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　　[video:20200814我國(guó)科學(xué)家揭示蝗蟲聚群成災(zāi)的奧秘]
　　蝗災(zāi)與旱災(zāi)、洪災(zāi)并稱我國(guó)歷史上的三大自然災(zāi)害，曾造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)損失。飛蝗是世界上分布最廣泛的蝗蟲，據(jù)我國(guó)近2000多年的歷史記載顯示，大規(guī)模的蝗災(zāi)發(fā)生過(guò)800多次。飛蝗至今仍然是非洲、亞洲、中東和澳大利亞的重要農(nóng)業(yè)害蟲。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。這兩種蝗蟲災(zāi)害一直被認(rèn)為是人類主要的瘟疫之一。從2019年到2020年6月，沙漠蝗的爆發(fā)從非洲之角到伊朗南部和印巴邊境，蔓延到20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）判斷，沙漠蝗蝗災(zāi)波及區(qū)域達(dá)26萬(wàn)多公頃，規(guī)模為25年一遇，1平方公里的蝗群1天就能吃掉3.5萬(wàn)人的口糧，該地區(qū)1190萬(wàn)人的糧食供應(yīng)受到直接威脅。近年來(lái)，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(duì)農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境構(gòu)成重大威脅。
　　盡管蝗災(zāi)與人類發(fā)展歷史長(zhǎng)期相伴，但是真正在科學(xué)上對(duì)蝗災(zāi)成因的認(rèn)識(shí)不足百年。國(guó)際著名昆蟲學(xué)家和蝗蟲學(xué)之父尤瓦洛夫（Uvarov，1921）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?，他因在蝗蟲研究方面的杰出貢獻(xiàn)，被英國(guó)皇家授予爵士頭銜。在尤瓦洛夫提出蝗蟲型變理論之前，人們把散居和群居蝗蟲認(rèn)為是兩個(gè)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(wú)害。群居型蝗蟲一旦形成就會(huì)導(dǎo)致蝗災(zāi)發(fā)生，蝗群會(huì)大規(guī)模移動(dòng)或遷飛導(dǎo)致更大范圍的蝗災(zāi)發(fā)生。近80年來(lái)，對(duì)蝗群如何形成有許多的假說(shuō)，分別有食物、繁殖地、性成熟、群集信息素、氣候等假說(shuō)，但是究竟是哪一個(gè)因素起主要作用以及其中的奧秘和機(jī)理并沒(méi)有在科學(xué)上被揭示。20世紀(jì)七十年代，國(guó)際上科學(xué)家們才逐步認(rèn)識(shí)到群聚信息素可能是蝗蟲能夠聚集的最關(guān)鍵因素。經(jīng)過(guò)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。但是，這些化合物中沒(méi)有一個(gè)化合物能符合群聚信息素的所有標(biāo)準(zhǔn)，特別是沒(méi)有野外種群驗(yàn)證的證據(jù)。
　　最近，中科院動(dòng)物研究所康樂(lè)院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析飛蝗群居型和散居型飛蝗的體表和糞便揮發(fā)物，在35種化合物中鑒定到了一種由群居型蝗蟲特異性揮發(fā)的氣味，釋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）。通過(guò)一系列行為實(shí)驗(yàn)確定4VA對(duì)群居型和散居型飛蝗的不同發(fā)育階段和性別都有很強(qiáng)的吸引力。4VA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，甚至它的產(chǎn)生可由4-5只散居飛蝗聚集而觸發(fā)，具有很低的誘發(fā)閾值。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(gè)嗅覺(jué)受體中，他們發(fā)現(xiàn)定位在錐形感器中的嗅覺(jué)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(duì)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(guò)室外草地雙選和誘捕實(shí)驗(yàn)證明4VA對(duì)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(jué)受體鑒定、基因敲除和野外驗(yàn)證等多個(gè)層面對(duì)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(guò)去報(bào)道已知的其他化合物都不具備群聚信息素的所有條件，本項(xiàng)研究范式將化學(xué)生態(tài)學(xué)的研究提高到一個(gè)新的階段。因此，這項(xiàng)研究被認(rèn)為是昆蟲學(xué)研究的一個(gè)重要突破。文章在審稿之際，三位審稿人對(duì)文章分別給予了高度評(píng)價(jià)，兩位匿名審稿人認(rèn)為“該研究旨在闡明4VA作為群居信息素在飛蝗群聚過(guò)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?！保弧氨狙芯烤劢褂谝粋€(gè)極具吸引力的生物學(xué)問(wèn)題，在這個(gè)領(lǐng)域取得了非常重要的進(jìn)展”。一位透明審稿人是國(guó)際著名神經(jīng)生物學(xué)家、美國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)洛克菲勒大學(xué)萊斯莉·沃斯霍爾（Leslie B. Vosshall）教授，她在審稿意見(jiàn)中明確表示“這項(xiàng)工作做出了令人興奮的發(fā)現(xiàn)，找到了一個(gè)人們長(zhǎng)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(gè)層次的研究，我給予我無(wú)條件地支持，這項(xiàng)杰出的工作不要有任何拖延應(yīng)該優(yōu)先在《自然》雜志上發(fā)表?！?。
　　該研究不僅揭示了蝗蟲群居的奧秘，而且使蝗蟲的綠色和可持續(xù)防控成為可能。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)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(duì)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。康樂(lè)院士團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究將從多個(gè)方面改變?nèi)藗兛刂苹葹?zāi)的理念和方法：利用人工合成的信息素可以在田間長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)蝗蟲種群動(dòng)態(tài)，為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)；利用人工合成的信息素可以設(shè)計(jì)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(jì)拮抗劑，阻止蝗蟲的聚集；嗅覺(jué)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(zhǎng)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(lái)。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(duì)策和技術(shù)。
　　人類對(duì)蝗蟲聚群成災(zāi)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了幾個(gè)重要突破。首先是尤瓦洛夫（Uvarov，1921）提出的著名的蝗蟲型變理論。該理論提出之后，先后在世界上發(fā)現(xiàn)大約有10種最具危險(xiǎn)性的蝗蟲都有型變現(xiàn)象。第二個(gè)重要突破是英國(guó)科學(xué)家辛普森（Simpson）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在20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(gè)重要的突破是來(lái)自于中科院康樂(lè)院士團(tuán)隊(duì)，他們從2004年起，開(kāi)啟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?，F(xiàn)在，他們又發(fā)現(xiàn)了飛蝗群聚信息素，揭示了飛蝗群聚的奧秘。這一發(fā)現(xiàn)具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步推動(dòng)了國(guó)際蝗蟲領(lǐng)域的研究。該研究工作以4-vinylanisole is an aggregation pheromone in locusts為題，于8月12日正式在Nature發(fā)表（doi: 10.1038/s41586-020-2610-4）。該研究得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家基金委重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。
　　飛蝗（Locusta migratoria）
　　飛蝗群聚信息素4VA的鑒定與功能研究
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