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环保科普丨昆虫黑化之路:聚集成群后,飞蝗何以“性情大变”?

来源:    编辑:    发布日期:2023-10-25 16:04:44    点击数:97 人次

蝗虫是主要全球性农业害虫之一,经常给农业生产和生态环境带来毁灭性打击。2020年联合国粮农组织网站信息显示,截至当时,一场25年来最严重的沙漠蝗灾席卷了非洲和亚洲20多个国家,全球受灾面积达1600多万平方公里,直接威胁当地约1900多万人的粮食安全。2023年2月,蝗灾再次席卷该地区,造成重大损失。飞蝗之害,古已有之,从公元前707年到1935年的2,600多年中,我国明确记载的蝗灾就有800多次,平均每2~3年就有一次区域性大灾,而5~7年就会有一次席卷大半个中国的大范围蝗灾。

散居型飞蝗通体绿色,隐匿于草丛,只有雌雄交配时才相互接触,其他大多数时候都是“独行侠”,其飞行能力较弱,活动范围也比较小,基本没有什么破坏性。其实,只有当飞蝗从低密度的散居型转变为高密度的群居型,才可能导致蝗灾暴发。

一旦零散的飞蝗聚集成群,它们的形态和性情大变。聚集成群的飞蝗几小时内就会变色,它们的体色从绿色变成黑棕色,其中背部变成黑色,腹部则变成棕色。在蝗灾区域,人们往往能看见黑压压一片的飞蝗。群居型飞蝗表现出密度大、食量大、飞行能力强等特点。一公里区域的蝗群可容纳8000万只成年飞蝗,这些飞蝗食量惊人,每天可吃掉500吨食物,相当于3.5万人的口粮。群居型飞蝗飞行能力超强,可飞行数百公里甚至上千公里,所以蝗群一旦形成,为害程度和范围都非常大。

那么,飞蝗如何从散居型转变成群居型呢?飞蝗型变的机制一直是国际昆虫学界高度关注的重大科学问题之一。中国科学院动物研究所康乐院士团队为解决这一问题开展了20多年的深入研究,由康乐院士领衔完成的“飞蝗两型转变的分子调控机制研究”成果获得2017年国家自然科学奖二等奖。

要找到防治蝗灾的方法和药物,最根本的途径是将诱发昆虫群居的机制研究透彻。通过多年研究,康乐院士团队研发了基因芯片、小RNA技术等新技术新方法,对散居型和群居型飞蝗的基因表达水平、表观遗传调控、转录组和代谢组等进行全面比较分析,发现飞蝗型变过程涉及到多基因多水平的复杂调控网络,最终导致散居型与群居型飞蝗在行为、迁飞、体色、生殖、发育、防御和取食等方面都存在显著的表型差异。

这里首当其冲的研究是要了解飞蝗两型飞蝗(散居型和群居型)型变如何启动和维持的。康乐团队研究发现,飞蝗型变的启动首先是从嗅觉开始的,其中两类与嗅觉相关的化学气味感受基因通过调节飞蝗嗅觉的敏感性来启动飞蝗聚集,找到调控这些嗅觉相关基因的物质,则可筛选出绿色环境友好型飞蝗生物杀虫剂。一系列研究表明,蝗群聚集启动还涉及多种化学物质,例如多巴胺、乙酰肉碱等等,其中,多巴胺是启动飞蝗群聚的关键调控因子,群居型飞蝗体内多巴胺表达量显著提升,调控一系列中枢神经信号通路,相当于通知飞蝗身体的各个部位——各就各位,开始型变!

飞蝗成群的长距离迁飞是造成蝗灾暴发的主要原因。通过长距离迁飞,蝗群可以获得充足的食物,并找到合适的产卵地,以利于群体生存和后代繁衍。但是,长距离迁飞非常耗能,除了大量进食之外,群居型飞蝗还在能量利用效率方面比散居型飞蝗更胜一筹。康乐团队研究发现,群居型飞蝗属于“长跑型”选手,适合长时间长距离飞行,而散居型飞蝗属于“短跑型”选手,适合短距离弹跳躲避天敌,而一些神经肽在群居型飞蝗的飞行能力提升上扮演重要角色,例如酯动员激素相关神经肽参与酯类的氧化和利用,解决长距离飞行中的能量高效利用问题。

飞蝗型变中的体色黑化也是一项非常有意思的研究。研究人员发现,体色变化其实是群居型飞蝗的一种群体防御机制。散居型飞蝗呈绿色,是为了在草丛中保护自己,而群居型飞蝗则习惯招摇过市,不再需要伪装躲藏,因此绿色已经没有保护意义,群居型飞蝗转而“黑化”,同时体内会分泌有毒成分,而黑棕相间的体色也是一种警戒色,为的是向天敌发出警告信号——别吃我,我有毒!

至于飞蝗为什么能“黑化”?之前人们普遍猜测是因为黑色素的沉积。直到2019年,康乐团队研究发现,黑棕相间的体色并非黑色素增加的缘故,而是当飞蝗密度增加时,飞蝗体内的很多基因表达水平会随之发生变化,其中一个合成β胡萝卜素结合蛋白的基因表达水平会显著升高,而大量的β胡萝卜素结合蛋白与β胡萝卜素结合后会形成红色素,红色素再与飞蝗体内的绿色物质混合成黑色,原来飞蝗体内存在一种天然的“调色板”。

这些研究得到国际同行的高度认可,认为是近十年该领域最令人鼓舞的突破性研究,不仅对于认识生物对变化环境响应和适应性具有重要意义,而且为蝗灾的防治提供了一系列新的思路和方案。

(文:中关村国科现代农业产业科技创新研究院 研究馆员 汤波 把关专家:兰州大学生态学院研究员 赵序茅)

中国科协科普部

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