蝗虫如何聚群成灾？一种构成破坏性集群的关键化学物质被发现

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中国科学院院士康乐在科普讲座。本报记者沈慧摄

从三三两两散居的飞蝗到成千上万只大规模聚集的蝗群，习惯独处的飞蝗之所以放弃“自由生活”，是因为一种来自群居型飞蝗特异性挥发的气味。这种气味中含有一种释放量低但生物活性非常高的化合物，名为4-vinylanisole（4VA，4-乙烯基苯甲醚），它能够响应飞蝗种群密度变化，随着种群密度增加而增加。受其“蛊惑”，“欲罢不能”的飞蝗开始成群结队聚集，最终酿成毁灭性蝗灾。

“这些发现使我们第一次真正认识到蝗虫的群聚信息素。这不仅可以被应用到基础研究中，也非常有希望应用于野外蝗虫治理。”德国马普化学生态研究所所长比尔汉森表示。

不可忽视的蝗灾危害

小小蝗虫虽其貌不扬，若数以亿计聚到一起，破坏力却是灾难性的。蝗灾、旱灾、洪灾是我国历史上三大自然灾害。近2000多年历史记载显示，我国发生过大规模蝗灾800多次。

与主要袭扰我国的飞蝗不同，沙漠蝗虽然仅仅分布在非洲、中东、南欧与南亚地区，但有关其危害的记载可追溯到5000多年前。2019年到2020年6月，沙漠蝗的爆发从非洲之角蔓延到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，沿途1190万人的粮食供应受到直接威胁。

蝗灾与人类发展历史长期相伴，然而，我们对蝗灾成因的科学认识不足百年。国际著名昆虫学家和蝗虫学之父尤瓦洛夫发现，飞蝗之所以成灾，是因为蝗虫能从低密度散居型转变为高密度群居型——因在蝗虫研究方面的杰出贡献，他被英国皇家授予爵士头衔。而在尤瓦洛夫提出蝗虫型变理论之前，人们一度认为散居型和群居型蝗虫是两个不同物种。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，则会导致蝗灾发生。

可是，喜欢独居的蝗虫是如何形成蝗群的，这其中发挥关键作用的又是什么？近80年来，科学家们对此提出了许多假说，比如食物、繁殖地、性成熟、群集信息素、气候等。但是，究竟是哪一个因素起主要作用，其中的奥秘和机理又是什么？无人知晓。

向着未知前进。上世纪70年代，科学家们逐步认识到群聚信息素可能是蝗虫聚集的最关键因素。此后，经过科学家们50多年不断努力，有几种化合物被认为可能是蝗虫的群聚信息素，被命名为蝗醇、蝗酚等。然而，这些化合物中没有一个能符合群聚信息素所有标准，比如有的在实验室有效，但在野外种群验证时无效；有的对雌性蝗虫有效，但对雄性蝗虫无效。

“一个合格的群聚信息素应当没有性别偏好、不分大小和年龄。”康乐强调。

鉴定发现蝗灾“罪魁祸首”

那么，蝗虫们群聚成灾的真相是什么？2004年，康乐团队开始了蝗虫型变基因表达调控与表观遗传调控的分子机理研究。如今，研究团队发现了一种诱惑蝗虫破坏性集群的关键化学物质。

通过分析群居型飞蝗与散居型飞蝗体表和粪便挥发物，研究团队在35种化合物中鉴定到一种化学信息素——4-乙烯基苯甲醚，并通过一系列行为实验确定其无论对群居型飞蝗还是散居型飞蝗、雌性飞蝗还是雄性飞蝗、飞蝗幼虫还是飞蝗成虫，均具有很强吸引力，且能够响应蝗虫种群密度变化，随着种群密度增加而增加。

更有趣的是，科学家们还发现，仅需4只至5只散居飞蝗聚集，这种群聚信息素便可产生和释放，继而促进形成巨大蝗虫群。

在上述研究基础上，研究人员在飞蝗触角上的4种主要感器类型中，发现了4VA特异引起锥形感器的反应。在蝗虫上百个嗅觉受体中，定位在锥形感器中的嗅觉受体OR35是4VA特异性受体。当使用基因编辑技术敲除OR35后，飞蝗突变体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。

那么，4VA在户外和自然环境中能吸引与聚集蝗虫吗？研究人员通过室外草地双选与诱捕实验证明，4VA对实验室种群在户外具有很强吸引力。进而，他们在天津北大港大范围实验，再一次证明4VA不仅能吸引野外种群，且不受自然环境中蝗虫背景密度影响。

“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、基因敲除和野外验证等多层面，对飞蝗群居信息素开展全面充分鉴定和验证，发现和确立了4VA才是飞蝗群聚信息素。”在康乐看来，本研究将化学生态学研究提高到一个新阶段，是昆虫学研究的一个重要突破。

绿色可持续防控成为可能

长期以来，人们对蝗灾的防治主要依赖化学杀虫剂大规模喷施，会对食品安全、生态系统和人类健康产生巨大负面影响。这项最新研究不仅揭示蝗虫群居的奥秘，更重要的是，使蝗虫绿色、可持续防控成为可能。

康乐认为，这项研究将从多方面改变人们控制蝗灾的理念和方法，比如利用人工合成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可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，从而极大减少化学农药使用；根据4VA的结构设计拮抗剂，阻止蝗虫聚集；嗅觉受体OR35的发现，为使用基因编辑技术建立4VA反应缺失突变体成为可能。一旦这种突变体长期释放到野外，就可能在重灾区建立起无法群居的蝗虫种群，既维持了蝗虫一定数量，又可持续控制，将环境保护与害虫控制有机结合起来。

“因此，4VA与其受体的发现，将极大改变防治蝗虫对策和技术。”康乐表示。

“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，文章包含了令人吃惊的多个层次研究。”美国洛克菲勒大学教授莱斯莉·沃斯霍尔明确表示。

“这是中国科学家为国际昆虫学与蝗虫防治作出的巨大贡献。这是在经历50年探索后，科学家们第一次真正确认了飞蝗的群聚信息素。”联合国粮农组织植物生产与保护司司长夏敬源在贺信中表示，“4VA的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，该研究也为沙漠蝗的研究和控制提供了重要参考。”