成灾,动物所揭示蝗虫聚群成灾的奥秘

蝗灾与干旱、洪水并称为我国历史上的三大自然灾害，曾造成严重的农业和经济损失。 蝗虫是世界上分布最广泛的蝗虫，据我国2000多年的历史记录，发生过大规模的蝗灾800多次。 蝗虫至今仍是非洲、亚洲、中东和澳大利亚的重要农业害虫。 沙漠蝗虫仅分布于非洲、中东、南欧和南亚，但危害记载可追溯到5000多年前。 这两种蝗虫灾害一直被认为是人类的主要瘟疫之一。 从2019年到2020年6月，沙漠蝗虫的爆发蔓延到了从非洲之角到伊朗南部和印巴边境的20多个国家和地区。 联合国粮食农业组织(FAO )判断，沙漠蝗虫灾害波及地区的有26万多公顷，规模每25年一次，1平方公里的蝗虫群每天能吃掉3万5000人的粮食，该地区1190万人的粮食供应受到直接威胁。 近年来，俄罗斯、北美、南美也遭遇了当地的蝗虫袭击。 在全球范围内，蝗虫灾害仍然对农业、经济和环境构成巨大威胁。

蝗灾与人类发展历史源远流长，但对蝗灾成因的科学认识不到一百年。 国际知名昆虫学家和蝗学之父尤瓦洛夫(Uvarov，1921 )发现蝗害可由低密度散在型转变为高密度群居型。 他因对蝗虫研究做出杰出贡献而被英国王室授予爵士称号。 在尤瓦洛夫提出蝗虫型变理论之前，人们认为散居和群居蝗虫是两个不同的物种。 分散型蝗虫密度低，所以不会飞来，被认为是无害的。 一旦形成群居型蝗虫，就会发生蝗灾，蝗虫群大规模移动或飞来，发生更大范围的蝗灾。 近80年来，关于蝗虫群是如何形成的众说纷纭，各有食物、繁殖地、性成熟、聚集信息素、气候等假说，但究竟哪些因素起着主要作用，其奥秘和机制科学揭示20世纪70年代，国际上科学家逐渐认识到聚集信息素可能是蝗虫聚集的最重要因素。 经过50多年科学家的不断努力，一些化合物被认为是蝗虫聚集信息素，这些信息素被命名为蝗虫醇、蝗虫酚等。 但在这些化合物中，没有符合团簇信息素所有标准的化合物，尤其是没有野外种群验证的证据。

最近，中国科学院动物研究所康乐院士团队对蝗虫群居型和散居型蝗虫的体表和粪便挥发物进行了分析，发现35种化合物中群居型蝗虫特异性挥发的化合物，4-vinylanisole(4va，4-乙烯基茴香醚) 通过一系列行为实验证实，4VA对群居型和散居型蝗虫的不同发育阶段和性别具有较强的吸引力。 4VA能适应蝗虫种群密度的变化，并随种群密度的增加而增加，且其发生由4-5只蝗虫的散在诱发，具有较低的诱发阈值。 发现蝗虫触角上的4种主要传感器类型中，4VA特异性地引起锥形传感器的反应。 在蝗虫上百个嗅觉受体中，发现定位于锥形传感器的嗅觉受体OR35是4VA的特异性受体。 采用基因编辑技术CRISPR/Cas9基因敲除OR35会显著降低蝗虫突变体触角与锥形传感器神经的电生理反应，突变体也失去对4VA的应答行为和吸引力。 那么4VA能在室外和自然环境中吸引和收集蝗虫吗？ 研究人员将含4VA的引诱芯配置在田间，通过室外草原的双重选择和引诱实验证明4VA对实验室种群在室外有较强的吸引力。 此外，他们将诱芯直接部署在蝗虫野外发生区天津北大港，大范围的阻滞实验再次证明4VA不仅能吸引野外种群，而且不受自然环境下蝗虫背景密度的影响。 本研究首次从化学分析、行为验证、神经电生理记录、嗅觉受体鉴定、敲除和野外验证等多方面全面、充分鉴定验证蝗虫群聚信息素，发现并建立了4VA为蝗虫群聚信息素，但既往报道的其他化合物均因此，该研究被认为是昆虫学研究的重要突破。 在审阅报道时，3位审阅者分别对报道给予了很高的评价，2位匿名审阅者认为：“该研究以明确4VA作为簇生信息素在蝗虫群过程中的作用为目的，是一项令人印象深刻、技术深刻的研究。” ； “本研究聚焦于非常吸引人的生物学问题，在这个领域取得了非常重要的进展”。 一位透明审阅者是国际知名的神经生物学家、美国科学院会员、美国洛克菲勒大学的莱斯李沃斯(Leslie B. Vosshall )教授，在审阅意见中说：“这项工作有了令人兴奋的发现，人们长期以来一直在寻找的蝗虫群落费罗文章包括惊人的多层次研究，我无条件地给予了支持。 这项出色的工作应该毫不拖延地优先在《自然》杂志上发表。 ”。

该研究不仅揭示了蝗虫群居的奥秘，而且使蝗虫绿色和可持续防控成为可能。 长期以来，人们主要依赖化学杀虫剂的大量喷洒，但不合理的化学农药使用给食品安全、生态系统和人类健康带来了巨大的负面影响。 康乐院士团队的这项研究将从多个方面改变人们控制蝗灾的理念和方法。 利用人工合成的信息素可在田间长期监测蝗虫种群动态，为预测预报服务； 利用人工合成信息素，设计诱集带诱集蝗虫，在诱集带上集中使用化学农药或生物制剂进行防治，可大大减少化学农药的使用； 根据4VA结构设计拮抗剂，阻止蝗虫聚集； 嗅觉受体OR35的发现使利用基因编辑技术制备4VA反应缺失的突变体成为可能。 该突变体长期释放到野外，有可能在重灾区产生无法群居的蝗虫种群，在野外维持一定数量蝗虫的同时实现可持续控制，将环境保护与害虫控制有机结合。 因此，4VA及其受体的发现将大大改变蝗虫的防治策略和技术。

人类对大群蝗虫为害的认识经历了几个重要突破。 首先是尤瓦洛夫(Uvarov，1921 )提出的著名的蝗虫型变异理论。 该理论提出后，世界上发现约10种最具危险性的蝗虫具有变型现象。 第二个重要突破是英国科学家辛普森领导的团队于20世纪90年代建立的沙漠蝗虫群居型和散居型行为判别模型和生理学特征。 第三个重要突破来自中国科学院康乐院士团队，他们从2004年开始进行蝗虫型变异基因表达调控和表观遗传调控的分子机制研究。 现在，他们又发现了蝗虫群居信息素，揭示了蝗虫群居的奥秘。 这一发现具有重要的理论意义和应用价值，进一步推动了国际蝗虫领域的研究。 该研究题为4-vinylanisoleisanaggregationpheromoneinlocusts，于8月12日正式在Nature上发表(doi :1038/s 41586-020-2610-4 )。 该项研究得到了中科院战略引领科技专项、国家基金委重点项目等的支持。

蝗虫(Locusta migratoria )。

蝗虫簇生信息素4VA的鉴定与功能研究