中國科學(xué)家對世界的又一個重大科學(xué)貢獻(xiàn)
蝗災(zāi)追兇16年
人們很難想象，即便是到了21世紀(jì)的今天，“蝗災(zāi)”這個看似久遠(yuǎn)、曾肆虐人類上千年的災(zāi)害，也并未隨著人類社會的進(jìn)步、科技高度發(fā)達(dá)而消失。
今年以來，全球多地遭遇蝗災(zāi)，再次敲響人類警鐘：“東非正遭遇70年以來最嚴(yán)重的蝗災(zāi)”“南亞國家印度再遭蝗災(zāi)襲擊，部分城市進(jìn)入警戒狀態(tài)”“蝗災(zāi)肆虐逼近我國云南，多地相繼發(fā)生黃脊竹蝗災(zāi)害”……關(guān)乎人類立身之本的糧食安全問題，直接受到威脅。
蝗蟲，這種只有手指大小的小蟲子，看起來人畜無害，為何一旦聚集成群便會成災(zāi)？人們不解，一度認(rèn)為蝗蟲來襲就是“天災(zāi)”?；认x成災(zāi)的原因找不到，人類的飯碗就難說端得踏實。
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院動物研究所研究員康樂帶領(lǐng)團(tuán)隊歷時16年追蹤研究，終于找到蝗蟲聚群成災(zāi)的奧秘。8月12日，這一重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
1平方公里蝗群1天吃掉3.5萬人的口糧
蝗蟲鋪天蓋地般襲來時，便會帶來遮天蔽日的景象，所過之處寸草不留。也因此，蝗災(zāi)被認(rèn)為是與旱災(zāi)、洪災(zāi)齊名的我國三大自然災(zāi)害，曾造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)損失。
這其中，沙漠蝗、飛蝗兩種蝗蟲災(zāi)害，又被認(rèn)為是人類主要的生物災(zāi)害之一。
康樂告訴中青報·中青網(wǎng)記者，飛蝗是世界上分布最廣泛的蝗蟲，是非洲、亞洲、中東和澳大利亞的主要農(nóng)業(yè)害蟲。我國2000多年的歷史記載顯示，大規(guī)模的蝗災(zāi)發(fā)生過800多次。與飛蝗不同，沙漠蝗雖然僅僅分布在非洲、中東、南歐和南亞地區(qū)，但危害的記載可以追溯到5000多年以前。
直到今天，這種危害還在繼續(xù)。中國科學(xué)院動物研究所研究員戈峰說，大概平均每5年全球就會發(fā)生一次蝗災(zāi)。
就在2019年到2020年6月，沙漠蝗的暴發(fā)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(qū)。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的判斷，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，1平方公里的蝗群1天能吃掉3.5萬人的口糧，沿途1190萬人的糧食供應(yīng)受到直接威脅。
戈峰說，近年來，俄羅斯、北美和南美也遭遇到當(dāng)?shù)鼗认x的襲擾。在世界范圍內(nèi)，蝗災(zāi)仍然對農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境構(gòu)成重大威脅。
百年未解科學(xué)難題
盡管蝗災(zāi)與人類發(fā)展歷史長期相伴，然而人們對蝗災(zāi)成因的科學(xué)認(rèn)識不足百年。
1921年，被稱作“蝗蟲學(xué)之父”的國際著名昆蟲學(xué)家尤瓦洛夫發(fā)現(xiàn)，飛蝗之所以能成災(zāi)是因為蝗蟲可以從低密度的散居型，轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊娜壕有?，他因在蝗蟲研究方面的杰出貢獻(xiàn)，被英國皇家授予爵士頭銜。
說白了，散居型的蝗蟲，因密度較低，不發(fā)生遷飛，可以認(rèn)為是無害的，而群居型蝗蟲一旦形成，很可能導(dǎo)致蝗災(zāi)發(fā)生。
那么，散居的蝗蟲，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年里，科學(xué)家對此提出許多假說，比如食物、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，其中的奧秘和機(jī)理又是什么？并沒有人能真正說清楚。
直到上世紀(jì)70年代，科學(xué)家才逐漸意識到，群聚信息素可能是蝗蟲聚集的最關(guān)鍵因素。
此后，經(jīng)過50多年幾代科學(xué)家的不斷努力，有幾種化合物被認(rèn)為可能是蝗蟲的群聚信息素，這些信息素被命名為蝗醇、蝗酚等。
“然而，這些化合物中，沒有一個能夠符合群聚信息素的所有標(biāo)準(zhǔn)，特別是沒有野外種群驗證的證據(jù)。”康樂說，比如有的在實驗室有效，但在野外進(jìn)行種群驗證時沒效，有的對雌性蝗蟲有效，但對雄性蝗蟲無效。
致使蝗蟲群聚成災(zāi)的真兇究竟是誰？中國科學(xué)家踏上了“追兇”之路。
歷時16年找到真兇
2004年，康樂帶領(lǐng)科研團(tuán)隊開始了蝗蟲型變基因表達(dá)調(diào)控和表觀遺傳調(diào)控的分子機(jī)理研究。16年過去，他們終于找到一種誘惑蝗蟲破壞性集群的關(guān)鍵化學(xué)物質(zhì)——4-乙烯基苯甲醚(以下簡稱4VA)。
“這是一種釋放量低但生物活性非常高的化合物。”康樂告訴記者，科研團(tuán)隊通過分析群居型飛蝗和散居型飛蝗的體表和糞便揮發(fā)物，在35種化合物中找到了它。
有意思的是，這種化學(xué)物質(zhì)，無論是對群居型飛蝗還是散居型飛蝗，無論雌性飛蝗還是雄性飛蝗，無論飛蝗幼蟲還是飛蝗成蟲，都具有很強(qiáng)的吸引力，而且能夠響應(yīng)蝗蟲種群密度的變化，隨著種群密度增加而增加。
康樂團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，僅需4-5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)形成巨大的蝗蟲群。
“這說明它具有很低的誘發(fā)閾值。”康樂說。換言之，在野外，可能只需要小范圍的蝗蟲聚集，就能釋放4VA，繼而吸引更多的蝗蟲加入進(jìn)來，讓蝗蟲隊伍越來越大。
當(dāng)然，這只是實驗室的結(jié)果?？茖W(xué)家還要去自然環(huán)境中進(jìn)一步驗證。
科研人員將含有4VA的誘芯布置在田間，通過室外草地雙選和誘捕實驗證明，4VA對實驗室種群在戶外具有很強(qiáng)的吸引力。
進(jìn)而，他們將誘芯直接布局到蝗蟲野外發(fā)生區(qū)天津北大港，大范圍的區(qū)塊實驗再一次證明：4VA不僅能吸引野外種群，還能不受自然環(huán)境中蝗蟲背景密度的影響。
至此，康樂團(tuán)隊判斷，致使蝗蟲成群的“真兇”之一就是4VA。
在康樂看來，該研究第一次從化學(xué)分析、行為驗證、神經(jīng)電生理記錄、嗅覺受體鑒定、基因敲除和野外驗證等多個層面，對飛蝗群居信息素進(jìn)行了全面而充分的鑒定和驗證，發(fā)現(xiàn)和確立了4VA是飛蝗群聚信息素，而過去報道已知的其他化合物都不具備群聚信息素的所有條件。
該成果文章在審稿之際，3位《自然》雜志審稿人對文章分別給予了高度評價，其中兩位匿名審稿人認(rèn)為：“該研究是一項令人印象深刻的、高技術(shù)的、深入的研究”“研究聚焦于一個極具吸引力的生物學(xué)問題，在這個領(lǐng)域取得了非常重要的進(jìn)展”。
一位透明審稿人是國際著名神經(jīng)生物學(xué)家、美國科學(xué)院院士、美國洛克菲勒大學(xué)教授萊斯莉·沃斯霍爾，她在審稿意見中明確表示：“這項工作做出了令人興奮的發(fā)現(xiàn)，找到了一個人們長期尋找的蝗蟲群聚信息素分子。我給予無條件的支持，這項杰出工作應(yīng)不受任何拖延地在《自然》雜志上發(fā)表。”
蝗災(zāi)綠色防控成為可能
長期以來，人們對于蝗災(zāi)的防治主要依賴化學(xué)殺蟲劑大規(guī)模的噴施。康樂在發(fā)布會結(jié)束后接受記者采訪時說，此次研究不僅揭示了蝗蟲群居的奧秘，更重要的是使蝗蟲的綠色和可持續(xù)防控成為可能。
“我們發(fā)現(xiàn)，4VA來源于蝗蟲吃下去的植物，人工合成非常容易，也很便宜。”康樂說，利用人工合成的信息素可以在田間長期監(jiān)測蝗蟲種群動態(tài)，為預(yù)測預(yù)報服務(wù)；可以設(shè)計誘集帶誘集蝗蟲，并在誘集帶集中使用化學(xué)農(nóng)藥或生物制劑將其消滅，從而極大地減少化學(xué)農(nóng)藥的使用；還可以根據(jù)4VA的結(jié)構(gòu)設(shè)計拮抗劑，阻止蝗蟲的聚集。
據(jù)他介紹，科研人員還在蝗蟲的上百個嗅覺受體中，發(fā)現(xiàn)了4VA的特異性受體，利用基因編輯技術(shù)敲除這種受體后，4VA對飛蝗的吸引力和飛蝗對4VA的響應(yīng)行為就喪失了。
“這告訴我們，可以培養(yǎng)這種突變體飛蝗，并長期釋放到野外，這樣就可能在重災(zāi)區(qū)建立起‘不能群居’的蝗蟲種群。如此一來，既在野外維持了一定數(shù)量的蝗蟲，又達(dá)到可持續(xù)控制的目的，將環(huán)境保護(hù)與害蟲控制有機(jī)地結(jié)合起來。”康樂說，4VA和它受體的發(fā)現(xiàn)將極大地改變防治蝗蟲的對策和技術(shù)。
“這是中國科學(xué)家為國際昆蟲學(xué)和蝗蟲防治作出的巨大貢獻(xiàn)。”聯(lián)合國糧農(nóng)組織植物生產(chǎn)與保護(hù)司司長夏敬源專門為這一成果發(fā)來賀信。他說，這是在經(jīng)歷50年的漫長探索后，科學(xué)家第一次真正確認(rèn)了飛蝗的群聚信息素；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。
簡單梳理可以看到，人類對蝗蟲聚群成災(zāi)的認(rèn)識，迄今已經(jīng)歷幾個重要突破：第一個是尤瓦洛夫提出的著名的蝗蟲型變理論，該理論提出后，全球先后發(fā)現(xiàn)大約10種最具危險性的蝗蟲都有型變現(xiàn)象。第二個重要突破是英國科學(xué)家辛普森領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，在上世紀(jì)90年代建立的沙漠蝗群居型與散居型行為判別模式和生理學(xué)特征。第三個重要突破，就是康樂院士團(tuán)隊從2004年起，開啟的蝗蟲型變基因表達(dá)調(diào)控與表觀遺傳調(diào)控機(jī)制的分子機(jī)理研究，在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊如今發(fā)現(xiàn)飛蝗群聚信息素，揭示出飛蝗群聚的奧秘。
中科院院士、深圳華大基因研究院理事長楊煥明在評價這一成果時說，這是繼參與人類基因組、水稻基因組計劃之后，中國科學(xué)家對世界的又一個重大科學(xué)貢獻(xiàn)。（記者 邱晨輝）
