面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

首頁 > 科研進展

科學家揭示蝗蟲聚群成災的奧秘

2020-08-13 動物研究所
【字體:

語音播報

[video:20200814我国科學家揭示蝗蟲聚群成災的奧秘]

  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。飛蝗至今仍然是非洲、亞洲、中東和澳大利亞的重要農業害蟲。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。從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。聯合國糧農組織(FAO)判斷,沙漠蝗蝗災波及區域達26萬多公頃,規模爲25年一遇,1平方公裏的蝗群1天就能吃掉3.5萬人的口糧,該地區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。在世界範圍內,蝗災仍然對農業、經濟和環境構成重大威脅。

  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。20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,中科院動物研究所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他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。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,我给予我无条件地支持,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。

  人類對蝗蟲聚群成災的認識經曆了幾個重要突破。首先是尤瓦洛夫(Uvarov,1921)提出的著名的蝗蟲型變理論。該理論提出之後,先後在世界上發現大約有10種最具危險性的蝗蟲都有型變現象。第二個重要突破是英國科學家辛普森(Simpson)領導的團隊在20世紀90年代建立的沙漠蝗群居型與散居型行爲判別模式和生理學特征。第三個重要的突破是來自于中科院康樂院士團隊,他們從2004年起,開啓了蝗蟲型變基因表達調控和表觀遺傳調控的分子機理研究。現在,他們又發現了飛蝗群聚信息素,揭示了飛蝗群聚的奧秘。這一發現具有重要的理論意義與應用價值,進一步推動了國際蝗蟲領域的研究。該研究工作以4-vinylanisole is an aggregation pheromone in locusts爲題,于8月12日正式在Nature发表(doi: 10.1038/s41586-020-2610-4)。该研究得到了中科院战略性先导科技专项、国家基金委重点项目等的支持。

飛蝗(Locusta migratoria

飛蝗群聚信息素4VA的鑒定與功能研究

打印 責任編輯:侯茜

© 1996 - 中国科学院 版权所有 京ICP備05002857號 京公網安備110402500047號

地址:北京市三里河路52号 邮编:100864

电话: 86 10 68597114(总机) 86 10 68597289(值班室)

编辑部郵箱:casweb@cashq.ac.cn