蝗蟲是主要全球性農(nóng)業(yè)害蟲之一，經(jīng)常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來毀滅性打擊。2020年聯(lián)合國糧農(nóng)組織網(wǎng)站信息顯示，截至當時，一場25年來最嚴重的沙漠蝗災(zāi)席卷了非洲和亞洲20多個國家，全球受災(zāi)面積達1600多萬平方公里，直接威脅當?shù)丶s1900多萬人的糧食安全。2023年2月，蝗災(zāi)再次席卷該地區(qū)，造成重大損失。飛蝗之害，古已有之，從公元前707年到1935年的2,600多年中，我國明確記載的蝗災(zāi)就有800多次，平均每2～3年就有一次區(qū)域性大災(zāi)，而5～7年就會有一次席卷大半個中國的大范圍蝗災(zāi)。

散居型飛蝗通體綠色，隱匿于草叢，只有雌雄交配時才相互接觸，其他大多數(shù)時候都是“獨行俠”，其飛行能力較弱，活動范圍也比較小，基本沒有什么破壞性。其實，只有當飛蝗從低密度的散居型轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊娜壕有停趴赡軐?dǎo)致蝗災(zāi)暴發(fā)。

一旦零散的飛蝗聚集成群，它們的形態(tài)和性情大變。聚集成群的飛蝗幾小時內(nèi)就會變色，它們的體色從綠色變成黑棕色，其中背部變成黑色，腹部則變成棕色。在蝗災(zāi)區(qū)域，人們往往能看見黑壓壓一片的飛蝗。群居型飛蝗表現(xiàn)出密度大、食量大、飛行能力強等特點。一公里區(qū)域的蝗群可容納8000萬只成年飛蝗，這些飛蝗食量驚人，每天可吃掉500噸食物，相當于3.5萬人的口糧。群居型飛蝗飛行能力超強，可飛行數(shù)百公里甚至上千公里，所以蝗群一旦形成，為害程度和范圍都非常大。

那么，飛蝗如何從散居型轉(zhuǎn)變成群居型呢？飛蝗型變的機制一直是國際昆蟲學(xué)界高度關(guān)注的重大科學(xué)問題之一。中國科學(xué)院動物研究所康樂院士團隊為解決這一問題開展了20多年的深入研究，由康樂院士領(lǐng)銜完成的“飛蝗兩型轉(zhuǎn)變的分子調(diào)控機制研究”成果獲得2017年國家自然科學(xué)獎二等獎。

要找到防治蝗災(zāi)的方法和藥物，最根本的途徑是將誘發(fā)昆蟲群居的機制研究透徹。通過多年研究，康樂院士團隊研發(fā)了基因芯片、小RNA技術(shù)等新技術(shù)新方法，對散居型和群居型飛蝗的基因表達水平、表觀遺傳調(diào)控、轉(zhuǎn)錄組和代謝組等進行全面比較分析，發(fā)現(xiàn)飛蝗型變過程涉及到多基因多水平的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，最終導(dǎo)致散居型與群居型飛蝗在行為、遷飛、體色、生殖、發(fā)育、防御和取食等方面都存在顯著的表型差異。

這里首當其沖的研究是要了解飛蝗兩型飛蝗（散居型和群居型）型變?nèi)绾螁雍途S持的。康樂團隊研究發(fā)現(xiàn)，飛蝗型變的啟動首先是從嗅覺開始的，其中兩類與嗅覺相關(guān)的化學(xué)氣味感受基因通過調(diào)節(jié)飛蝗嗅覺的敏感性來啟動飛蝗聚集，找到調(diào)控這些嗅覺相關(guān)基因的物質(zhì)，則可篩選出綠色環(huán)境友好型飛蝗生物殺蟲劑。一系列研究表明，蝗群聚集啟動還涉及多種化學(xué)物質(zhì)，例如多巴胺、乙酰肉堿等等，其中，多巴胺是啟動飛蝗群聚的關(guān)鍵調(diào)控因子，群居型飛蝗體內(nèi)多巴胺表達量顯著提升，調(diào)控一系列中樞神經(jīng)信號通路，相當于通知飛蝗身體的各個部位——各就各位，開始型變！

飛蝗成群的長距離遷飛是造成蝗災(zāi)暴發(fā)的主要原因。通過長距離遷飛，蝗群可以獲得充足的食物，并找到合適的產(chǎn)卵地，以利于群體生存和后代繁衍。但是，長距離遷飛非常耗能，除了大量進食之外，群居型飛蝗還在能量利用效率方面比散居型飛蝗更勝一籌�？禈穲F隊研究發(fā)現(xiàn)，群居型飛蝗屬于“長跑型”選手，適合長時間長距離飛行，而散居型飛蝗屬于“短跑型”選手，適合短距離彈跳躲避天敵，而一些神經(jīng)肽在群居型飛蝗的飛行能力提升上扮演重要角色，例如酯動員激素相關(guān)神經(jīng)肽參與酯類的氧化和利用，解決長距離飛行中的能量高效利用問題。

飛蝗型變中的體色黑化也是一項非常有意思的研究。研究人員發(fā)現(xiàn)，體色變化其實是群居型飛蝗的一種群體防御機制。散居型飛蝗呈綠色，是為了在草叢中保護自己，而群居型飛蝗則習(xí)慣招搖過市，不再需要偽裝躲藏，因此綠色已經(jīng)沒有保護意義，群居型飛蝗轉(zhuǎn)而“黑化”，同時體內(nèi)會分泌有毒成分，而黑棕相間的體色也是一種警戒色，為的是向天敵發(fā)出警告信號——別吃我，我有毒！

至于飛蝗為什么能“黑化”？之前人們普遍猜測是因為黑色素的沉積。直到2019年，康樂團隊研究發(fā)現(xiàn)，黑棕相間的體色并非黑色素增加的緣故，而是當飛蝗密度增加時，飛蝗體內(nèi)的很多基因表達水平會隨之發(fā)生變化，其中一個合成β胡蘿卜素結(jié)合蛋白的基因表達水平會顯著升高，而大量的β胡蘿卜素結(jié)合蛋白與β胡蘿卜素結(jié)合后會形成紅色素，紅色素再與飛蝗體內(nèi)的綠色物質(zhì)混合成黑色，原來飛蝗體內(nèi)存在一種天然的“調(diào)色板”。

這些研究得到國際同行的高度認可，認為是近十年該領(lǐng)域最令人鼓舞的突破性研究，不僅對于認識生物對變化環(huán)境響應(yīng)和適應(yīng)性具有重要意義，而且為蝗災(zāi)的防治提供了一系列新的思路和方案。

（文：中關(guān)村國科現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新研究院 研究館員 湯波 把關(guān)專家：蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院研究員 趙序茅）

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