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1平方公里蝗群1天吃掉3.5萬人口糧 蝗蟲如何聚群成災(zāi)

沈慧 發(fā)布時間:2020-08-30 09:15:00來源: 經(jīng)濟日報

  蝗蟲如何聚群成災(zāi)?臭味相投!

  經(jīng)濟日報·中國經(jīng)濟網(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)院動物研究所康樂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只大規(guī)模聚集的蝗群,習(xí)慣獨處的飛蝗之所以放棄“自由生活”,是因為一種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識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?!钡聡R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,若數(shù)以億計聚到一起,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)?;葹?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,我們對蝗災(zāi)成因的科學(xué)認識不足百年。國際著名昆蟲學(xué)家和蝗蟲學(xué)之父尤瓦洛夫發(fā)現(xiàn),飛蝗之所以成災(zāi),是因為蝗蟲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,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,人們一度認為散居型和群居型蝗蟲是兩個不同物種。散居型蝗蟲因密度較低,不發(fā)生遷飛,一般認為無害;群居型蝗蟲一旦形成,則會導(dǎo)致蝗災(zāi)發(fā)生。

  可是,喜歡獨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,究竟是哪一個因素起主要作用,其中的奧秘和機理又是什么?無人知曉。

  向著未知前進。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能符合群聚信息素所有標(biāo)準(zhǔn),比如有的在實驗室有效,但在野外種群驗證時無效;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。”康樂強調(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,康樂團隊開始了蝗蟲型變基因表達調(diào)控與表觀遺傳調(diào)控的分子機理研究。如今,研究團隊發(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,并通過一系列行為實驗確定其無論對群居型飛蝗還是散居型飛蝗、雌性飛蝗還是雄性飛蝗、飛蝗幼蟲還是飛蝗成蟲,均具有很強吸引力,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驗證明,4VA對實驗室種群在戶外具有很強吸引力。進而,他們在天津北大港大范圍實驗,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展全面充分鑒定和驗證,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)研究提高到一個新階段,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,人們對蝗災(zāi)的防治主要依賴化學(xué)殺蟲劑大規(guī)模噴施,會對食品安全、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生巨大負面影響。這項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。

  康樂認為,這項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)測蝗蟲種群動態(tài),為預(yù)測預(yù)報服務(wù);利用人工合成信息素可設(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,從而極大減少化學(xué)農(nóng)藥使用;根據(jù)4VA的結(jié)構(gòu)設(shè)計拮抗劑,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)境保護與害蟲控制有機結(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策和技術(shù)。”康樂表示。

  “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,文章包含了令人吃驚的多個層次研究?!泵绹蹇朔评沾髮W(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。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?!甭?lián)合國糧農(nóng)組織植物生產(chǎn)與保護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,該研究也為沙漠蝗的研究和控制提供了重要參考?!?/p>

(責(zé)編: 賈春玲)

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