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群居蝗蟲(chóng)（右）與散居蝗蟲(chóng)對(duì)比。研究團(tuán)隊(duì)供圖

蝗蟲(chóng)群聚是蝗災(zāi)暴發(fā)的核心因素。這些農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)為何會(huì)“集結(jié)”？2020年，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所研究員康樂(lè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，蝗蟲(chóng)的群聚依賴于一種化學(xué)信號(hào)——信息素4-乙烯基苯甲醚（4VA）。但是，這種化學(xué)信號(hào)是如何合成的尚不清楚。

現(xiàn)在，康樂(lè)團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)教授雷曉光團(tuán)隊(duì)合作，揭示了其背后的合成機(jī)制，鑒定出關(guān)鍵合成酶并開(kāi)發(fā)出特異性抑制劑，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)蝗蟲(chóng)群聚行為的精準(zhǔn)化學(xué)調(diào)控，為全球農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)綠色防控提供了革命性策略。相關(guān)研究6月25日發(fā)表于《自然》。

打開(kāi)蝗蟲(chóng)群聚“黑箱”

當(dāng)蝗災(zāi)發(fā)生時(shí)，成千上萬(wàn)的蝗蟲(chóng)總是集群而來(lái)，遮天蔽日，危害植物。

但事實(shí)上，蝗蟲(chóng)并非生來(lái)就是群居狀態(tài)。通常，人們看到的是散居的綠色蝗蟲(chóng)，它們相對(duì)溫和，危害不大。然而，當(dāng)蝗蟲(chóng)聚集在一起，種群密度較高時(shí)，它們的體色會(huì)逐漸變成黑棕色，迅速繁殖，并吸引周圍的同類加入，飛快吞食所經(jīng)過(guò)地區(qū)的農(nóng)作物和其他植物，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

成群的蝗蟲(chóng)很難治理，而大量使用化學(xué)農(nóng)藥會(huì)造成生態(tài)環(huán)境污染。能否通過(guò)生物手段不讓蝗蟲(chóng)集群，從而控制蝗災(zāi)呢？2020年，康樂(lè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)4VA會(huì)引起蝗蟲(chóng)聚集后，為這一想法提供了實(shí)現(xiàn)路徑。

然而，這種信息素如何在蝗蟲(chóng)體內(nèi)合成、為何僅群居型蝗蟲(chóng)能產(chǎn)生該物質(zhì)仍是未解之謎。

此次研究中，合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)穩(wěn)定同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，首次繪制出4VA的合成“路線圖”。當(dāng)一只蝗蟲(chóng)在吞食植物時(shí)，其群聚信息素的生物合成就開(kāi)始了。它會(huì)吸收植物的氨基酸苯丙氨酸，歷經(jīng)肉桂酸、對(duì)羥基肉桂酸，隨血淋巴擴(kuò)散轉(zhuǎn)化為4-乙烯基苯酚（4VP），最終在甲基轉(zhuǎn)移酶——4VPMT1和4VPMT2（以下簡(jiǎn)稱4VPMTs）的催化下生成4VA。

值得關(guān)注的是，蝗蟲(chóng)可直接從植物中獲取前體物質(zhì)，僅需兩步反應(yīng)即可合成信息素，展現(xiàn)出高效節(jié)能的進(jìn)化策略。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，康樂(lè)表示，蝗蟲(chóng)這種“借植物原料，造‘集結(jié)’信號(hào)”的合成策略，極大提高了蝗蟲(chóng)的信息素合成效率。

精準(zhǔn)調(diào)控“分子開(kāi)關(guān)”

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，散居與群居蝗蟲(chóng)的區(qū)別，關(guān)鍵在于4VP到4VA的甲基化步驟。群居型蝗蟲(chóng)體內(nèi)4VPMTs的表達(dá)量隨種群密度升高而激增，猶如分子開(kāi)關(guān)，控制4VA的釋放。當(dāng)通過(guò)RNA干擾技術(shù)抑制這兩種酶的表達(dá)后，群居蝗蟲(chóng)顯著向散居轉(zhuǎn)變。

以此為靶點(diǎn)，他們?cè)O(shè)計(jì)篩選出小分子抑制劑4-硝基苯酚（4NP）——其與酶的結(jié)合親和力比天然底物4VP更高，能競(jìng)爭(zhēng)性占據(jù)活性位點(diǎn)，在0.1納摩爾的極低濃度下即可抑制4VA合成。

實(shí)驗(yàn)顯示，飼喂噴灑4NP的麥苗后，群居蝗蟲(chóng)的4VA釋放量顯著下降，群聚行為顯著向散居行為轉(zhuǎn)變。與此類似，即使對(duì)散居蝗蟲(chóng)進(jìn)行群聚化處理，4NP仍能阻斷其向群居轉(zhuǎn)變。

“這相當(dāng)于給蝗蟲(chóng)群聚行為裝上了‘智能剎車’。” 雷曉光比喻說(shuō)，4NP作為底物類似物，與4VPMTs的特異性相互作用，既能干擾4VA的合成通路，又能避免干擾其他代謝通路時(shí)產(chǎn)生的脫靶效應(yīng)。

開(kāi)創(chuàng)害蟲(chóng)防控新路徑

昆蟲(chóng)信息素作為維系昆蟲(chóng)種內(nèi)協(xié)同與種間互作的核心化學(xué)紐帶，其功能機(jī)制的深度解析與創(chuàng)新應(yīng)用，始終是害蟲(chóng)綠色防控領(lǐng)域的前沿焦點(diǎn)與攻堅(jiān)方向。

中國(guó)工程院院士、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所研究員吳孔明評(píng)價(jià)稱，該系列研究不僅填補(bǔ)了昆蟲(chóng)化學(xué)通信合成機(jī)制研究與靶向調(diào)控的重要空白，更開(kāi)創(chuàng)了“以生物信息流為靶點(diǎn)”的害蟲(chóng)防控新路徑，標(biāo)志著害蟲(chóng)防控邁入“智能調(diào)控時(shí)代”。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院微生物研究所研究員高福指出，其“結(jié)構(gòu)解析—機(jī)制闡明—藥物設(shè)計(jì)—功能調(diào)控”的全流程創(chuàng)新范式，具有廣泛借鑒意義。

中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所研究員劉文表示，蝗蟲(chóng)利用植物代謝產(chǎn)物合成信息素的“取巧”策略，為理解昆蟲(chóng)與植物的協(xié)同進(jìn)化提供了新視角。

研究人員表示，通過(guò)干擾害蟲(chóng)化學(xué)通信而非直接毒殺，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、綠色防控，為害蟲(chóng)治理開(kāi)辟了全新路徑。下一步，團(tuán)隊(duì)希望開(kāi)發(fā)出能夠抑制蝗蟲(chóng)群聚信息素的更多候選化合物。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09110-y

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2025-06-27?第1版?要聞）