给蝗虫群聚装上“智能刹车”

蝗虫群聚是蝗灾暴发的核心因素。这些农业害虫为何会“集结”？2020年，中国科学院院士、中国科学院动物研究所研究员康乐团队发现，蝗虫的群聚依赖于一种化学信号——信息素4-乙烯基苯甲醚。但是，这种化学信号是如何合成的尚不清楚。

现在，康乐团队与北京大学教授雷晓光团队合作，揭示了其背后的合成机制，鉴定出关键合成酶并开发出特异性抑制剂，首次实现对蝗虫群聚行为的精准化学调控，为全球农业害虫绿色防控提供了革命性策略。相关研究6月25日发表于《自然》。

群居蝗虫与散居蝗虫对比。研究团队供图

打开蝗虫群聚“黑箱”

当蝗灾发生时，成千上万的蝗虫总是集群而来，遮天蔽日，危害植物。

但事实上，蝗虫并非生来就是群居状态。通常，人们看到的是散居的绿色蝗虫，它们相对温和，危害不大。然而，当蝗虫聚集在一起，种群密度较高时，它们的体色会逐渐变成黑棕色，迅速繁殖，并吸引周围的同类加入，飞快吞食所经过地区的农作物和其他植物，造成严重的经济损失。

成群的蝗虫很难治理，而大量使用化学农药会造成生态环境污染。能否通过生物手段不让蝗虫集群，从而控制蝗灾呢？2020年，康乐团队发现4VA会引起蝗虫聚集后，为这一想法提供了实现路径。

然而，这种信息素如何在蝗虫体内合成、为何仅群居型蝗虫能产生该物质仍是未解之谜。

此次研究中，合作团队通过稳定同位素标记实验，首次绘制出4VA的合成“路线图”。当一只蝗虫在吞食植物时，其群聚信息素的生物合成就开始了。它会吸收植物的氨基酸苯丙氨酸，历经肉桂酸、对羟基肉桂酸，随血淋巴扩散转化为4-乙烯基苯酚，最终在甲基转移酶——4VPMT1和4VPMT2(以下简称4VPMTs)的催化下生成4VA。

值得关注的是，蝗虫可直接从植物中获取前体物质，仅需两步反应即可合成信息素，展现出高效节能的进化策略。

简单地说，康乐表示，蝗虫这种“借植物原料，造‘集结’信号”的合成策略，极大提高了蝗虫的信息素合成效率。

精准调控“分子开关”

研究团队发现，散居与群居蝗虫的区别，关键在于4VP到4VA的甲基化步骤。群居型蝗虫体内4VPMTs的表达量随种群密度升高而激增，犹如分子开关，控制4VA的释放。当通过RNA干扰技术抑制这两种酶的表达后，群居蝗虫显著向散居转变。

以此为靶点，他们设计筛选出小分子抑制剂4-硝基苯酚——其与酶的结合亲和力比天然底物4VP更高，能竞争性占据活性位点，在0.1纳摩尔的极低浓度下即可抑制4VA合成。

实验显示，饲喂喷洒4NP的麦苗后，群居蝗虫的4VA释放量显著下降，群聚行为显著向散居行为转变。与此类似，即使对散居蝗虫进行群聚化处理，4NP仍能阻断其向群居转变。

“这相当于给蝗虫群聚行为装上了‘智能刹车’。” 雷晓光比喻说，4NP作为底物类似物，与4VPMTs的特异性相互作用，既能干扰4VA的合成通路，又能避免干扰其他代谢通路时产生的脱靶效应。

开创害虫防控新路径

昆虫信息素作为维系昆虫种内协同与种间互作的核心化学纽带，其功能机制的深度解析与创新应用，始终是害虫绿色防控领域的前沿焦点与攻坚方向。

中国工程院院士、中国农业科学院植物保护研究所研究员吴孔明评价称，该系列研究不仅填补了昆虫化学通信合成机制研究与靶向调控的重要空白，更开创了“以生物信息流为靶点”的害虫防控新路径，标志着害虫防控迈入“智能调控时代”。

中国科学院院士、中国科学院微生物研究所研究员高福指出，其“结构解析—机制阐明—药物设计—功能调控”的全流程创新范式，具有广泛借鉴意义。

中国科学院上海有机化学研究所研究员刘文表示，蝗虫利用植物代谢产物合成信息素的“取巧”策略，为理解昆虫与植物的协同进化提供了新视角。

研究人员表示，通过干扰害虫化学通信而非直接毒杀，实现精准、绿色防控，为害虫治理开辟了全新路径。下一步，团队希望开发出能够抑制蝗虫群聚信息素的更多候选化合物。

相关论文信息:

《中国科学报》