Nature突破 | 康樂/王憲輝團隊揭示蝗蟲聚群成災的奧秘

2020-08-13 生命科學前沿

在人類歷史上，蝗災與旱災、洪災並稱三大自然災害。君不見，白居易筆下「一蟲雖死百蟲來，豈將人力定天災」；蘇軾寫過「況復連年苦饑饉，剝齧草木啖泥土。今年雨雪頗應時，又報蝗蟲生翅股」；陸遊寫過「傍縣人來涕泗翻，蝗災暴虎不堪言」，可見蝗災對於百姓生活以及社會的嚴重影響。據統計，從公元前700年至1935年之間，有記載的重大蝗災就超過800次，平均每3年就有1次。即使是進入新中國，蝗災也是「說來就來」，1951年夏秋之際蝗災影響面積1300多萬畝；1952年受蝗災影響達19個省份，面積達3700萬畝之多；53和54年也分別有蝗災報導，受影響面積達幾百萬畝。



2020年是大家都想重啟的一年，在這一年蝗災又雙叒叕出現了。東非蝗災成群結隊的蝗蟲飛躍莊稼，所經之處片甲不留，嚴重威脅糧食安全，在新冠疫情肆虐的情況下對東非國家的境況雪上加霜。那麼蝗蟲聚群成災的奧秘是什麼呢？


為了揭開這一秘密，2020年8月12日，中國科學院動物研究所康樂院士、王憲輝研究員團隊在Nature合作發文題為4-Vinylanisole is an aggregation pheromone in locusts，發現4-甲氧基苯乙烯（4-Vinylanisole, 4VA）是遷徙蝗蟲（(Locusta migratoria）中的聚集性信息素，有望通過生物手段促進對蝗災的治理以及通過檢測4VA的含量預防和警示蝗災的出現，為保護糧食安全提供重要的參考手段。


在以往研究中，研究人員從蝗蟲的身體和糞便中共發現了35種揮發性化合物【1】，其中有六種化合物在群居蝗蟲中的釋放量明顯高於獨居蝗蟲。但是其中只有4-甲氧基苯乙烯4VA對群居蝗蟲表現出明顯的吸引（圖1）。進一步地，作者們想要評估4VA對於不同發育階段、不同濃度以及不同性別蝗蟲的作用。群居蝗蟲3至5齡若蟲以及成蟲明顯傾向於留在充滿4VA的區域內活動。而且蝗蟲對於濃度0.5-5000ng/μl範圍內的4VA均表現出明顯的偏好性。4VA對於不同性別的蝗蟲若蟲或者成蟲的吸引力未見差異。因此，對蝗蟲來說，無論年齡、性別和相濃度，4VA都是一種具有吸引力的信息素。

圖1 4VA對蝗蟲的吸引作用

那麼，作者們想知道4VA在蝗蟲中釋放的具體模式。作者們根據蝗蟲的排放量和變化，發現4VA在體內和糞便中都有排放，特別是在群居蝗蟲中。4VA在群居蝗蟲體內釋放的揮發分中約佔4.64%，在糞便中釋放的揮發分中約佔0.58%。幾乎在所有組織中都可檢測到4VA，並且在背板以及前、中、後腿中釋放水平較高，尤其是後腿佔全身釋放比例的56%。隨著發育階段變化，4VA的釋放逐漸增加。除此之外，4VA在蝗蟲中表現出對蝗蟲密度改變的響應，當四到五隻蝗蟲出現在同一個籠子中時4VA開始釋放，因此4VA對蝗蟲群體密度的改變是非常敏感的。

那麼4VA是如何在群居蝗蟲體內發揮作用的呢？作者們想要檢測外周神經系統對4VA的響應。作者們對不同類別的感受器進行檢測（圖2）。通過對不同感受器對4VA響應電位的檢測，作者們發現錐感受器（Basiconic sensilla）（圖2）在無論是群居蝗蟲還是獨居蝗蟲中都表現出明顯地對4VA濃度依賴的響應。

圖2 不同感受器對4VA的響應情況

進一步地，作者們使用非洲爪蟾系統對蝗蟲中31個嗅覺受體對包含4VA在內的28種氣味的電生理響應進行了檢測。作者們發現其中OR35比其他的例如OR64以及OR35表現出更高的響應。因此，OR35是蝗蟲中4VA的特異性嗅覺受體。通過對OR35的免疫組化分析，作者們發現OR35定位存在於蝗蟲觸角的錐感受器之中。通過使用CRISPR-Cas9技術對OR35受體進行敲除後，作者們發現Or35-/-中OR35蛋白的含量顯著降低，而且Or35-/-純合突變體失去了對4VA的響應。這些結果都說明OR35對於蝗蟲的吸引以及聚集是非常關鍵以及特異的受體。

實驗室中的數據還不足以完全證明4VA作為聚集性信息素的作用，為此作者們進行了行為學實驗和大田誘捕實驗。作者們發現平均來說超過80%的蝗蟲會選擇4VA釋放的區域。實驗結果說明4VA能夠聚集野外的蝗蟲群體，闡明其在蝗蟲預測以及管理方面的可能應用。

總的來說，康樂院士和王憲輝研究員的工作鑑定發現了蝗蟲中的聚集性信息素4VA在蝗蟲成群聚集中的具體作用機制，鑑定發現了存在於錐感受器中的嗅覺受體OR35對4VA的特異性響應，為蝗災的治理提供了可能的解決方案同時說明對4VA濃度的檢測可能會為蝗蟲密度的監控提供可用的思路。

值得一提的是，該文章在當期Nature雜誌的News & Views版塊被重點推薦。東非蝗災牽動人心，目前能夠應對蝗災的唯一有效武器就是噴灑殺蟲劑，但是蝗群的移動迅速而且行動路線難以預測，殺蟲劑噴灑同時也會摧毀益蟲，實際上的效果是殺敵三千自損八百。康樂院士與王憲輝研究員團隊的工作像是一場灑在東非大陸的及時雨，將為生物治理蝗災以及未來可能遇到的蝗蟲災害的預防提供了重要的理論與大田實踐數據。


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