飛蝗成災，康樂院士團隊：這種化合物是禍首

作者 |

丁佳 馮麗妃

飛蝗 中科院動物所供圖

一隻螞蚱有啥可怕？如果有人告訴你，這些在草叢裡蹦蹦跳跳的小蟲一天就能吃掉3。5萬人的口糧呢？實際上，在很多人的記憶裡，蝗蟲就是飢餓的代名詞，當“蝗災”來襲，那遮天蔽日的末日景象更是不折不扣的“童年陰影”。

看起來人畜無害的昆蟲為何能突然成災？千百年來，人們百思不得其解，只好將其歸結為“天災”。但中國科學院院士、中科院動物研究所研究員康樂偏偏不信這個“邪”。他帶領團隊一頭扎進了“蝗蟲堆”，經過20多年的鑽研，終於找到了蝗蟲聚群成災的奧秘。8月12日，《自然》發表了康樂團隊的這一成果。

與旱澇齊名的第三大災

蝗災與旱災、洪災並稱我國曆史上的三大自然災害，曾造成嚴重的農業和經濟損失。

飛蝗是世界上分佈最廣泛的蝗蟲，是非洲、亞洲、中東和澳大利亞的重要農業害蟲。我國2000多年的歷史記載顯示，大規模的蝗災發生過800多次。

而沙漠蝗雖然僅僅分佈在非洲、中東、南歐和南亞地區，但危害的記載可以追溯到5000多年以前，這兩種蝗蟲災害一直被認為是人類主要的瘟疫之一。

“蝗蟲是世界性的害蟲。”中科院動物所研究員戈峰介紹，大概平均每5年就發生一次蝗災，歷史上一些社會性事件都與蝗災有關。例如1924年的一次蝗災甚至導致南京鐵路的一輛火車都開不動。

蝗災不僅僅存在於人們的記憶裡。就在2019年到2020年6月，沙漠蝗的暴發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。據聯合國糧農組織判斷，沙漠蝗蝗災波及區域達26萬多公頃，規模為25年一遇，1190萬人的糧食供應受到直接威脅。近年來，俄羅斯、北美和南美也遭遇到當地蝗蟲的襲擾，就在去年，歷史上很少發生蝗災的美國也中招了。

“我國也是飛蝗蝗災的重災區。”康樂說，“在世界範圍內，蝗災對農業、經濟和環境都構成了重大威脅。”

儘管蝗災與人類發展歷史長期相伴，但人類對蝗災成因的科學認識卻並不與之相襯。1921年，國際著名昆蟲學家和蝗蟲學之父尤瓦洛夫發現飛蝗之所以能成災，是因為蝗蟲可以從低密度的散居型轉變為高密度的群居型；而直到上世紀70年代，國際科學家才逐漸意識到，群聚資訊素可能是蝗蟲聚集的最關鍵因素。

可是幾十年過去了，科學家還是沒能找到這種關鍵物質，似乎沒有一種化合物能夠符合群聚資訊素的所有標準。

隱秘的關鍵證據究竟在哪兒？這引起了康樂的極大興趣。

飛蝗為何“騰達”？

最近，康樂團隊分析了群居型和散居型飛蝗的體表和糞便揮發物，在35種化合物中鑑定到了一種由群居型蝗蟲特異性揮發的氣味，它是一種釋放量低但生物活性非常高的化合物4—乙烯基苯甲醚（4VA）。

科研人員透過一系列行為實驗確定，4VA對群居型和散居型飛蝗都有很強的吸引力，而且這種吸引不分年齡、性別。

“我們發現，4VA這種資訊素是群居型特異性釋放的資訊素，在散居型蝗蟲中基本檢測不到。但只要有4~5只散居型蝗蟲聚集在一起，資訊素的釋放就可以啟動，這說明它具有很低的誘發閾值。”康樂告訴《中國科學報》，“我們認為，在野外可能只是小範圍的蝗蟲聚集就能釋放4VA，繼而招募更多的蝗蟲加入進來，使蝗蟲的群體越來越大。”

那麼，4VA在自然環境中能夠吸引和聚集蝗蟲嗎？研究人員將含有4VA的誘芯佈置在田間，發現4VA對實驗室種群在戶外具有很強的吸引力。進而，他們將誘芯直接佈局到蝗蟲野外發生區天津北大港，大範圍的區塊實驗再一次證明4VA不僅能吸引野外種群，而且不受自然環境中蝗蟲背景密度的影響。

本研究首次從化學分析、行為驗證、神經電生理記錄、嗅覺受體鑑定、基因敲除和野外驗證等多個層面對飛蝗群聚資訊素進行了全面而充分的鑑定和驗證，發現和確立了4VA是飛蝗群聚資訊素，而過去報道已知的其它化合物都不具備群聚資訊素的所有條件，本項研究正規化將化學生態學的研究提高到一個新階段。

論文審稿人之一、美國科學院院士、美國洛克菲勒大學教授萊斯莉·沃斯霍爾評價稱：“這項工作獲得了令人興奮的發現，找到了一個人們長期尋找的蝗蟲群聚資訊素分子。文章包含了令人吃驚的多個層次的研究，我給予無條件的支援，這項傑出的工作不要有任何拖延，應該優先在《自然》上發表。”

綠色防治照進現實

長期以來，人們對於蝗災的防治主要依賴化學殺蟲劑大規模的噴施。康樂團隊的這項研究不僅揭示了蝗蟲群居的奧秘，而且使蝗蟲的綠色和可持續防控成為可能。

“我們發現，4VA來源於蝗蟲吃下去的植物，人工合成非常容易，也很便宜。”康樂說，利用人工合成的資訊素可以在田間長期監測蝗蟲種群動態，為預測預報服務；可以設計誘集帶誘集蝗蟲，並在誘集帶集中使用化學農藥或生物製劑將其消滅，從而極大地減少化學農藥的使用；還可以根據4VA的結構設計拮抗劑，阻止蝗蟲的聚集。

同時，科研人員還在蝗蟲的上百個嗅覺受體中，發現了4VA的特異性受體，利用基因編輯技術敲除這種受體後，4VA對飛蝗的吸引力和飛蝗對4VA的響應行為就喪失了。

這提示人們可以培養這種突變體飛蝗，並長期釋放到野外，這樣就可能在重災區建立起不能群居的蝗蟲種群，既在野外維持了一定數量的蝗蟲，又達到可持續控制的目的，將環境保護與害蟲控制有機地結合起來。

“論文上線的第一時間我就閱讀了這篇文章。”清華大學教授程功評價稱，“這是一項融會貫通的研究，其研究思路對我們從事昆蟲學其他領域研究的人也很有啟發。”

中科院院士、國家自然科學基金委員會原主任陳宜瑜還記得多年前，康樂等人大箱子小箱子地把蝗蟲從野外搬回實驗室裡的情景。“他在上世紀90年代就認識到要把宏觀生物學和微觀生物學整合在一起，用分子生物學的技術去解決宏觀科學問題。這項重大成果是康樂團隊鍥而不捨、長期堅持的結果。”

也許假以時日，當人們再次想起蝗蟲的時候，聯想到的是不一樣的關鍵詞。

相關論文資訊：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2610-4