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中國科學家對世界的又一個重大科學貢獻

蝗災追兇16年

人們很難想象，即便是到了21世紀的今天，“蝗災”這個看似久遠、曾肆虐人類上千年的災害，也并未隨著人類社會的進步、科技高度發(fā)達而消失。

今年以來，全球多地遭遇蝗災，再次敲響人類警鐘：“東非正遭遇70年以來最嚴重的蝗災”“南亞國家印度再遭蝗災襲擊，部分城市進入警戒狀態(tài)”“蝗災肆虐逼近我國云南，多地相繼發(fā)生黃脊竹蝗災害”……關乎人類立身之本的糧食安全問題，直接受到威脅。

蝗蟲，這種只有手指大小的小蟲子，看起來人畜無害，為何一旦聚集成群便會成災?人們不解，一度認為蝗蟲來襲就是“天災”。蝗蟲成災的原因找不到，人類的飯碗就難說端得踏實。

中國科學院院士、中國科學院動物研究所研究員康樂帶領團隊歷時16年追蹤研究，終于找到蝗蟲聚群成災的奧秘。8月12日，這一重大科學發(fā)現(xiàn)在國際頂尖學術期刊《自然》發(fā)表。

1平方公里蝗群1天吃掉3.5萬人的口糧

蝗蟲鋪天蓋地般襲來時，便會帶來遮天蔽日的景象，所過之處寸草不留。也因此，蝗災被認為是與旱災、洪災齊名的我國三大自然災害，曾造成嚴重的農業(yè)和經濟損失。

這其中，沙漠蝗、飛蝗兩種蝗蟲災害，又被認為是人類主要的生物災害之一。

康樂告訴中青報·中青網(wǎng)記者，飛蝗是世界上分布最廣泛的蝗蟲，是非洲、亞洲、中東和澳大利亞的主要農業(yè)害蟲。我國2000多年的歷史記載顯示，大規(guī)模的蝗災發(fā)生過800多次。與飛蝗不同，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。

直到今天，這種危害還在繼續(xù)。中國科學院動物研究所研究員戈峰說，大概平均每5年全球就會發(fā)生一次蝗災。

就在2019年到2020年6月，沙漠蝗的暴發(fā)從非洲之角到伊朗南部和印巴邊境，蔓延到20多個國家和地區(qū)。根據(jù)聯(lián)合國糧農組織的判斷，沙漠蝗蝗災波及區(qū)域達26萬多公頃，規(guī)模為25年一遇，1平方公里的蝗群1天能吃掉3.5萬人的口糧，沿途1190萬人的糧食供應受到直接威脅。

戈峰說，近年來，俄羅斯、北美和南美也遭遇到當?shù)鼗认x的襲擾。在世界范圍內，蝗災仍然對農業(yè)、經濟和環(huán)境構成重大威脅。

百年未解科學難題

盡管蝗災與人類發(fā)展歷史長期相伴，然而人們對蝗災成因的科學認識不足百年。

1921年，被稱作“蝗蟲學之父”的國際著名昆蟲學家尤瓦洛夫發(fā)現(xiàn)，飛蝗之所以能成災是因為蝗蟲可以從低密度的散居型，轉變?yōu)楦呙芏鹊娜壕有停蛟诨认x研究方面的杰出貢獻，被英國皇家授予爵士頭銜。

說白了，散居型的蝗蟲，因密度較低，不發(fā)生遷飛，可以認為是無害的，而群居型蝗蟲一旦形成，很可能導致蝗災發(fā)生。

那么，散居的蝗蟲，是如何形成蝗群的，這其中發(fā)揮關鍵作用的又是什么?

近80年里，科學家對此提出許多假說，比如食物、繁殖地、性成熟、群集信息素、氣候等假說。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?并沒有人能真正說清楚。

直到上世紀70年代，科學家才逐漸意識到，群聚信息素可能是蝗蟲聚集的最關鍵因素。

此后，經過50多年幾代科學家的不斷努力，有幾種化合物被認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。

“然而，這些化合物中，沒有一個能夠符合群聚信息素的所有標準，特別是沒有野外種群驗證的證據(jù)。”康樂說，比如有的在實驗室有效，但在野外進行種群驗證時沒效，有的對雌性蝗蟲有效，但對雄性蝗蟲無效。

致使蝗蟲群聚成災的真兇究竟是誰?中國科學家踏上了“追兇”之路。

歷時16年找到真兇

2004年，康樂帶領科研團隊開始了蝗蟲型變基因表達調控和表觀遺傳調控的分子機理研究。16年過去，他們終于找到一種誘惑蝗蟲破壞性集群的關鍵化學物質——4-乙烯基苯甲醚(以下簡稱4VA)。

“這是一種釋放量低但生物活性非常高的化合物。”康樂告訴記者，科研團隊通過分析群居型飛蝗和散居型飛蝗的體表和糞便揮發(fā)物，在35種化合物中找到了它。

有意思的是，這種化學物質，無論是對群居型飛蝗還是散居型飛蝗，無論雌性飛蝗還是雄性飛蝗，無論飛蝗幼蟲還是飛蝗成蟲，都具有很強的吸引力，而且能夠響應蝗蟲種群密度的變化，隨著種群密度增加而增加。

康樂團隊還發(fā)現(xiàn)，僅需4-5只散居飛蝗聚集，這種群聚信息素便可產生和釋放，繼而促進形成巨大的蝗蟲群。

“這說明它具有很低的誘發(fā)閾值。”康樂說。換言之，在野外，可能只需要小范圍的蝗蟲聚集，就能釋放4VA，繼而吸引更多的蝗蟲加入進來，讓蝗蟲隊伍越來越大。

當然，這只是實驗室的結果。科學家還要去自然環(huán)境中進一步驗證。

科研人員將含有4VA的誘芯布置在田間，通過室外草地雙選和誘捕實驗證明，4VA對實驗室種群在戶外具有很強的吸引力。

進而，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)塊實驗再一次證明：4VA不僅能吸引野外種群，還能不受自然環(huán)境中蝗蟲背景密度的影響。

至此，康樂團隊判斷，致使蝗蟲成群的“真兇”之一就是4VA。

在康樂看來，該研究第一次從化學分析、行為驗證、神經電生理記錄、嗅覺受體鑒定、基因敲除和野外驗證等多個層面，對飛蝗群居信息素進行了全面而充分的鑒定和驗證，發(fā)現(xiàn)和確立了4VA是飛蝗群聚信息素，而過去報道已知的其他化合物都不具備群聚信息素的所有條件。

該成果文章在審稿之際，3位《自然》雜志審稿人對文章分別給予了高度評價，其中兩位匿名審稿人認為：“該研究是一項令人印象深刻的、高技術的、深入的研究”“研究聚焦于一個極具吸引力的生物學問題，在這個領域取得了非常重要的進展”。

一位透明審稿人是國際著名神經生物學家、美國科學院院士、美國洛克菲勒大學教授萊斯莉·沃斯霍爾，她在審稿意見中明確表示：“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。我給予無條件的支持，這項杰出工作應不受任何拖延地在《自然》雜志上發(fā)表。”

蝗災綠色防控成為可能

長期以來，人們對于蝗災的防治主要依賴化學殺蟲劑大規(guī)模的噴施。康樂在發(fā)布會結束后接受記者采訪時說，此次研究不僅揭示了蝗蟲群居的奧秘，更重要的是使蝗蟲的綠色和可持續(xù)防控成為可能。

“我們發(fā)現(xiàn)，4VA來源于蝗蟲吃下去的植物，人工合成非常容易，也很便宜。”康樂說，利用人工合成的信息素可以在田間長期監(jiān)測蝗蟲種群動態(tài)，為預測預報服務;可以設計誘集帶誘集蝗蟲，并在誘集帶集中使用化學農藥或生物制劑將其消滅，從而極大地減少化學農藥的使用;還可以根據(jù)4VA的結構設計拮抗劑，阻止蝗蟲的聚集。

據(jù)他介紹，科研人員還在蝗蟲的上百個嗅覺受體中，發(fā)現(xiàn)了4VA的特異性受體，利用基因編輯技術敲除這種受體后，4VA對飛蝗的吸引力和飛蝗對4VA的響應行為就喪失了。

“這告訴我們，可以培養(yǎng)這種突變體飛蝗，并長期釋放到野外，這樣就可能在重災區(qū)建立起‘不能群居’的蝗蟲種群。如此一來，既在野外維持了一定數(shù)量的蝗蟲，又達到可持續(xù)控制的目的，將環(huán)境保護與害蟲控制有機地結合起來。”康樂說，4VA和它受體的發(fā)現(xiàn)將極大地改變防治蝗蟲的對策和技術。

“這是中國科學家為國際昆蟲學和蝗蟲防治作出的巨大貢獻。”聯(lián)合國糧農組織植物生產與保護司司長夏敬源專門為這一成果發(fā)來賀信。他說，這是在經歷50年的漫長探索后，科學家第一次真正確認了飛蝗的群聚信息素;4VA的發(fā)現(xiàn)將大大提高蝗災的預測和控制水平，為人們開發(fā)新的蝗災控制方法提供重要線索。

簡單梳理可以看到，人類對蝗蟲聚群成災的認識，迄今已經歷幾個重要突破：第一個是尤瓦洛夫提出的著名的蝗蟲型變理論，該理論提出后，全球先后發(fā)現(xiàn)大約10種最具危險性的蝗蟲都有型變現(xiàn)象。第二個重要突破是英國科學家辛普森領導的團隊，在上世紀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特征。第三個重要突破，就是康樂院士團隊從2004年起，開啟的蝗蟲型變基因表達調控與表觀遺傳調控機制的分子機理研究，在此基礎上，該團隊如今發(fā)現(xiàn)飛蝗群聚信息素，揭示出飛蝗群聚的奧秘。

中科院院士、深圳華大基因研究院理事長楊煥明在評價這一成果時說，這是繼參與人類基因組、水稻基因組計劃之后，中國科學家對世界的又一個重大科學貢獻。

標簽： 蝗災真兇