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【中国新闻网】蝗虫如何聚群成灾?中国科学家最新研究揭秘

中科院举行专题新闻发布会。 孙自法 摄

彩票大赢家登陆注册  中新网北京8月13日电 (记者 孙自法)飞蝗是世界上分布最广泛的蝗虫,至今仍是非洲、亚洲、中东和澳大利亚的重要农业害虫,其聚群成灾机理研究一直备受关注。

彩票大赢家登陆注册  中国科学家历时数十年持续研究,最近取得里程碑突破——发现化合物4-乙烯基苯甲醚(4-vinylanisole,4VA)对群居型和散居型飞蝗的不同发育阶段和性别都有很强的吸引力,并定位蝗虫锥形感器中的嗅觉受体OR35是4VA的特异性受体。

康乐院士介绍科研成果。 孙自法 摄

康乐院士介绍科研成果。 孙自法 摄

 

  由彩票大赢家登陆注册 院士、中科院动物研究所康乐研究员团队成功揭秘蝗虫聚群成灾机理的重大科研成果论文,已获最新一期国际权威学术期刊《自然》发表。

    鉴定发现蝗灾“罪魁祸首”4VA

  中科院13日在北京就这项成果举行专题新闻发布会。康乐院士介绍说,研究团队2004年开启蝗虫型变基因表达调控和表观遗传调控的分子机理研究,通过分析飞蝗群居型和散居型飞蝗的体表和粪便挥发物,在35种化合物中鉴定到一种由群居型蝗虫特异性挥发的气味,释放量低但生物活性非常高的化合物4VA。

彩票大赢家登陆注册  研究团队通过一系列行为实验确定4VA对群居型和散居型飞蝗的不同发育阶段和性别都有很强的吸引力: 4VA能够响应蝗虫种群密度的变化,随着种群密度增加而增加,甚至它的产生可由4-5只散居飞蝗聚集而触发,具有很低的诱发阈值。

康乐院士介绍科研成果。 孙自法 摄

康乐院士介绍科研成果。 孙自法 摄

彩票大赢家登陆注册  同时,研究团队在飞蝗触角上的四种主要感器类型中,发现4VA特异引起锥形感器的反应。在蝗虫的上百个嗅觉受体中,他们发现定位在锥形感器中的嗅觉受体OR35是4VA的特异性受体。当使用基因编辑技术CRISPR/Cas9敲除OR35后,飞蝗突变体的触角与锥形感器神经电生理反应显著降低,突变体也对4VA的响应行为和吸引力丧失。

  为进一步研究4VA在户外和自然环境中是否能够吸引和聚集蝗虫,研究团队将含有4VA的诱芯布置在田间,通过室外草地双选和诱捕实验证明4VA对实验室种群在户外具有很强的吸引力。后续,他们将诱芯直接布局到蝗虫野外发生区天津北大港,大范围的区块实验再一次证明,4VA不仅能吸引野外种群,而且不受自然环境中蝗虫背景密度的影响。

  康乐指出,最新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、基因敲除和野外验证等多个层面,对飞蝗群居信息素进行全面而充分的鉴定和验证,发现并确立4VA是飞蝗群聚信息素。而且,这不仅是在昆虫界,也是在动物界第一次发现4VA。

康乐院士回答提问。 孙自法 摄

康乐院士回答提问。 孙自法 摄

    推动绿色和可持续防控蝗灾

  长期以来,人们对于蝗灾的防治主要依赖化学杀虫剂大规模的喷施,而不合理的化学农药的使用对食品安全、生态系统和人类健康产生了巨大的负面影响。中国科学家团队的最新研究不仅揭示蝗虫群居的奥秘,而且使蝗虫的绿色和可持续防控成为可能。

彩票大赢家登陆注册  康乐表示,4VA和它的受体的发现,将极大改变防治蝗虫的对策和技术,这项研究成果将从多个方面改变人们控制蝗灾的理念和方法:

彩票大赢家登陆注册  一是利用人工合成的信息素可以在田间长期监测蝗虫种群动态,为预测预报服务;

  二是利用人工合成的信息素可以设计诱集带诱集蝗虫,并在诱集带集中使用化学农药或生物制剂将其消灭,从而极大地减少化学农药的使用;

  三是根据4VA的结构设计拮抗剂,阻止蝗虫的聚集;

  四是嗅觉受体OR35的发现,为使用基因编辑技术建立4VA反应缺失的突变体成为可能,这种突变体长期释放到野外就可能在重灾区建立起不能群居的蝗虫种群,既在野外维持了一定数量的蝗虫,又达到可持续控制的目的,将环境保护与害虫控制有机结合起来。

飞蝗群聚信息素4VA的鉴定与功能研究。(研究团队 供图) 供图 摄

飞蝗群聚信息素4VA的鉴定与功能研究。(研究团队 供图) 供图 摄

    将对蝗灾防治产生颠覆性影响

  中国科学家关于蝗虫聚群成灾研究的最新成果,获得国际国内学术界高度评价,认为是昆虫学研究领域一个里程碑式的、颠覆性的重要突破,并将化学生态学的研究提高到一个新的阶段。

彩票大赢家登陆注册  成果论文在《自然》审稿时,两位匿名审稿人认为“该研究旨在阐明4VA作为群居信息素在飞蝗群聚过程中的作用,是一项令人印象深刻的、高技术的、深入的研究”“本研究聚焦于一个极具吸引力的生物学问题,在这个领域取得了非常重要的进展”。

飞蝗(Locusta migratoria)。(研究团队 供图) 供图 摄

飞蝗(Locusta migratoria)。(研究团队 供图) 供图 摄

彩票大赢家登陆注册  另一位透明审稿人是国际著名神经生物学家、美国彩票大赢家登陆注册 院士、美国洛克菲勒大学莱斯莉·沃斯霍尔(Leslie B.Vosshall)教授,她在审稿意见中明确表示: “文章包含了令人吃惊的多个层次的研究。这项工作做出了令人兴奋的发现,找到了一个人们长期寻找的蝗虫群聚信息素分子。”

  非洲彩票大赢家登陆注册 院长菲利克斯·达帕雷·达科拉(Felix Dapare Dakora)认为,4VA成果是国际蝗虫学研究的一个新的里程碑,同时对非洲蝗灾的治理具有重要而深远的意义,他希望借鉴这个工作的结果对非洲沙漠蝗灾的治理提出防控对策和方法。

彩票大赢家登陆注册  联合国粮农组织植物生产与保护司司长夏敬源发贺信说,这是中国科学家为国际昆虫学和蝗虫防治做出的巨大贡献;这是在经历50年的漫长探索后,科学家们第一次真正确认了飞蝗的群聚信息素;4VA发现将大大提高蝗灾的预测和控制水平,为人们开发新的蝗灾控制方法提供重要线索。“同时,我认为你们的研究也为沙漠蝗的研究和控制提供了重要参考”。

  中科院院士、深圳华大基因彩票大赢家登陆注册 理事长杨焕明认为,研究揭秘蝗虫聚群成灾的科研成果,是继参与人类基因组、水稻基因组计划之后,中国科学家对世界的又一个重大科学贡献。

彩票大赢家登陆注册  中国彩票大赢家登陆注册 植物保护研究所王桂荣研究员指出,蝗虫群聚信息素4VA分子结构简单,相关产品研发成本低,在抑制蝗灾领域将得到很好应用。

彩票大赢家登陆注册  中国农业大学教授张龙表示,蝗虫群聚信息素4VA的发现并确立,是对蝗灾防治将产生颠覆性影响的重大成果。

蝗虫聚群成灾。(研究团队 供图) 供图 摄

蝗虫聚群成灾。(研究团队 供图) 供图 摄

  蝗灾研究发展的“前世今生”

  蝗灾与旱灾、洪灾并称中国历史上的三大自然灾害,据中国2000多年的历史记载显示,大规模的蝗灾发生过800多次。飞蝗是世界上分布最广泛的蝗虫,沙漠蝗虽然仅仅分布在非洲、中东、南欧和南亚地区,但危害的记载可以追溯到5000多年以前。

  这两种蝗虫灾害一直被认为是主要蝗灾。在世界范围内,蝗灾仍然对农业、经济和环境构成重大威胁。从2019年到2020年6月,沙漠蝗的爆发从非洲之角到伊朗南部和印巴边境,蔓延到20多个国家和地区。联合国粮农组织判断,沙漠蝗蝗灾波及区域达26万多公顷,规模为25年一遇,1平方公里的蝗群1天就能吃掉3.5万人的口粮,该地区1190万人的粮食供应受到直接威胁。近年来,俄罗斯、北美和南美也遭遇到当地蝗虫的袭扰。

  据康乐院士团队介绍,尽管蝗灾与人类发展历史长期相伴,但是真正在科学上对蝗灾成因的认识不足百年。国际著名昆虫学家和“蝗虫学之父”尤瓦洛夫1921发现,飞蝗之所以能成灾是因为蝗虫可以从低密度的散居型转变为高密度的群居型。而在尤瓦洛夫提出蝗虫型变理论之前,人们把散居和群居蝗虫认为是两个不同的物种。散居型蝗虫因密度较低,不发生迁飞,一般认为无害。群居型蝗虫一旦形成就会导致蝗灾发生,蝗群会大规模移动或迁飞导致更大范围的蝗灾发生。

  近80年来,对蝗群如何形成有许多假说,包括食物、繁殖地、性成熟、群集信息素、气候等假说,但是究竟是哪一个因素起主要作用以及其中的奥秘和机理并没有在科学上被揭示。上世纪七十年代,国际上科学家们才逐步认识到群聚信息素可能是蝗虫能够聚集的最关键因素。经过50多年几代科学家的不断努力,有几种化合物被认为可能是蝗虫的群聚信息素,这些信息素被命名为蝗醇、蝗酚等。但是,这些化合物中没有一个化合物能符合群聚信息素的所有标准,特别是没有野外种群验证的证据。

彩票大赢家登陆注册  人类对蝗虫聚群成灾的认识,迄今已经历几个重要突破: 首先是尤瓦洛夫提出的著名的蝗虫型变理论,该理论提出之后,先后在世界上发现大约有10种最具危险性的蝗虫都有型变现象。

  第二个重要突破是英国科学家辛普森领导的团队在上世纪90年代建立的沙漠蝗群居型与散居型行为判别模式和生理学特征。

  第三个重要的突破是来自于中科院康乐院士团队,他们新发现飞蝗群聚信息素,揭示出飞蝗群聚的奥秘。这一突破具有重要的理论意义与应用价值,将进一步推动国际蝗虫领域的研究。

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