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半个世纪“追凶” 科学家终发现蝗虫聚群成灾祸首

来源:科技日报2020-08-14 08:55

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  半个世纪“追凶” 科学家终发现蝗虫聚群成灾祸首

  本报记者 陆成宽

  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。13日,中国科学院召开新闻发布会,介绍中国科学院动物研究所康乐院士团队在《自然》上发表的一项揭示蝗虫聚群成灾奥秘的研究成果。研究人员鉴定出飞蝗群聚的信息素4VA(4-乙烯基苯甲醚),正是它导致了蝗虫聚群成灾。

  飞蝗是世界上分布最广泛的蝗虫,我国的历史记载显示,大规模的蝗灾发生过800多次。2019年至2020年6月,沙漠蝗在东非及西亚暴发,并蔓延到20多个国家和地区。

  尽管蝗灾与人类发展历史长期相伴,但科学家一直没有搞清楚蝗灾的成因。近80年来,对蝗群如何形成有许多的假说,比如食物、繁殖地、群集信息素等假说,但是究竟是哪一个因素起主要作用以及其中的奥秘和机理并没有在科学上被揭示。

  上世纪七十年代,科学家们才逐步认识到群聚信息素可能是导致蝗虫能够聚集的最关键因素。经过50多年的努力,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。但是,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,特别是没有野外种群验证的证据。

  康乐院士团队通过分析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化合物4VA。研究人员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。

  同时,在飞蝗触角上的四种主要感器类型中,研究人员发现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。

  虽然4VA在实验室能够吸引和聚集蝗虫,但证明它在自然环境中也具有同样的作用至关重要。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。

  “研究首次从化学分析、行为验证、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,本项研究范式将化学生态学的研究提高到一个新的阶段。”康乐说。这项研究被认为是昆虫学研究的一个重要突破。

  对此,透明审稿人、美国科学院院士、美国洛克菲勒大学莱斯莉·沃斯霍尔教授在审稿意见中表示,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。

  康乐表示,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。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。

  (科技日报北京8月13日电)

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