蝗蟲如何聚群成災(zāi)？臭味相投！
經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)·中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者 沈 慧
當(dāng)黑壓壓的蝗蟲鋪天蓋地般襲來，到底有多可怕？根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的判斷，1平方公里蝗群1天能吃掉3.5萬人的口糧。這些“吃糧不眨眼”的蝗蟲是如何聚群成災(zāi)的？一起聽聽專家怎么說。
近日，中國科學(xué)院動(dòng)物研究所康樂院士團(tuán)隊(duì)在國際頂級(jí)期刊《自然》發(fā)表研究成果，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)飛蝗種群密度變化，隨著種群密度增加而增加。受其“蠱惑”，“欲罷不能”的飛蝗開始成群結(jié)隊(duì)聚集，最終釀成毀滅性蝗災(zāi)。
“這些發(fā)現(xiàn)使我們第一次真正認(rèn)識(shí)到蝗蟲的群聚信息素。這不僅可以被應(yīng)用到基礎(chǔ)研究中，也非常有希望應(yīng)用于野外蝗蟲治理。”德國馬普化學(xué)生態(tài)研究所所長比爾漢森表示。
不可忽視的蝗災(zāi)危害
小小蝗蟲雖其貌不揚(yáng)，若數(shù)以億計(jì)聚到一起，破壞力卻是災(zāi)難性的。蝗災(zāi)、旱災(zāi)、洪災(zāi)是我國歷史上三大自然災(zāi)害。近2000多年歷史記載顯示，我國發(fā)生過大規(guī)模蝗災(zāi)800多次。
與主要襲擾我國的飛蝗不同，沙漠蝗雖然僅僅分布在非洲、中東、南歐與南亞地區(qū)，但有關(guān)其危害的記載可追溯到5000多年前。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)國家和地區(qū)。聯(lián)合國糧農(nóng)組織判斷，沙漠蝗蝗災(zāi)波及區(qū)域達(dá)26萬多公頃，規(guī)模為25年一遇，沿途1190萬人的糧食供應(yīng)受到直接威脅。
蝗災(zāi)與人類發(fā)展歷史長期相伴，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)，飛蝗之所以成災(zāi)，是因?yàn)榛认x能從低密度散居型轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏热壕有汀蛟诨认x研究方面的杰出貢獻(xiàn)，他被英國皇家授予爵士頭銜。而在尤瓦洛夫提出蝗蟲型變理論之前，人們一度認(rèn)為散居型和群居型蝗蟲是兩個(gè)不同物種。散居型蝗蟲因密度較低，不發(fā)生遷飛，一般認(rèn)為無害；群居型蝗蟲一旦形成，則會(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，科學(xué)家們對(duì)此提出了許多假說，比如食物、繁殖地、性成熟、群集信息素、氣候等。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？無人知曉。
向著未知前進(jìn)。上世紀(jì)70年代，科學(xué)家們逐步認(rèn)識(shí)到群聚信息素可能是蝗蟲聚集的最關(guān)鍵因素。此后，經(jīng)過科學(xué)家們50多年不斷努力，有幾種化合物被認(rèn)為可能是蝗蟲的群聚信息素，被命名為蝗醇、蝗酚等。然而，這些化合物中沒有一個(gè)能符合群聚信息素所有標(biāo)準(zhǔn)，比如有的在實(shí)驗(yàn)室有效，但在野外種群驗(yàn)證時(shí)無效；有的對(duì)雌性蝗蟲有效，但對(duì)雄性蝗蟲無效。
“一個(gè)合格的群聚信息素應(yīng)當(dāng)沒有性別偏好、不分大小和年齡。”康樂強(qiáng)調(diào)。
鑒定發(fā)現(xiàn)蝗災(zāi)“罪魁禍?zhǔn)住?/strong>
那么，蝗蟲們?nèi)壕鄢蔀?zāi)的真相是什么？2004年，康樂團(tuán)隊(duì)開始了蝗蟲型變基因表達(dá)調(diào)控與表觀遺傳調(diào)控的分子機(jī)理研究。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)。
通過分析群居型飛蝗與散居型飛蝗體表和糞便揮發(fā)物，研究團(tuán)隊(duì)在35種化合物中鑒定到一種化學(xué)信息素——4-乙烯基苯甲醚，并通過一系列行為實(shí)驗(yàn)確定其無論對(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，均具有很強(qiáng)吸引力，且能夠響應(yīng)蝗蟲種群密度變化，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只至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)形成巨大蝗蟲群。
在上述研究基礎(chǔ)上，研究人員在飛蝗觸角上的4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)。在蝗蟲上百個(gè)嗅覺受體中，定位在錐形感器中的嗅覺受體OR35是4VA特異性受體。當(dāng)使用基因編輯技術(shù)敲除OR35后，飛蝗突變體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)境中能吸引與聚集蝗蟲嗎？研究人員通過室外草地雙選與誘捕實(shí)驗(yàn)證明，4VA對(duì)實(shí)驗(yàn)室種群在戶外具有很強(qiáng)吸引力。進(jìn)而，他們?cè)谔旖虮贝蟾鄞蠓秶鷮?shí)驗(yàn)，再一次證明4VA不僅能吸引野外種群，且不受自然環(huán)境中蝗蟲背景密度影響。
“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)證等多層面，對(duì)飛蝗群居信息素開展全面充分鑒定和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)和確立了4VA才是飛蝗群聚信息素。”在康樂看來，本研究將化學(xué)生態(tài)學(xué)研究提高到一個(gè)新階段，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
長期以來，人們對(duì)蝗災(zāi)的防治主要依賴化學(xué)殺蟲劑大規(guī)模噴施，會(huì)對(duì)食品安全、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生巨大負(fù)面影響。這項(xiàng)最新研究不僅揭示蝗蟲群居的奧秘，更重要的是，使蝗蟲綠色、可持續(xù)防控成為可能。
康樂認(rèn)為，這項(xiàng)研究將從多方面改變?nèi)藗兛刂苹葹?zāi)的理念和方法，比如利用人工合成信息素可在田間長期監(jiān)測蝗蟲種群動(dòng)態(tài)，為預(yù)測預(yù)報(bào)服務(wù)；利用人工合成信息素可設(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，從而極大減少化學(xué)農(nóng)藥使用；根據(jù)4VA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拮抗劑，阻止蝗蟲聚集；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)缺失突變體成為可能。一旦這種突變體長期釋放到野外，就可能在重災(zāi)區(qū)建立起無法群居的蝗蟲種群，既維持了蝗蟲一定數(shù)量，又可持續(xù)控制，將環(huán)境保護(hù)與害蟲控制有機(jī)結(jié)合起來。
“因此，4VA與其受體的發(fā)現(xiàn)，將極大改變防治蝗蟲對(duì)策和技術(shù)。”康樂表示。
“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)層次研究。”美國洛克菲勒大學(xué)教授萊斯莉·沃斯霍爾明確表示。
“這是中國科學(xué)家為國際昆蟲學(xué)與蝗蟲防治作出的巨大貢獻(xiàn)。這是在經(jīng)歷50年探索后，科學(xué)家們第一次真正確認(rèn)了飛蝗的群聚信息素。”聯(lián)合國糧農(nóng)組織植物生產(chǎn)與保護(hù)司司長夏敬源在賀信中表示，“4VA的發(fā)現(xiàn)將大大提高蝗災(zāi)的預(yù)測和控制水平，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。”