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1平方公里蝗群1天吃掉3.5万人口粮 蝗虫如何聚群成灾?

1平方公里的蝗虫群每天吃掉35000人。蝗虫是如何陷入灾难的? 蝗虫是如何陷入灾难的?一样的味道! 经济日报中国经济网记者申会 当黑色蝗虫肆虐的时候有多可怕?根…

1平方公里的蝗虫群每天吃掉35000人。蝗虫是如何陷入灾难的?

蝗虫是如何陷入灾难的?一样的味道!

经济日报中国经济网记者申会

当黑色蝗虫肆虐的时候有多可怕?根据联合国粮农组织的判断,1平方公里的蝗虫群一天可以吃掉35000人的口粮。这些蝗虫是如何“不眨眼就吃”成灾难的?让我们听听专家的意见。

最近,中国科学院动物研究所的休闲院士团队在国际顶级期刊《自然》上发表了他们的研究成果,揭示了飞蝗“群体之恶”的奥秘:从三三两两的零散蝗虫到成千上万的大规模蝗虫群,习惯于独处的飞蝗之所以放弃“自由生活”,是因为社会飞蝗特有的挥发气味。这种气味含有一种低释放但高生物活性的化合物,命名为4-乙烯基苯甲醚(4VA,4-乙烯基苯甲醚),它能响应飞蝗种群密度的变化,并随着种群密度的增加而增加。被它“蛊惑”的飞蝗开始成群聚集,最终导致毁灭性的蝗灾。

“这些发现使我们第一次意识到蝗虫的群体信息素。这不仅适用于基础研究,也适用于野外蝗虫防治。”德国马克斯·普朗克化学生态研究所主任比尔·汉森说。

蝗虫的危害不容忽视

尽管小蝗虫很丑,但如果数亿只聚集在一起,它们的破坏力是灾难性的。蝗灾、旱灾和水灾是我国历史上的三大自然灾害。近2000年的历史记载表明,中国已经发生了800多次大规模的蝗灾。

沙漠蝗虫不同于主要困扰我国的飞蝗,仅分布在非洲、中东、南欧和南亚,但其危害可追溯到5000多年前。从2019年到2020年6月,沙漠蝗虫的爆发从非洲之角蔓延到20多个国家和地区。根据粮农组织的判断,沙漠蝗灾影响26万多公顷,每25年发生一次,沿途1190万人的粮食供应受到直接威胁。

长期以来,蝗灾一直与人类发展史联系在一起。然而,我们对蝗灾成因的科学认识还不到一百年。国际知名昆虫学家、蝗虫科学之父尤·瓦洛夫(You Valov)发现,飞蝗之所以成为灾害,是因为蝗虫可以从低密度的分散型变为高密度的群居型。由于他对蝗虫研究的杰出贡献,他被英国皇家授予爵士称号。在瓦洛夫提出蝗虫的变态理论之前,人们曾经认为分散型蝗虫和群居型蝗虫是两种不同的物种。分散的蝗虫通常被认为是无害的,因为它们的密度低且不迁移;一旦社会蝗虫形成,就会导致蝗灾。

然而,喜欢独居的蝗虫是如何形成蝗虫的呢?在这方面什么起了关键作用?近80年来,科学家们提出了许多假说,如食物、繁殖地、性成熟、集群信息素、气候等。然而,哪一个因素起了主要作用,其奥秘和机理是什么?没人知道。

走向未知。20世纪70年代,科学家逐渐意识到聚集信息素可能是蝗虫聚集的最关键因素。此后,经过科学家50多年的不断努力,一些化合物被认为是蝗虫群信息素,命名为acrinol、蝗虫酚等。然而,这些化合物中没有一种能够满足所有的聚集信息素的标准,例如,一些在实验室中是有效的,但是在野外种群验证中不是有效的;有些对雌性蝗虫有效,但对雄性蝗虫无效。

\”一个合格的集群信息素应该没有性别偏好,无论大小和年龄.\”乐康强调。

鉴定发现了蝗灾的“罪魁祸首”

那么,蝗灾的真相是什么呢?2004年,乐康团队开始研究蝗虫突变基因表达调控和表观遗传调控的分子机制。现在,研究小组发现了一种关键的化学物质,这种化学物质可以引诱蝗虫形成破坏性的集群。

通过对社会飞蝗和分散飞蝗体表和粪便中挥发物的分析,研究小组在35种化合物中鉴定出一种化学信息素——4-乙烯基苯甲醚,并通过一系列行为实验确定其对社会飞蝗、分散飞蝗、雌性飞蝗、雄性飞蝗、幼虫或成虫飞蝗都有很大的吸引力,并能响应蝗虫种群密度的变化,随种群密度的增加而增加。

更有趣的是,科学家们还发现,只需要收集4到5只分散的飞蝗,这一组信息素就可以产生并释放出来,这反过来又促进了大蝗群的形成。

在上述研究的基础上,研究人员发现,在飞蝗触角上的四种主要感受器类型中,4VA特别引起圆锥形感受器反应。在蝗虫的数百个嗅觉感受器中,位于锥形传感器中的OR35是4VA的特异性感受器。当OR35被基因编辑技术敲除时,飞蝗突变体的触角和圆锥感受器的电生理反应显著降低,突变体也失去了对4VA的反应行为和吸引力。

那么,4VA能在户外和自然环境中吸引和聚集蝗虫吗?研究人员通过室外草地双重选择和诱捕实验证明,4VA对室外实验种群非常有吸引力。此外,他们在天津北大港进行了大规模实验,再次证明4VA不仅能吸引野生种群,而且不受自然环境中蝗虫本底密度的影响。

“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、基因敲除和田间验证等方面对飞蝗群信息素进行了全面、充分的鉴定和验证,发现并确定4VA为飞蝗群信息素。”在乐康看来,这一研究将化学生态学的研究推向了一个新的阶段,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靠大规模喷洒化学杀虫剂,这将对食品安全、生态系统和人类健康产生巨大的负面影响。这项最新研究不仅揭示了蝗虫群居的奥秘,更重要的是,它使得以绿色和可持续的方式防治蝗虫成为可能。

乐康认为,这项研究将在许多方面改变人们控制蝗灾的观念和方法。例如,使用合成信息素可以长期监测实地蝗虫种群动态,并用于预测;人工信息素可用于设计诱捕蝗虫的诱捕带,化学农药或生物制剂可用于消除诱捕带中的蝗虫,从而大大减少化学农药的使用;拮抗剂是根据4VA的结构设计的,以防止蝗虫聚集。嗅觉受体OR35的发现使得通过基因编辑技术建立4VA反应缺失突变体成为可能。一旦这种突变体被长期释放到野外,就有可能在受灾最严重的地区建立一个蝗虫群落,不仅保持一定数量的蝗虫,而且保持可持续控制,将环境保护与害虫防治有机结合起来。

“因此,4VA及其受体的发现将极大地改变蝗虫防治的对策和技术。”乐康说。

“这项工作取得了令人兴奋的发现,发现了一种蝗虫群体信息素分子,这是人们长期以来一直在寻找的。这篇文章包含了惊人的多层次研究。”美国洛克菲勒大学的莱斯利·沃斯霍尔教授说得很清楚。

“这是中国科学家对国际昆虫学和蝗虫防治的重大贡献。经过50年的探索,科学家们首次真正证实了飞蝗的群体信息素。”粮农组织植物生产与保护司司长夏景元在贺信中说:“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,该研究也为沙漠蝗虫的研究和防治提供了重要参考。”

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