植物和昆蟲的博弈--中國數字科技館
2020-11-25 中國科學技術館./t20201027_1036300_taonews.html
《科學畫報》
開博時間：2016-07-01 14:43:00由中國科學社於1933年8月創刊，距今已有80年的歷史。《科學畫報》在80年的辦刊歷程中，形成了通俗生動、圖文並茂地介紹最新科技知識，形式多樣地普及科學技術的特點，對提高廣大群眾的科學水平，啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用，當今的不少著名學者、教授、科學家，青少年時代都曾受到它的薰陶和啟發。
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植物和昆蟲的博弈
2020-10-27 12:37:00地球上約有35萬種植物和100萬種昆蟲，多樣的物種組成了繽紛的大自然。昆蟲和植物之間的相互作用，是物種多樣性發展的重要驅動力。花朵的鮮豔色彩和芬芳氣味取悅了賞花人，而它的初衷是在告訴那些傳粉的昆蟲：「嗨，我在這裡。」
植物抗蟲的十八般武藝
植物為昆蟲提供食物，昆蟲幫助植物傳粉，互惠互利。但植物和昆蟲之間，並不總是那麼和諧。
植物的足跡遍布了七大洲、四大洋的各個角落，為動物和人類提供食物，是整個食物鏈中最主要的生產者。植物固著生長，無法主動躲避昆蟲的襲擊。於是，在漫長的自然選擇和協同進化的過程中，植物進化出一套複雜的防禦系統。
一些植物在外表進化出厚厚的蠟質、尖銳的表皮毛等，從物理上減少昆蟲的取食和附著。另外，針對昆蟲的取食行為，植物能夠合成有毒的次生代謝物，或是在傷口處產生有毒的揮發物質，或是像「壁虎斷尾」一樣讓被咬的葉子死亡，從而阻止受傷範圍的擴大。同時，有的受傷植物會釋放類似「狼煙」一樣的信號，告訴周圍的植物：「敵軍即將到達戰場，請做好準備!」
植物次生代謝物是一類小分子化合物，其中，萜類是植物次生代謝物中最豐富的一類。有些萜類具有揮發性，可吸引傳粉的昆蟲或害蟲的天敵;有些萜類具有抑制草食性昆蟲生長的活性，參與植物的直接防禦反應。
棉花是重要的經濟作物，棉纖維是紡織工業主要的天然原料。在棉花的莖稈、葉片等組織表面有黑色點狀的腺體，那是植保素的儲存倉庫，含有大量棉酚、半棉酚酮等萜類衍生物。
棉酚具有普遍的生物毒性，是棉花抵禦病原微生物和草食性動物的主要成分。經過多年研究，中國科學院上海生命科學院植物生理生態研究所的陳曉亞(中國科學院院士)研究團隊解析了棉酚的生物合成途徑及其調控，先後克隆了催化棉酚合成的3個關鍵合酶。
昆蟲的適應策略
所謂「道高一尺，魔高一丈」，生物的進化總是相輔相成，昆蟲大軍也發展了多種適應性策略來應對植物的防禦。它們有些長出了更細長、更堅硬的口器來吸取莖稈汁液，搗碎葉肉細胞;有些在自己肚子裡合成解毒劑，面對有毒的植物也不怕;有些不直接吃植物，而是把植物葉片切下來飼餵細菌，坐享細菌消化分解後留下的營養物質。
按照昆蟲選擇的宿主植物種類的多寡，植食性昆蟲分為單食性、寡食性和廣食性三類。廣食性昆蟲擁有種類複雜的解毒酶，有了解毒酶，昆蟲就能迅速有效地對攝入的有毒化合物進行代謝解毒。
棉鈴蟲是一種廣食性昆蟲，嚴重危害農作物生產。雖然棉酚具有普遍的生物毒性，但棉鈴蟲並不懼怕棉花中高度積累的植保素。低濃度的棉酚甚至還能促進棉鈴蟲的生長。
陳曉亞研究團隊發現：取食含有棉酚的食物，會誘導棉鈴蟲P450基因CYP6AE14的表達，且誘導程度與棉鈴蟲對棉酚的抗性正相關。如果抑制棉鈴蟲P450的活性，就能顯著降低棉鈴蟲對棉酚的耐受性。
抗蟲作物的改良
為了緩解過度使用農藥給生態環境造成的壓力，轉基因技術被廣泛應用於作物栽培，實現了更環保的生物防治。但這一技術有一定的局限性：由於長期種植，有些害蟲對傳統轉基因作物產生了抗性。因此，需要發展新的抗蟲技術。
陳曉亞研究團隊發展了一種植物介導的昆蟲RNA幹擾(RNAi)技術：將與昆蟲基因匹配的雙鏈RNA在植物中表達，取食了這類轉基因植物的昆蟲的相應靶基因的表達會受到抑制。這一技術的顯著優點是能夠特異性地抑制昆蟲防禦基因的表達，從而抑制昆蟲取食，達到抗蟲效果。這為農業害蟲的安全有效防治提供了新思路和新方法，為開發新一代安全有效的抗蟲植物奠定了基礎。
植物對昆蟲的抗性和昆蟲對植物的適應性都是相對的，沒有一種植物可以抵抗所有的植食性昆蟲，也沒有一種昆蟲能耐受所有的植物毒素。兩者在不斷地競爭和較量中協同演化，越來越多樣化和複雜化。對植物和昆蟲攻防互作的研究，不僅助力我們了解物種的多樣性，也幫助我們研發更先進的技術手段去保護農作物不受蟲害的侵擾。
文/毛穎波 陳雪瑩
本文來自《科學畫報》
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地球上約有35萬種植物和100萬種昆蟲，多樣的物種組成了繽紛的大自然。
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