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我国科学家首次发现蝗虫群聚成灾奥秘 绿色控蝗成为可能

发布时间: 2020-08-18 09:13

 新华网北京8月13日电(王莹)在世界范围内,蝗灾对农业、经济和环境构成重大威胁。揭秘蝗虫聚群成灾的原因,是各国科学家不懈努力的重要课题。近日,中国科学院动物研究所康乐院士团队首次发现和确立了一种蝗虫群聚信息素——4-乙烯基苯甲醚(4VA),从而揭示了蝗虫聚群成灾的奥秘。这一成果已在国际学术期刊《自然》上发表。

蝗虫为何聚群成灾?百年来科学家一直在追寻

今年春季肆虐世界多地的沙漠蝗让人们再一次感受到蝗灾对农业和经济造成的损失。虽然仅仅分布在非洲、中东、南欧和南亚地区,但其危害的记载可以追溯到5000多年以前。与此同时,作为世界上分布最广泛的蝗虫,飞蝗曾对我国农业生产造成严重影响,至今仍然是非洲、亚洲、中东和澳大利亚的重要农业害虫。“这两种蝗虫灾害一直被认为是人类主要的瘟疫之一。在世界范围内,蝗灾仍然对农业、经济和环境构成重大威胁。”在13日召开的成果发布会上,康乐院士表示。

记者了解到,尽管蝗灾与人类发展历史长期相伴,但真正从科学上对蝗灾成因的认识不足百年。在很长一段时间内,人们认为散居和群居蝗虫是两个不同的物种。散居型蝗虫因密度较低,不发生迁飞,一般认为无害。群居型蝗虫一旦形成就会导致蝗灾发生,蝗群会大规模移动或迁飞导致更大范围的蝗灾发生。

上世纪20年代,国际著名昆虫学家和蝗虫学之父尤瓦洛夫发现飞蝗之所以能成灾,是因为蝗虫可以从低密度的散居型转变为高密度的群居型,这为之后科学家的研究提供了重要启示。

近80年来,对蝗群如何形成有许多假说,包括食物、繁殖地、性成熟、群聚信息素、气候等,但究竟哪一个因素起主要作用以及其中的奥秘和机理是什么,并没有在科学上被揭示。

直到上世纪七十年代,科学家们逐步认识到群聚信息素可能是蝗虫能够聚集的最关键因素。“科学家们经过努力,认为有几种化合物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。”康乐解释道。

首次发现并确认蝗虫群聚信息素 昆虫学研究的重要突破

在前期数年的研究基础之上,近日,康乐院士团队通过分析飞蝗群居型和散居型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)。

对此,康乐在成果发布会上表示,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。

据了解,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。”康乐在回答记者提问时表示。

4VA在实验室得到确认,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。

与会专家一致认为,此次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聚信息素进行了全面充分的鉴定和验证,发现和确立了4VA是飞蝗群聚信息素,而过去已知的其它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,也是昆虫学研究的一个重要突破。

改变控蝗理念 蝗虫的绿色和可持续防控成为可能

对于研究的应用前景,康乐表示,该研究不仅揭示了蝗虫群聚的奥秘,而且使蝗虫的绿色和可持续防控成为可能。“长期以来,人们对于蝗灾的防治主要依赖化学杀虫剂大规模的喷施,但不合理的化学农药的使用对食品安全、生态系统和人类健康会产生负面影响。4VA和它的受体的发现将从多个方面改变人们控制蝗灾的理念和方法。”

据了解,依据此次研究,今后可以利用人工合成的信息素在田间长期监测蝗虫种群动态,为预测预报服务。同时,也可以利用人工合成的信息素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。

此外,康乐介绍,根据4VA的结构可以设计出相应的拮抗剂,从而阻止蝗虫的聚集。同时,嗅觉受体OR35的发现,令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。”