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當(dāng)黑壓壓的蝗蟲鋪天蓋地般襲來(lái),到底有多可怕?根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的判斷,1平方公里的蝗群1天能吃掉3.5萬(wàn)人的口糧。
這些吃糧不眨眼的蝗蟲是如何聚群成災(zāi)的?
8月12日,中科院動(dòng)物研究所康樂(lè)院士團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表的一項(xiàng)研究成果,揭示了飛蝗“群體作惡”的奧秘:
從三三兩兩散居的飛蝗到成千上萬(wàn)只大規(guī)模聚集的蝗群,習(xí)慣獨(dú)處的飛蝗之所以放棄“自由生活”,是因?yàn)橐环N來(lái)自群居型飛蝗特異性揮發(fā)的氣味。
這種氣味中含有一種釋放量低但生物活性非常高的化合物,名為4-vinylanisole(4VA,4-乙烯基苯甲醚),它能夠響應(yīng)飛蝗種群密度的變化,隨著種群密度的增加而增加。受其“蠱惑”,“欲罷不能”的飛蝗開始成群結(jié)隊(duì)地聚集,最終釀成毀滅性的蝗災(zāi)。
“這些結(jié)果使我們第一次真正認(rèn)識(shí)到蝗蟲的群聚信息素。這些發(fā)現(xiàn)不僅可以被應(yīng)用到基礎(chǔ)研究中,同時(shí)也非常有希望應(yīng)用于野外蝗蟲的治理上?！钡聡?guó)馬普化學(xué)生態(tài)研究所所長(zhǎng)比爾漢森表示。
不可忽視的蝗災(zāi)危害
小小的蝗蟲雖然其貌不揚(yáng),但若數(shù)以億計(jì)的蝗蟲們聚到一起,其破壞力卻是災(zāi)難性的。
蝗災(zāi)、旱災(zāi)、洪災(zāi),這是我國(guó)歷史上的三大自然災(zāi)害,我國(guó)近2000多年的歷史記載顯示,大規(guī)模的蝗災(zāi)發(fā)生過(guò)800多次。
與主要襲擾我國(guó)的飛蝗不同,沙漠蝗雖然僅僅分布在非洲、中東、南歐和南亞地區(qū),但有關(guān)其危害的記載可以追溯到5000多年以前。
從2019年到2020年6月,沙漠蝗的爆發(fā)從非洲之角蔓延到20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織判斷,沙漠蝗蝗災(zāi)波及區(qū)域達(dá)26萬(wàn)多公頃,規(guī)模為25年一遇,沿途1190萬(wàn)人的糧食供應(yīng)受到直接威脅。
盡管蝗災(zāi)與人類發(fā)展歷史長(zhǎng)期相伴,然而我們對(duì)蝗災(zāi)成因的科學(xué)認(rèn)識(shí)不足百年。
國(guó)際著名昆蟲學(xué)家和蝗蟲學(xué)之父尤瓦洛夫發(fā)現(xiàn),飛蝗之所以能成災(zāi)是因?yàn)榛认x可以從低密度的散居型轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊娜壕有?他因在蝗蟲研究方面的杰出貢獻(xiàn),被英國(guó)皇家授予爵士頭銜。
在尤瓦洛夫提出蝗蟲型變理論之前,人們認(rèn)為散居和群居蝗蟲是兩個(gè)不同的物種。散居型蝗蟲因密度較低,不發(fā)生遷飛,一般認(rèn)為無(wú)害,而群居型蝗蟲一旦形成就會(huì)導(dǎo)致蝗災(zāi)發(fā)生。
可是喜歡獨(dú)居的蝗蟲是如何形成蝗群的,這其中發(fā)揮關(guān)鍵作用的又是什么?
近80年來(lái),對(duì)于蝗群如何形成,科學(xué)家們提出了許多假說(shuō),比如食物、繁殖地、性成熟、群集信息素、氣候等假說(shuō)。
但是,究竟是哪一個(gè)因素起主要作用,其中的奧秘和機(jī)理又是什么?無(wú)人知曉。
向著未知前進(jìn),上世紀(jì)七十年代,科學(xué)家們逐步認(rèn)識(shí)到群聚信息素可能是蝗蟲能夠聚集的最關(guān)鍵因素。
此后,經(jīng)過(guò)50多年幾代科學(xué)家的不斷努力,有幾種化合物被認(rèn)為可能是蝗蟲的群聚信息素,這些信息素被命名為蝗醇、蝗酚等。
然而,這些化合物中沒(méi)有一個(gè)化合物能符合群聚信息素的所有標(biāo)準(zhǔn),比如有的在實(shí)驗(yàn)室有效但在野外進(jìn)行種群驗(yàn)證時(shí)沒(méi)效,有的對(duì)雌性蝗蟲有效但對(duì)雄性蝗蟲無(wú)效。
“一個(gè)合格的群聚信息素應(yīng)當(dāng)沒(méi)有性別偏好、不分大小和年齡的。”康樂(lè)強(qiáng)調(diào)。
鑒定發(fā)現(xiàn)蝗災(zāi)“罪魁禍?zhǔn)住?VA
那么,蝗蟲們?nèi)壕鄢蔀?zāi)的真相是什么?
2004年,康樂(lè)團(tuán)隊(duì)開始了蝗蟲型變基因表達(dá)調(diào)控和表觀遺傳調(diào)控的分子機(jī)理研究。
16年磨一劍,如今研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種誘惑蝗蟲破壞性集群的關(guān)鍵化學(xué)物質(zhì)。
通過(guò)分析群居型飛蝗和散居型飛蝗的體表和糞便揮發(fā)物,研究團(tuán)隊(duì)在35種化合物中鑒定到了一種化學(xué)信息素——4-乙烯基苯甲醚。
并通過(guò)一系列行為實(shí)驗(yàn)確定了其,無(wú)論是對(duì)群居型飛蝗還是散居型飛蝗、雌性飛蝗還是雄性飛蝗、飛蝗幼蟲還是飛蝗成蟲,都具有很強(qiáng)的吸引力,而且能夠響應(yīng)蝗蟲種群密度的變化,隨著種群密度增加而增加。
更有趣的是,科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)僅需4-5只散居飛蝗聚集,這種群聚信息素便可產(chǎn)生和釋放,繼而促進(jìn)形成巨大的蝗蟲群。
在上述研究的基礎(chǔ)上,研究人員在飛蝗觸角上的四種主要感器類型中,發(fā)現(xiàn)了4VA特異引起錐形感器的反應(yīng)。
在蝗蟲的上百個(gè)嗅覺受體中,他們發(fā)現(xiàn)定位在錐形感器中的嗅覺受體OR35是4VA的特異性受體。當(dāng)使用基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9敲除OR35后,飛蝗突變體的觸角與錐形感器神經(jīng)電生理反應(yīng)顯著降低,突變體也對(duì)4VA的響應(yīng)行為和吸引力喪失。
那么4VA在戶外和自然環(huán)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,通過(guò)室外草地雙選和誘捕實(shí)驗(yàn)證明4VA對(duì)實(shí)驗(yàn)室種群在戶外具有很強(qiáng)的吸引力。
進(jìn)而,他們將誘芯直接布局到蝗蟲野外發(fā)生區(qū)天津北大港,大范圍的區(qū)塊實(shí)驗(yàn)再一次證明4VA不僅能吸引野外種群,而且不受自然環(huán)境中蝗蟲背景密度的影響。
“本研究首次從化學(xué)分析、行為驗(yàn)證、神經(jīng)電生理記錄、嗅覺受體鑒定、基因敲除和野外驗(yàn)證等多個(gè)層面,對(duì)飛蝗群居信息素進(jìn)行了全面而充分的鑒定和驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)和確立了4VA是飛蝗群聚信息素,而過(guò)去報(bào)道已知的其它化合物都不具備群聚信息素的所有條件?！?/p>
在康樂(lè)看來(lái),本項(xiàng)研究范式將化學(xué)生態(tài)學(xué)的研究提高到一個(gè)新的階段,因此這項(xiàng)研究也被看作是昆蟲學(xué)研究的一個(gè)重要突破。
綠色可持續(xù)防控成為可能
長(zhǎng)期以來(lái),人們對(duì)于蝗災(zāi)的防治主要依賴化學(xué)殺蟲劑大規(guī)模的噴施,而不合理的化學(xué)農(nóng)藥的使用對(duì)食品安全、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響。
中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的最新研究不僅揭示蝗蟲群居的奧秘,更重要的是使蝗蟲的綠色和可持續(xù)防控成為可能。
康樂(lè)認(rèn)為,這項(xiàng)研究將從多個(gè)方面改變?nèi)藗兛刂苹葹?zāi)的理念和方法:
比如,利用人工合成的信息素可以在田間長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)蝗蟲種群動(dòng)態(tài),為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù);
利用人工合成的信息素可以設(shè)計(jì)誘集帶誘集蝗蟲,并在誘集帶集中使用化學(xué)農(nóng)藥或生物制劑將其消滅,從而極大地減少化學(xué)農(nóng)藥的使用;
根據(jù)4VA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拮抗劑,阻止蝗蟲的聚集;
嗅覺受體OR35的發(fā)現(xiàn),為使用基因編輯技術(shù)建立4VA反應(yīng)缺失的突變體成為可能,這種突變體長(zhǎng)期釋放到野外就可能在重災(zāi)區(qū)建立起不能群居的蝗蟲種群,既在野外維持了一定數(shù)量的蝗蟲,又達(dá)到可持續(xù)控制的目的,將環(huán)境保護(hù)與害蟲控制有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。
“因此,4VA和它的受體的發(fā)現(xiàn)將極大地改變防治蝗蟲的對(duì)策和技術(shù)?！笨禈?lè)稱。
在論文的一位匿名審稿人看來(lái),“該研究旨在闡明4VA作為群居信息素在飛蝗群聚過(guò)程中的作用,是一項(xiàng)令人印象深刻的、高技術(shù)的、深入的研究?！薄?/p>
而一位透明審稿人、美國(guó)洛克菲勒大學(xué)教授萊斯莉·沃斯霍爾則明確表示,“這項(xiàng)工作做出了令人興奮的發(fā)現(xiàn),找到了一個(gè)人們長(zhǎng)期尋找的蝗蟲群聚信息素分子,文章包含了令人吃驚的多個(gè)層次的研究?！?/p>
“這是中國(guó)科學(xué)家為國(guó)際昆蟲學(xué)和蝗蟲防治做出的巨大貢獻(xiàn),這是在經(jīng)歷50年的漫長(zhǎng)探索后,科學(xué)家們第一次真正確認(rèn)了飛蝗的群聚信息素?！?nbsp;
聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織植物生產(chǎn)與保護(hù)司司長(zhǎng)夏敬源在賀信中表示,“4VA發(fā)現(xiàn)將大大提高蝗災(zāi)的預(yù)測(cè)和控制水平,為人們開發(fā)新的蝗災(zāi)控制方法提供重要線索。同時(shí),該研究也為沙漠蝗的研究和控制提供了重要參考”。
