-飞蝗灾变的奥秘
发布时间:2020-08-13
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-飞蝗灾变的奥秘

飞蝗。中科院动物所供图

一只蚂蚱有啥可怕?如果有人告诉你,这些在草丛里蹦蹦跳跳的小虫一天就能吃掉3.5万人的口粮呢?实际上,在很多人的记忆里,蝗虫就是饥饿的代名词,当“蝗灾”来袭,那遮天蔽日的末日景象更是不折不扣的“童年阴影”。

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”。但中国科学院院士、中科院动物研究所研究员康乐偏偏不信这个“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。

与旱涝齐名的第三大灾

蝗灾与旱灾、洪灾并称我国历史上的三大自然灾害,曾造成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,是非洲、亚洲、中东和澳大利亚的重要农业害虫。

而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。

“蝗虫是世界性的害虫。”中科院动物所研究员戈峰介绍,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。

蝗灾不仅仅存在于人们的记忆里。就在最近的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。据联合国粮农组织判断,沙漠蝗蝗灾波及区域达26万多公顷,规模为25年一遇,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,就在去年,历史上很少发生蝗灾的美国也中招了。

“我国也是飞蝗蝗灾的重灾区。”康乐说,“在世界范围内,蝗灾对农业、经济和环境都构成了重大威胁。”

尽管蝗灾与人类发展历史长期相伴,但人类对蝗灾成因的科学认识却并不与之相衬。1921年,国际著名昆虫学家和蝗虫学之父尤瓦洛夫发现飞蝗之所以能成灾,是因为蝗虫可以从低密度的散居型转变为高密度的群居型;而直到上世纪70年代,国际科学家才逐渐意识到,群聚信息素可能是蝗虫聚集的最关键因素。

可是几十年过去了,科学家还是没能找到这种关键的物质,似乎没有一种化合物能够符合群聚信息素的所有标准。

隐秘的关键证据究竟在哪?这引起了康乐的极大兴趣。

飞蝗为何“腾达”?

最近,康乐团队分析了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,它是一种释放量低但生物活性非常高的化合物4-乙烯基苯甲醚(4VA)。

科研人员通过一系列行为实验确定,4VA对群居型和散居型飞蝗都有很强的吸引力,而且这种吸引不分年龄,不分性别。

“我们发现,4VA这种信息素是群居型特异性释放的的信息素,在散居型蝗虫中基本检测不到。但只要有4~5只散居型蝗虫聚集在一起,信息素的释放就可以启动,这说明它具有很低的诱发阈值。”康乐告诉《中国科学报》,“我们认为,在野外可能只是小范围的蝗虫聚集就能开始释放4VA,继而招募更多的蝗虫加入进来,使蝗虫的群体越来越大。”

那么,4VA在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,发现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、基因敲除和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,本项研究范式将化学生态学的研究提高到一个新的阶段。

论文审稿人之一、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。”。

绿色防治照进现实

长期以来,人们对于蝗灾的防治主要依赖化学杀虫剂大规模的喷施。但康乐团队的这项研究不仅揭示了蝗虫群居的奥秘,而且使蝗虫的绿色和可持续防控成为可能。

“我们发现,4VA是来源于蝗虫吃下去的植物,人工合成非常容易,也很便宜。”康乐说,利用利用人工合成的信息素可以在田间长期监测蝗虫种群动态,为预测预报服务;可以设计诱集带诱集蝗虫,并在诱集带集中使用化学农药或生物制剂将其消灭,从而极大地减少化学农药的使用;还可以根据4VA的结构设计拮抗剂,阻止蝗虫的聚集。

同时,科研人员还在蝗虫的上百个嗅觉受体中,发现了4VA的特异性受体,利用基因编辑技术敲除这种受体后,飞蝗对4VA的响应行为和吸引力就丧失了。

这提示人们可以培养这种突变体飞蝗,并长期释放到野外,这样就可能在重灾区建立起不能群居的蝗虫种群,既在野外维持了一定数量的蝗虫,又达到可持续控制的目的,将环境保护与害虫控制有机地结合起来。

“论文上线的第一时间我就阅读了这篇文章。”清华大学教授程功评价称,“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、国家自然科学基金委员会原主任陈宜喻还记得多年前,康乐等人大箱子小箱子地把蝗虫从野外搬回实验室里的情景。“他在上世纪90年代就认识到要把宏观生物学和微观生物学整合在一起,用分子生物学的技术进步去解决宏观科学问题。这项重大成果是康乐团队锲而不舍、长期坚持的结果。”

也许假以时日,当人们再次想起蝗虫的时候,联想到的将会是不一样的关键词。



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