蝗蟲是如何聚群成災的？最新研究：“臭味相投”

當黑壓壓的蝗蟲鋪天蓋地般襲來，到底有多可怕？根據聯合國糧農組織的判斷，1平方公里的蝗群1天能吃掉3。5萬人的口糧。

這些吃糧不眨眼的蝗蟲是如何聚群成災的？8月12日，中科院動物研究所康樂院士團隊在《自然》發表的一項研究成果，揭示了飛蝗“群體作惡”的奧秘：從三三兩兩散居的飛蝗到成千上萬只大規模聚集的蝗群，習慣獨處的飛蝗之所以放棄“自由生活”，是因為一種來自群居型飛蝗特異性揮發的氣味。這種氣味中含有一種釋放量低但生物活性非常高的化合物，名為4－vinylanisole（4VA，4－乙烯基苯甲醚），它能夠響應飛蝗種群密度的變化，隨著種群密度的增加而增加。受其“蠱惑”，“欲罷不能”的飛蝗開始成群結隊地聚集，最終釀成毀滅性的蝗災。

“這些結果使我們第一次真正認識到蝗蟲的群聚資訊素。這些發現不僅可以被應用到基礎研究中，同時也非常有希望應用於野外蝗蟲的治理上。”德國馬普化學生態研究所所長比爾漢森表示。

不可忽視的蝗災危害

小小的蝗蟲雖然其貌不揚，但若數以億計的蝗蟲們聚到一起，其破壞力卻是災難性的。

蝗災、旱災、洪災，這是我國曆史上的三大自然災害，我國近2000多年的歷史記載顯示，大規模的蝗災發生過800多次。

與主要襲擾我國的飛蝗不同，沙漠蝗雖然僅僅分佈在非洲、中東、南歐和南亞地區，但有關其危害的記載可以追溯到5000多年以前。從2019年到2020年6月，沙漠蝗的爆發從非洲之角蔓延到20多個國家和地區。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，沿途1190萬人的糧食供應受到直接威脅。

儘管蝗災與人類發展歷史長期相伴，然而我們對蝗災成因的科學認識不足百年。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，他因在蝗蟲研究方面的傑出貢獻，被英國皇家授予爵士頭銜。在尤瓦洛夫提出蝗蟲型變理論之前，人們認為散居和群居蝗蟲是兩個不同的物種。散居型蝗蟲因密度較低，不發生遷飛，一般認為無害，而群居型蝗蟲一旦形成就會導致蝗災發生。

可是喜歡獨居的蝗蟲是如何形成蝗群的，這其中發揮關鍵作用的又是什麼？近80年來，對於蝗群如何形成，科學家們提出了許多假說，比如食物、繁殖地、性成熟、群集資訊素、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麼？無人知曉。

向著未知前進，上世紀七十年代，科學家們逐步認識到群聚資訊素可能是蝗蟲能夠聚集的最關鍵因素。此後，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資訊素，這些資訊素被命名為蝗醇、蝗酚等。然而，這些化合物中沒有一個化合物能符合群聚資訊素的所有標準，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。

“一個合格的群聚資訊素應當沒有性別偏好、不分大小和年齡的。”康樂強調。

鑑定發現蝗災“罪魁禍首”4VA

那麼，蝗蟲們群聚成災的真相是什麼？2004年，康樂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年磨一劍，如今研究團隊發現了一種誘惑蝗蟲破壞性叢集的關鍵化學物質。

透過分析群居型飛蝗和散居型飛蝗的體表和糞便揮發物，研究團隊在35種化合物中鑑定到了一種化學資訊素——4－乙烯基苯甲醚，並透過一系列行為實驗確定了其，無論是對群居型飛蝗還是散居型飛蝗、雌性飛蝗還是雄性飛蝗、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。

更有趣的是，科學家們還發現僅需4－5只散居飛蝗聚集，這種群聚資訊素便可產生和釋放，繼而促進形成巨大的蝗蟲群。

在上述研究的基礎上，研究人員在飛蝗觸角上的四種主要感器型別中，發現了4VA特異引起錐形感器的反應。在蝗蟲的上百個嗅覺受體中，他們發現定位在錐形感器中的嗅覺受體OR35是4VA的特異性受體。當使用基因編輯技術CRISPR／Cas9敲除OR35後，飛蝗突變體的觸角與錐形感器神經電生理反應顯著降低，突變體也對4VA的響應行為和吸引力喪失。

那麼4VA在戶外和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，透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，對飛蝗群居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。”在康樂看來，本項研究正規化將化學生態學的研究提高到一個新的階段，因此這項研究也被看作是昆蟲學研究的一個重要突破。

綠色可持續防控成為可能

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，而不合理的化學農藥的使用對食品安全、生態系統和人類健康產生了巨大的負面影響。中國科學家團隊的最新研究不僅揭示蝗蟲群居的奧秘，更重要的是使蝗蟲的綠色和可持續防控成為可能。

康樂認為，這項研究將從多個方面改變人們控制蝗災的理念和方法：比如，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；

利用人工合成的資訊素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；

根據4VA的結構設計拮抗劑，阻止蝗蟲的聚集；

嗅覺受體OR35的發現，為使用基因編輯技術建立4VA反應缺失的突變體成為可能，這種突變體長期釋放到野外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。

“因此，4VA和它的受體的發現將極大地改變防治蝗蟲的對策和技術。”康樂稱。

在論文的一位匿名審稿人看來，“該研究旨在闡明4VA作為群居資訊素在飛蝗群聚過程中的作用，是一項令人印象深刻的、高技術的、深入的研究。”。而一位透明審稿人、美國洛克菲勒大學教授萊斯莉·沃斯霍爾則明確表示，“這項工作做出了令人興奮的發現，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。”

“這是中國科學家為國際昆蟲學和蝗蟲防治做出的巨大貢獻，這是在經歷50年的漫長探索後，科學家們第一次真正確認了飛蝗的群聚資訊素。”聯合國糧農組織植物生產與保護司司長夏敬源在賀信中表示，“4VA發現將大大提高蝗災的預測和控制水平，為人們開發新的蝗災控制方法提供重要線索。同時，該研究也為沙漠蝗的研究和控制提供了重要參考”