自以為吃定棉花的棉鈴蟲，卻發現美味成了穿腸毒藥︱走近科學

本欄目由 「世界科學」 和 「賽先生」聯合出品

編者按

「世界科學」聯合「賽先生」等微信公眾號，在上海市科學技術委員會資助下，開闢「走近科學」欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報導。

本篇報導圍繞2017年上海市自然科學獎一等獎「植物次生代謝與抗蟲」項目展開，該獎項由中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所陳曉亞院士領銜的團隊獲得。

蝶戀花、蜂採蜜，植物與昆蟲大約是地球上關係密切程度最高的配對之一。不過，在物競天擇、適者生存的大自然裡，植物與昆蟲之間的關係，並非總如詩人描繪的那麼和諧美妙：有時昆蟲為植物傳粉、植物為昆蟲提供食物，互惠互利；有時在昆蟲貪婪無情的啃齧下，植物不得不奮起反抗，以牙還牙。

地球上大約有35萬種植物和80萬種昆蟲，它們之間的相互作用、協同進化，演繹出了一幕幕世界上最複雜有趣的生命現象，也成為生物多樣性形成的重要動力。

自從人類將一些植物馴化成了農作物之後，深入了解昆蟲與植物之間的恩恩怨怨，並以「四兩撥千斤」的巧妙手段加以利用，由此為人類帶來更豐富的物產就成了科學家們的一大重任。隨著21世紀生命科學的發展深入到分子細胞水平，進入基因組時代，植物與昆蟲博弈的故事溯源與解剖，也開始在微觀世界中展開。

植物與昆蟲的共進化博弈

據統計，全世界約80萬種昆蟲中，有45%左右以植物為食，而所有的植物都會被至少一種蟲類所取食。

有化石證據表明，昆蟲對植物的取食行為最早發生在大約3.5億年前。如果沒有抵抗病蟲害的「十八般武藝」，植物是難以發展到今天的規模的，在漫長的自然選擇與協同進化過程中，植物進化出了一套複雜的防禦系統，以及多種多樣的抗蟲策略。

目前，已知的植物「抗蟲秘籍」主要有以下幾種。

「速生」大概可以算得最笨的抗蟲辦法。為了抵禦害蟲的侵襲，植物自身會儘可能地加快生長速度——即被蟲子吃掉一片葉子，植物會很快再長一兩片出來進行補償，這樣就不會影響植物正常的生長和產量。這用來對付個別偶爾「打秋風」的昆蟲，頗為有用，有時還會促進植物生長。比如，在一定的條件下，蟲害損傷了棉花植株的一些葉片或個別棉蕾之後，反而會促使那些沒被吃掉的棉桃長得更大。

「堅壁清野」也是一些植物常用的手段，即植物通過形態、組織和生長特性，來對昆蟲的取食、侵襲行為產生「拖累」作用。比如，有些植物會在葉片上「塗」滿厚厚的蠟質，甚至生長出或堅硬、或光滑、或布滿絨毛的外表層，使得昆蟲難以在植株上「落腳」，即使「站穩」了也無從下口。比如：有的水稻品種因其植株硬度高，就具有更強的抗螟蟲能力；而有些茸毛多的棉花品種，就會少受蚜蟲的侵擾。

不過，更讓人驚嘆的是，很多植物通過自身的次生代謝物，煉就了「用毒」的能耐——用化學物質、激素等讓昆蟲「望植興嘆」，鎩羽而歸。比如：

菸草植株所產生的菸鹼、十字花科的植物產生的芥子油苷、除蟲菊產生的除蟲菊酯，都因為它們強大的抗蟲性，現在已經作為無汙染的農業殺蟲劑被廣泛應用；

而有些植物則能產生丹寧、棉酚等酚類化合物，使蛋白質變得不易消化，從而使昆蟲「吃得下，用不上」，出現營養缺乏的飢餓症狀；

有些植物則能產生激素，讓昆蟲吃了之後不知不覺地發育異常，並喪失繁殖能力。

然而，昆蟲也不是等閒之輩，決不輕易放棄植物這一世界上最重要的食物來源。在漫長的協同進化過程中，針對植物進化產生的一系列次生代謝物（即上文提到的那一類並非植物生長發育所必需的小分子有機化合物），昆蟲種群又通過進化，重新適應產生次生代謝物的植物，於是造成了昆蟲食性的專化。

比如，含有毒素棉酚的棉花，令大多數其他昆蟲都避而遠之，可棉鈴蟲卻不怕，敢於對棉花植株大快朵頤，就是因為它體內能自產「解藥」。

棉鈴蟲美食變「穿腸毒藥」

對於被人類選為重要農作物的植物來說，如果有「剋星」昆蟲的存在，顯然對於農業生產十分不利。蟲害嚴重影響農業，每年造成的損失約佔總產量的15%。因此，科學家抓住植物與昆蟲協同進化的關鍵環節，深入研究昆蟲對植物次生代謝的適應機制，由此發展新一代抗蟲技術。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所研究員、中國科學院院士陳曉亞深入研究棉花-棉鈴蟲模式，巧妙地通過轉基因手段，讓棉花從棉鈴蟲的美食變成了「毒藥」。

萜類是植物次生代謝物種最豐富的的一類化學物質，包括單萜、倍半萜和二萜等。它們具有重要的生理與生態功能：有些具有揮發性，可以吸引昆蟲前來協助傳粉，或是向害蟲的天敵釋放信號，來幫助自身「解圍」；有些則具有藥用價值，比如紫杉醇具有抗腫瘤活性，青蒿素可以抗瘧疾，等等。

棉酚就是一種倍半萜衍生物，具有廣譜毒性，是很多昆蟲的毒藥，這使得棉花免遭很多蟲害的侵襲。然而，棉鈴蟲卻不怕，這是為什麼？（據統計，棉鈴蟲對我國棉花生產造成的經濟損失每年高達數十億元。）

陳曉亞院士為了探索其中的奧秘，從2000年起，就帶領博士生毛穎波開始了艱苦的探索。

原來，棉鈴蟲體內有一些神奇的「解藥基因」，能抵消棉酚的毒性。正因為如此，別的蟲兒望而生畏的棉葉棉桃，卻成為棉鈴蟲的美味佳餚。這個「解藥」就是P450基因。

科研人員找到這個棉鈴蟲P450基因（CYP6AE14）之後，就把一種可以抑制該基因的雙鏈RNA轉進植物中，當棉鈴蟲把含有這種雙鏈RNA的植物葉子吃下肚後，雙鏈RNA就會深入細胞，讓P450基因生產不出「解藥」。這釜底抽薪的一招，立刻將棉花變成了棉鈴蟲的「毒藥」。

這個想法實現的關鍵在於「如何實現雙鏈RNA抑制P450基因的作用」。當時，RNA幹擾（RNAi）技術剛剛興起，大家都處於摸索階段。一開始，研究組想把這種基因的雙鏈RNA直接注射到棉鈴蟲體內，但怎麼也成功不了。接著，他們又想通過基因技術直接敲除棉鈴蟲身上的P450基因，但也不成功。研究進入了山重水複疑無路的困境。

棉鈴蟲正在啃噬田間棉花（上海松江農場基地）

不過，柳暗花明的驚喜就在科學家靈感乍現的那一刻到來——能不能讓棉鈴蟲把雙鏈RNA吃下去，也就說，讓棉花表達昆蟲基因的雙鏈RNA？

於是，研究組開始嘗試促進棉花產生雙鏈RNA。果然，轉入該P450基因的棉花體內所產生的雙鏈RNA，降解了棉鈴蟲體內的棉酚「解藥」——餵了這種轉基因葉子後，「解藥工廠」果然「產量」大減。再餵棉鈴蟲這種棉花葉片，棉鈴蟲顯得難以下咽，最終營養不良、生長緩慢，甚至死亡。

2007年11月12日，《自然 • 生物技術》（Nature Biotechnology）刊登了這項成果，並為此配髮長篇評論，認為「這項技術為開發新一代安全有效的轉基因抗蟲植物（如抗蟲棉）奠定了基礎」。

《自然》（Nature）雜誌在評論中對這一重要突破給予高度評價：「第一次成功報導利用植物自身表達昆蟲基因的雙鏈RNA來抑制植食性昆蟲防禦基因的論文。」

《科學》（Science）更是形象地將其比喻為「農場裡種植RNA」。

又經過多年研究，如今研究組已獲得穩定的轉基因棉花材料，目前正在與相關科研單位合作，進行育種工作。

其實，我國早在1997年就批准了轉Bt基因抗蟲棉的生產，並開始推廣種植，是繼美國之後擁有自主智慧財產權、獨立研製成功轉基因抗蟲棉的第二個國家。2019年，我國國產抗蟲棉的自有率已達99%以上。而且，Bt轉基因抗蟲棉的推廣普及已基本解決了棉鈴蟲影響棉花生產的問題，為何這一利用植物表達抑制害蟲的RNA方法，會得到如此高的榮譽褒獎呢？

原來，由於Bt轉基因作物的長期大面積種植，田間已開始出現對Bt具有抗性的害蟲，並有蔓延的趨勢。而且，Bt轉基因作物主要針對鱗翅目昆蟲，那些非鱗翅目昆蟲，由於噴灑農藥減少，逐步成為棉田裡的優勢害蟲，如綠盲蝽。因此，尋找新型高效的作物抗蟲技術對農業可持續發展具有重要意義。

而陳曉亞研究組探索出的利用植物表達抑制害蟲的RNA方法，則為培育新的抗蟲棉品種另闢蹊徑。更重要的是，這一發現使我國在利用以RNA幹擾為基礎的核酸技術防控病蟲害上有了長足的進步，進入了國際先進行列。

陳曉亞院士（左）和課題組成員王凌健副研究員（右）在轉基因棉花培育實驗室裡

RNA幹擾為基礎的核酸技術使病蟲害防控進入新時期

RNA幹擾是近年來最重要的生物學發現之一，2006年的諾貝爾生理學或醫學獎就頒給了發現RNAi幹擾機制的兩位美國科學家。

美國麻薩諸塞州大學教授克雷格·梅洛（Craig C. Mello，左)與斯坦福醫學院教授安德魯·法爾（AndrewZ. Fire，右）因發現RNA幹擾現象而共同獲得2006年諾貝爾生理學或醫學獎

由於RNAi是真核生物中保守的調控機制，基於這種機制開發的抗蟲技術具有普適性，還可彌補Bt抗蟲技術的不足。同時，RNAi依賴於序列特異性，可針對特定害蟲進行防治，專一性強，更有利於環境安全。

經歷了化學農藥、蛋白質農藥（主要是BT）兩代技術，以RNA幹擾為基礎的核酸技術使病蟲害防控進入新時期。

在RNAi轉基因作物開發上，國際競爭相當激烈。

例如，孟山都已經研發成功的轉基因玉米，能夠表達玉米根蟲DvSnf7基因的dsRNA，同時還表達3個蘇雲金桿菌來源的Cry蛋白，可以在增加Bt耐受的同時，加快RNA幹擾效果。該轉基因玉米SmartStax PRO已在美國、巴西、日本等8個國家和地區通過轉基因安全評價，於2017年6月獲得了美國環境署（US-EPA）的種植許可，並已向我國申請轉基因生物安全證書。

別國已經帶著產品在我國「敲門」，我國在該領域的產品在哪裡？陳曉亞研究組的這一進展，促進了我國在植物介導RNA幹擾抗蟲技術的發展。

近年來，在我國轉基因重大專項的支持下，該領域持續獲得突破，研製了RNAi抗盲蝽棉花、RNAi抗黃萎病棉花以及RNAi+Bt的聚合抗蟲棉花，顯示出克服棉鈴蟲對Bt棉產生耐受性的前景。

觸類旁通拓展應用

植物次生代謝受各種因子的精確調控，當科學家了解清楚背後的一整套機制，就能展開各種應用，為人類造福。

陳曉亞研究人員發現，環境因子、防禦激素茉莉素和生長發育信號，可共同調控次生代謝的分子機理。他們發現，棉花WRKY1蛋白能結合杜松烯合酶基因啟動子，通過激活基因轉錄來控制棉酚合成。

在破解棉鈴蟲體內「解藥基因」的同時，陳曉亞研究組還根據植物中的棉酚合成途徑培育出低酚轉基因棉花。

其實，棉酚雖然是棉花的「護體神藥」，可那槓槓的毒性也限制了棉籽的應用。棉籽富含油脂和蛋白質，古代中國人和印度人就曾用原始方法提取棉籽油，用於醫藥和照明；在現代工業中，棉籽油可加工製成食用油、動物飼料。然而，除去毒素棉酚卻一直是件麻煩事，這限制了棉副產品的充分利用。

既不耽誤棉花抗蟲，又讓棉籽毒性降低，能否培育出種子中棉酚含量低、植株中棉酚含量正常的棉花新種質呢？

陳曉亞研究組在研究過程中，對棉酚的生物合成途徑開展了系統深入的研究，先後克隆鑑定了法尼基二磷酸合酶（FPS）、杜松烯合酶（CAD）和杜松烯羥化酶（CYP706B1），催化三步連續的反應。利用種子特異啟動子表達CYP706B1基因的雙鏈RNA，創製了種子低酚、植株棉酚含量正常的轉基因棉花新種質，提供給中國農科院棉花所、浙江大學等單位培育新品種。

另外，在研究過程中，他們還發現，棉花在棉酚合成過程中會分泌一種酶——分泌型漆酶，可以有效分解土壤中的酚類汙染物。由此，研究組首次提出了土壤汙染的植物體外修復，被《自然· 生物技術》稱為「展示了一項有生命力的植物修復策略」。

正因為以上多方面研究成果及取得的影響力，「植物次生代謝與抗蟲」系列研究成果獲得了2017年度上海市自然科學獎一等獎。

項目成果促進了我國植物代謝等學科的發展，帶動了新一代抗蟲作物的研製，取得了重要的國際影響和學術地位。

本文選自《世界科學》雜誌2020年第10期「走近科學」欄目。

END

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