蝗蟲(chóng)如何聚群成災？臭味相投！

　　經(jīng)濟日報·中國經(jīng)濟網(wǎng)記者 沈 慧

　　當黑壓壓的蝗蟲(chóng)鋪天蓋地般襲來(lái)，到底有多可怕？根據聯(lián)合國糧農組織的判斷，1平方公里蝗群1天能吃掉3.5萬(wàn)人的口糧。這些“吃糧不眨眼”的蝗蟲(chóng)是如何聚群成災的？一起聽(tīng)聽(tīng)專(zhuān)家怎么說(shuō)。

　　近日，中國科學(xué)院動(dòng)物研究所康樂(lè )院士團隊在國際頂級期刊《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(wàn)只大規模聚集的蝗群，習慣獨處的飛蝗之所以放棄“自由生活”，是因為一種來(lái)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)，它能夠響應飛蝗種群密度變化，隨著(zhù)種群密度增加而增加。受其“蠱惑”，“欲罷不能”的飛蝗開(kāi)始成群結隊聚集，最終釀成毀滅性蝗災。

　　“這些發(fā)現使我們第一次真正認識到蝗蟲(chóng)的群聚信息素。這不僅可以被應用到基礎研究中，也非常有希望應用于野外蝗蟲(chóng)治理。”德國馬普化學(xué)生態(tài)研究所所長(cháng)比爾漢森表示。

　　不可忽視的蝗災危害

　　小小蝗蟲(chóng)雖其貌不揚，若數以?xún)|計聚到一起，破壞力卻是災難性的。蝗災、旱災、洪災是我國歷史上三大自然災害。近2000多年歷史記載顯示，我國發(fā)生過(guò)大規模蝗災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，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。聯(lián)合國糧農組織判斷，沙漠蝗蝗災波及區域達26萬(wàn)多公頃，規模為25年一遇，沿途1190萬(wàn)人的糧食供應受到直接威脅。

　　蝗災與人類(lèi)發(fā)展歷史長(cháng)期相伴，然而，我們對蝗災成因的科學(xué)認識不足百年。國際著(zhù)名昆蟲(chóng)學(xué)家和蝗蟲(chóng)學(xué)之父尤瓦洛夫發(fā)現，飛蝗之所以成災，是因為蝗蟲(chóng)能從低密度散居型轉變?yōu)楦呙芏热壕有汀蛟诨认x(chóng)研究方面的杰出貢獻，他被英國皇家授予爵士頭銜。而在尤瓦洛夫提出蝗蟲(chóng)型變理論之前，人們一度認為散居型和群居型蝗蟲(chóng)是兩個(gè)不同物種。散居型蝗蟲(chóng)因密度較低，不發(fā)生遷飛，一般認為無(wú)害；群居型蝗蟲(chóng)一旦形成，則會(huì )導致蝗災發(fā)生。

　　可是，喜歡獨居的蝗蟲(chóng)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(lái)，科學(xué)家們對此提出了許多假說(shuō)，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，其中的奧秘和機理又是什么？無(wú)人知曉。

　　向著(zhù)未知前進(jìn)。上世紀70年代，科學(xué)家們逐步認識到群聚信息素可能是蝗蟲(chóng)聚集的最關(guān)鍵因素。此后，經(jīng)過(guò)科學(xué)家們50多年不斷努力，有幾種化合物被認為可能是蝗蟲(chóng)的群聚信息素，被命名為蝗醇、蝗酚等。然而，這些化合物中沒(méi)有一個(gè)能符合群聚信息素所有標準，比如有的在實(shí)驗室有效，但在野外種群驗證時(shí)無(wú)效；有的對雌性蝗蟲(chóng)有效，但對雄性蝗蟲(chóng)無(wú)效。

　　“一個(gè)合格的群聚信息素應當沒(méi)有性別偏好、不分大小和年齡。”康樂(lè )強調。

　　鑒定發(fā)現蝗災“罪魁禍首”

　　那么，蝗蟲(chóng)們群聚成災的真相是什么？2004年，康樂(lè )團隊開(kāi)始了蝗蟲(chóng)型變基因表達調控與表觀(guān)遺傳調控的分子機理研究。如今，研究團隊發(fā)現了一種誘惑蝗蟲(chóng)破壞性集群的關(guān)鍵化學(xué)物質(zhì)。

　　通過(guò)分析群居型飛蝗與散居型飛蝗體表和糞便揮發(fā)物，研究團隊在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(guò)一系列行為實(shí)驗確定其無(wú)論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(chóng)還是飛蝗成蟲(chóng)，均具有很強吸引力，且能夠響應蝗蟲(chóng)種群密度變化，隨著(zhù)種群密度增加而增加。

　　更有趣的是，科學(xué)家們還發(fā)現，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(chóng)群。

　　在上述研究基礎上，研究人員在飛蝗觸角上的4種主要感器類(lèi)型中，發(fā)現了4VA特異引起錐形感器的反應。在蝗蟲(chóng)上百個(gè)嗅覺(jué)受體中，定位在錐形感器中的嗅覺(jué)受體OR35是4VA特異性受體。當使用基因編輯技術(shù)敲除OR35后，飛蝗突變體觸角與錐形感器神經(jīng)電生理反應顯著(zhù)降低，突變體也對4VA的響應行為和吸引力喪失。

　　那么，4VA在戶(hù)外和自然環(huán)境中能吸引與聚集蝗蟲(chóng)嗎？研究人員通過(guò)室外草地雙選與誘捕實(shí)驗證明，4VA對實(shí)驗室種群在戶(hù)外具有很強吸引力。進(jìn)而，他們在天津北大港大范圍實(shí)驗，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(chóng)背景密度影響。

　　“本研究首次從化學(xué)分析、行為驗證、神經(jīng)電生理記錄、嗅覺(jué)受體鑒定、基因敲除和野外驗證等多層面，對飛蝗群居信息素開(kāi)展全面充分鑒定和驗證，發(fā)現和確立了4VA才是飛蝗群聚信息素。”在康樂(lè )看來(lái)，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(chóng)學(xué)研究的一個(gè)重要突破。

　　綠色可持續防控成為可能

　　長(cháng)期以來(lái)，人們對蝗災的防治主要依賴(lài)化學(xué)殺蟲(chóng)劑大規模噴施，會(huì )對食品安全、生態(tài)系統和人類(lèi)健康產(chǎn)生巨大負面影響。這項最新研究不僅揭示蝗蟲(chóng)群居的奧秘，更重要的是，使蝗蟲(chóng)綠色、可持續防控成為可能。

　　康樂(lè )認為，這項研究將從多方面改變人們控制蝗災的理念和方法，比如利用人工合成信息素可在田間長(cháng)期監測蝗蟲(chóng)種群動(dòng)態(tài)，為預測預報服務(wù)；利用人工合成信息素可設計誘集帶誘集蝗蟲(chóng)，并在誘集帶集中使用化學(xué)農藥或生物制劑將其消滅，從而極大減少化學(xué)農藥使用；根據4VA的結構設計拮抗劑，阻止蝗蟲(chóng)聚集；嗅覺(jué)受體OR35的發(fā)現，為使用基因編輯技術(shù)建立4VA反應缺失突變體成為可能。一旦這種突變體長(cháng)期釋放到野外，就可能在重災區建立起無(wú)法群居的蝗蟲(chóng)種群，既維持了蝗蟲(chóng)一定數量，又可持續控制，將環(huán)境保護與害蟲(chóng)控制有機結合起來(lái)。

　　“因此，4VA與其受體的發(fā)現，將極大改變防治蝗蟲(chóng)對策和技術(shù)。”康樂(lè )表示。

　　“這項工作做出了令人興奮的發(fā)現，找到了一個(gè)人們長(cháng)期尋找的蝗蟲(chóng)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(chóng)學(xué)與蝗蟲(chóng)防治作出的巨大貢獻。這是在經(jīng)歷50年探索后，科學(xué)家們第一次真正確認了飛蝗的群聚信息素。”聯(lián)合國糧農組織植物生產(chǎn)與保護司司長(cháng)夏敬源在賀信中表示，“4VA的發(fā)現將大大提高蝗災的預測和控制水平，為人們開(kāi)發(fā)新的蝗災控制方法提供重要線(xiàn)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。”