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[科技新闻] 蝗虫缘何聚群成灾?最新研究:“臭味相投”

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发表于 2020-8-16 06:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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当黑压压的蝗虫铺天盖地般袭来,到底有多可怕?根据联合国粮农组织的判断,1平方公里的蝗群1天能吃掉3.5万人的口粮。

这些吃粮不眨眼的蝗虫是如何聚群成灾的?

8月12日,中科院动物研究所康乐院士团队在《自然》发表的一项研究成果,揭示了飞蝗“群体作恶”的奥秘:

从三三两两散居的飞蝗到成千上万只大规模聚集的蝗群,习惯独处的飞蝗之所以放弃“自由生活”,是因为一种来自群居型飞蝗特异性挥发的气味。

这种气味中含有一种释放量低但生物活性非常高的化合物,名为4-vinylanisole(4VA,4-乙烯基苯甲醚),它能够响应飞蝗种群密度的变化,随着种群密度的增加而增加。受其“蛊惑”,“欲罢不能”的飞蝗开始成群结队地聚集,最终酿成毁灭性的蝗灾。

“这些结果使我们第一次真正认识到蝗虫的群聚信息素。这些发现不仅可以被应用到基础研究中,同时也非常有希望应用于野外蝗虫的治理上。”德国马普化学生态研究所所长比尔汉森表示。

不可忽视的蝗灾危害

小小的蝗虫虽然其貌不扬,但若数以亿计的蝗虫们聚到一起,其破坏力却是灾难性的。

蝗灾、旱灾、洪灾,这是我国历史上的三大自然灾害,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。

与主要袭扰我国的飞蝗不同,沙漠蝗虽然仅仅分布在非洲、中东、南欧和南亚地区,但有关其危害的记载可以追溯到5000多年以前。

从2019年到2020年6月,沙漠蝗的爆发从非洲之角蔓延到20多个国家和地区。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,沿途1190万人的粮食供应受到直接威胁。

尽管蝗灾与人类发展历史长期相伴,然而我们对蝗灾成因的科学认识不足百年。

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,他因在蝗虫研究方面的杰出贡献,被英国皇家授予爵士头衔。

在尤瓦洛夫提出蝗虫型变理论之前,人们认为散居和群居蝗虫是两个不同的物种。散居型蝗虫因密度较低,不发生迁飞,一般认为无害,而群居型蝗虫一旦形成就会导致蝗灾发生。

可是喜欢独居的蝗虫是如何形成蝗群的,这其中发挥关键作用的又是什么?

近80年来,对于蝗群如何形成,科学家们提出了许多假说,比如食物、繁殖地、性成熟、群集信息素、气候等假说。

但是,究竟是哪一个因素起主要作用,其中的奥秘和机理又是什么?无人知晓。

向着未知前进,上世纪七十年代,科学家们逐步认识到群聚信息素可能是蝗虫能够聚集的最关键因素。

此后,经过50多年几代科学家的不断努力,有几种化合物被认为可能是蝗虫的群聚信息素,这些信息素被命名为蝗醇、蝗酚等。

然而,这些化合物中没有一个化合物能符合群聚信息素的所有标准,比如有的在实验室有效但在野外进行种群验证时没效,有的对雌性蝗虫有效但对雄性蝗虫无效。

“一个合格的群聚信息素应当没有性别偏好、不分大小和年龄的。”康乐强调。

鉴定发现蝗灾“罪魁祸首”4VA

那么,蝗虫们群聚成灾的真相是什么?

2004年,康乐团队开始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。

16年磨一剑,如今研究团队发现了一种诱惑蝗虫破坏性集群的关键化学物质。

通过分析群居型飞蝗和散居型飞蝗的体表和粪便挥发物,研究团队在35种化合物中鉴定到了一种化学信息素——4-乙烯基苯甲醚。

并通过一系列行为实验确定了其,无论是对群居型飞蝗还是散居型飞蝗、雌性飞蝗还是雄性飞蝗、飞蝗幼虫还是飞蝗成虫,都具有很强的吸引力,而且能够响应蝗虫种群密度的变化,随着种群密度增加而增加。

更有趣的是,科学家们还发现仅需4-5只散居飞蝗聚集,这种群聚信息素便可产生和释放,继而促进形成巨大的蝗虫群。

在上述研究的基础上,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。”

在康乐看来,本项研究范式将化学生态学的研究提高到一个新的阶段,因此这项研究也被看作是昆虫学研究的一个重要突破。

绿色可持续防控成为可能

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,而不合理的化学农药的使用对食品安全、生态系统和人类健康产生了巨大的负面影响。

中国科学家团队的最新研究不仅揭示蝗虫群居的奥秘,更重要的是使蝗虫的绿色和可持续防控成为可能。

康乐认为,这项研究将从多个方面改变人们控制蝗灾的理念和方法:

比如,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;

利用人工合成的信息素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;

根据4VA的结构设计拮抗剂,阻止蝗虫的聚集;

嗅觉受体OR35的发现,为使用基因编辑技术建立4VA反应缺失的突变体成为可能,这种突变体长期释放到野外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。

“因此,4VA和它的受体的发现将极大地改变防治蝗虫的对策和技术。”康乐称。

在论文的一位匿名审稿人看来,“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。”。

而一位透明审稿人、美国洛克菲勒大学教授莱斯莉·沃斯霍尔则明确表示,“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。”

“这是中国科学家为国际昆虫学和蝗虫防治做出的巨大贡献,这是在经历50年的漫长探索后,科学家们第一次真正确认了飞蝗的群聚信息素。”

联合国粮农组织植物生产与保护司司长夏敬源在贺信中表示,“4VA发现将大大提高蝗灾的预测和控制水平,为人们开发新的蝗灾控制方法提供重要线索。同时,该研究也为沙漠蝗的研究和控制提供了重要参考”。

来源:经济日报经点科学工作室

记者:沈慧
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