢?實際上,在很多人的記憶裏,蝗蟲就是饑餓的代名詞,當“蝗災”來襲,那遮天蔽日的末日景象更是不折不扣的“童年陰影”。

  看起来人畜无害的昆虫为何能突然成灾?千百年来,人们百思不得其解,只好将其归结为“天灾”。但中國科學院院士、中科院动物研究所研究員康乐偏偏不信这个“邪”。他带领团队一头扎进了蝗虫堆,经过20多年的钻研,终于找到了蝗虫聚群成灾的奥秘。8月12日的《自然》(Nature)杂志发表了康乐团队的这一成果。

  與旱澇齊名的第三大災

  蝗災與旱災、洪災並稱我國曆史上的三大自然災害,曾造成嚴重的農業和經濟損失。

  飛蝗是世界上分布最廣泛的蝗蟲,據我國近2000多年的曆史記載顯示,大規模的蝗災發生過800多次,是非洲、亞洲、中東和澳大利亞的重要農業害蟲。

  而沙漠蝗雖然僅僅分布在非洲、中東、南歐和南亞地區,但危害的記載可以追溯到5000多年以前,這兩種蝗蟲災害一直被認爲是人類主要的瘟疫之一。

  “蝗虫是世界性的害虫。”中科院动物所研究員戈峰介绍,大概平均每5年就发生一次蝗灾,历史上一些社会性事件都与蝗灾有关。例如1924年的一次蝗灾甚至导致南京铁路的一辆火车都开不动了。

  蝗災不僅僅存在于人們的記憶裏。就在最近的2019年到2020年6月,沙漠蝗的爆發從非洲之角到伊朗南部和印巴邊境,蔓延到20多個國家和地區。據聯合國糧農組織判斷,沙漠蝗蝗災波及區域達26萬多公頃,規模爲25年一遇,1190萬人的糧食供應受到直接威脅。近年來,俄羅斯、北美和南美也遭遇到當地蝗蟲的襲擾,就在去年,曆史上很少發生蝗災的美國也中招了。

  “我國也是飛蝗蝗災的重災區。”康樂說,“在世界範圍內,蝗災對農業、經濟和環境都構成了重大威脅。”

  盡管蝗災與人類發展曆史長期相伴,但人類對蝗災成因的科學認識卻並不與之相襯。1921年,國際著名昆蟲學家和蝗蟲學之父尤瓦洛夫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;而直到上世紀70年代,國際科學家才逐漸意識到,群聚信息素可能是蝗蟲聚集的最關鍵因素。

  可是幾十年過去了,科學家還是沒能找到這種關鍵的物質,似乎沒有一種化合物能夠符合群聚信息素的所有標准。

  隱秘的關鍵證據究竟在哪?這引起了康樂的極大興趣。

  飛蝗爲何“騰達”?

  最近,康樂團隊分析了飛蝗群居型和散居型飛蝗的體表和糞便揮發物,在35種化合物中鑒定到了一種由群居型蝗蟲特異性揮發的氣味,它是一種釋放量低但生物活性非常高的化合物4-乙烯基苯甲醚(4VA)。

  科研人員通過一系列行爲實驗確定,4VA對群居型和散居型飛蝗都有很強的吸引力,而且這種吸引不分年齡,不分性別。

  “我們發現,4VA這種信息素是群居型特異性釋放的的信息素,在散居型蝗蟲中基本檢測不到。但只要有4~5只散居型蝗蟲聚集在一起,信息素的釋放就可以啓動,這說明它具有很低的誘發阈值。”康樂告訴《中國科學報》,“我們認爲,在野外可能只是小範圍的蝗蟲聚集就能開始釋放4VA,繼而招募更多的蝗蟲加入進來,使蝗蟲的群體越來越大。”

  那麽,4VA在自然環境中能夠吸引和聚集蝗蟲嗎?研究人員將含有4VA的誘芯布置在田間,發現4VA對實驗室種群在戶外具有很強的吸引力。進而,他們將誘芯直接布局到蝗蟲野外發生區天津北大港,大範圍的區塊實驗再一次證明4VA不僅能吸引野外種群,而且不受自然環境中蝗蟲背景密度的影響。

  本研究首次從化學分析、行爲驗證、神經電生理記錄、嗅覺受體鑒定、基因敲除和野外驗證等多個層面對飛蝗群居信息素進行了全面而充分的鑒定和驗證,發現和確立了4VA是飛蝗群聚信息素,而過去報道已知的其它化合物都不具備群聚信息素的所有條件,本項研究範式將化學生態學的研究提高到一個新的階段。

  論文审稿人之一、美国科学院院士、美国洛克菲勒大学教授莱斯莉·沃斯霍尔(Leslie Vosshall)评价称:“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》上发表。”。

  綠色防治照進現實

  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。但康樂團隊的這項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。

  “我們發現,4VA是來源于蝗蟲吃下去的植物,人工合成非常容易,也很便宜。”康樂說,利用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;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;還可以根據4VA的結構設計拮抗劑,阻止蝗蟲的聚集。

  同時,科研人員還在蝗蟲的上百個嗅覺受體中,發現了4VA的特異性受體,利用基因編輯技術敲除這種受體後,飛蝗對4VA的響應行爲和吸引力就喪失了。

  這提示人們可以培養這種突變體飛蝗,並長期釋放到野外,這樣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。

  “論文上线的第一时间我就阅读了这篇文章。”清華大學教授程功评价称,“这是一项融会贯通的研究,其研究思路对我们从事昆虫学其他领域研究的人也很有启发。”

  中科院院士、國家自然科學基金委員會原主任陳宜瑜還記得多年前,康樂等人大箱子小箱子地把蝗蟲從野外搬回實驗室裏的情景。“他在上世紀90年代就認識到要把宏觀生物學和微觀生物學整合在一起,用分子生物學的技術進步去解決宏觀科學問題。這項重大成果是康樂團隊锲而不舍、長期堅持的結果。”

  也許假以時日,當人們再次想起蝗蟲的時候,聯想到的將會是不一樣的關鍵詞。

  doi: 10.1038/s41586-020-2610-4

来源:中国科学报 作者:丁佳 冯丽妃

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