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平方公里的蝗群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？
8月12日，中科院動物研究所康樂院士團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表的一項(xiàng)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)飛蝗種群密度的變化，隨著種群密度的增加而增加。受其“蠱惑”，“欲罷不能”的飛蝗開始成群結(jié)隊(duì)地聚集，最終釀成毀滅性的蝗災(zāi)。
“這些結(jié)果使我們第一次真正認(rèn)識到蝗蟲的群聚信息素。這些發(fā)現(xiàn)不僅可以被應(yīng)用到基礎(chǔ)研究中，同時也非常有希望應(yīng)用于野外蝗蟲的治理上。”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
小小的蝗蟲雖然其貌不揚(yáng)，但若數(shù)以億計的蝗蟲們聚到一起，其破壞力卻是災(zāi)難性的。
蝗災(zāi)、旱災(zāi)、洪災(zāi)，這是我國歷史上的三大自然災(zāi)害，我國近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、南歐和南亞地區(qū)，但有關(guān)其危害的記載可以追溯到5000多年以前。
從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。
盡管蝗災(zāi)與人類發(fā)展歷史長期相伴，然而我們對蝗災(zāi)成因的科學(xué)認(rèn)識不足百年。
國際著名昆蟲學(xué)家和蝗蟲學(xué)之父尤瓦洛夫發(fā)現(xiàn)，飛蝗之所以能成災(zāi)是因?yàn)榛认x可以從低密度的散居型轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊娜壕有停蛟诨认x研究方面的杰出貢獻(xiàn)，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，人們認(rèn)為散居和群居蝗蟲是兩個不同的物種。散居型蝗蟲因密度較低，不發(fā)生遷飛，一般認(rèn)為無害，而群居型蝗蟲一旦形成就會導(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，對于蝗群如何形成，科學(xué)家們提出了許多假說，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？無人知曉。
向著未知前進(jìn)，上世紀(jì)七十年代，科學(xué)家們逐步認(rèn)識到群聚信息素可能是蝗蟲能夠聚集的最關(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化合物能符合群聚信息素的所有標(biāo)準(zhǔn)，比如有的在實(shí)驗(yàn)室有效但在野外進(jìn)行種群驗(yàn)證時沒效，有的對雌性蝗蟲有效但對雄性蝗蟲無效。
“一個合格的群聚信息素應(yīng)當(dāng)沒有性別偏好、不分大小和年齡的。”康樂強(qiáng)調(diào)。
鑒定發(fā)現(xiàn)蝗災(zāi)“罪魁禍?zhǔn)住?VA
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)控和表觀遺傳調(diào)控的分子機(jī)理研究。
16年磨一劍，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和散居型飛蝗的體表和糞便揮發(fā)物，研究團(tuán)隊(duì)在35種化合物中鑒定到了一種化學(xué)信息素——4-乙烯基苯甲醚。
并通過一系列行為實(shí)驗(yàn)確定了其，無論是對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，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。
更有趣的是，科學(xué)家們還發(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。
在上述研究的基礎(chǔ)上，研究人員在飛蝗觸角上的四種主要感器類型中，發(fā)現(xiàn)了4VA特異引起錐形感器的反應(yīng)。
在蝗蟲的上百個嗅覺受體中，他們發(fā)現(xiàn)定位在錐形感器中的嗅覺受體OR35是4VA的特異性受體。當(dāng)使用基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9敲除OR35后，飛蝗突變體的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)境中能夠吸引和聚集蝗蟲嗎？
研究人員將含有4VA的誘芯布置在田間，通過室外草地雙選和誘捕實(shí)驗(yàn)證明4VA對實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)再一次證明4VA不僅能吸引野外種群，而且不受自然環(huán)境中蝗蟲背景密度的影響。
“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(yàn)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它化合物都不具備群聚信息素的所有條件。”
在康樂看來，本項(xiàng)研究范式將化學(xué)生態(tài)學(xué)的研究提高到一個新的階段，因此這項(xiàng)研究也被看作是昆蟲學(xué)研究的一個重要突破。
綠色可持續(xù)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，而不合理的化學(xué)農(nóng)藥的使用對食品安全、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響。
中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的最新研究不僅揭示蝗蟲群居的奧秘，更重要的是使蝗蟲的綠色和可持續(xù)防控成為可能。
康樂認(rèn)為，這項(xiàng)研究將從多個方面改變?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)；
利用人工合成的信息素可以設(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；
根據(jù)4VA的結(jié)構(gòu)設(shè)計拮抗劑，阻止蝗蟲的聚集；
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)缺失的突變體成為可能，這種突變體長期釋放到野外就可能在重災(zāi)區(qū)建立起不能群居的蝗蟲種群，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。
“因此，4VA和它的受體的發(fā)現(xiàn)將極大地改變防治蝗蟲的對策和技術(shù)。”康樂稱。
在論文的一位匿名審稿人看來，“該研究旨在闡明4VA作為群居信息素在飛蝗群聚過程中的作用，是一項(xiàng)令人印象深刻的、高技術(shù)的、深入的研究。”。
而一位透明審稿人、美國洛克菲勒大學(xué)教授萊斯莉·沃斯霍爾則明確表示，“這項(xiàng)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，文章包含了令人吃驚的多個層次的研究。”
“這是中國科學(xué)家為國際昆蟲學(xué)和蝗蟲防治做出的巨大貢獻(xiàn)，這是在經(jīng)歷50年的漫長探索后，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，該研究也為沙漠蝗的研究和控制提供了重要參考”。
