“大自然，真是太神奇了!”

作為一名農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)線的“老兵”，中國(guó)農(nóng)科院蔬菜花卉所所長(zhǎng)張友軍每當(dāng)有一些重大發(fā)現(xiàn)，都會(huì)發(fā)出這樣的感慨。眼下這個(gè)最新發(fā)現(xiàn)就讓他再次驚呼“神奇”——

在植物和昆蟲長(zhǎng)達(dá)億萬(wàn)年的戰(zhàn)爭(zhēng)之中，雙方隨著物種演化，都早已擁有屬于自己的生存哲學(xué)：昆蟲以植物為食，繁衍后代;植物也不會(huì)坐以待斃，每每有昆蟲來(lái)犯，便產(chǎn)生大量毒素，以此作為防御之“盾”。不過(guò)，這種“戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期”才產(chǎn)出的生化盾牌，到了“和平時(shí)期”便需集中銷毀，否則就會(huì)反噬自身機(jī)體。負(fù)責(zé)銷毀的，是一個(gè)名為酚糖丙二?；D(zhuǎn)移酶的基因，此為殺敵之“矛”。一“盾”一“矛”之間，砌筑起植物帝國(guó)的護(hù)城堡壘。

相應(yīng)地，在漫長(zhǎng)的物種戰(zhàn)爭(zhēng)中，狡猾的昆蟲也漸漸練就破壞植物盾牌的本領(lǐng)，找到了攻城計(jì)策。一個(gè)名為煙粉虱的昆蟲，便將植物身上的殺敵之“矛”偷來(lái)，用來(lái)攻擊植物的生化“盾”，因此每每攻城略地，無(wú)往而不利。

“這不就是戰(zhàn)國(guó)時(shí)期古人所說(shuō)的‘以子之矛，攻子之盾’?”張友軍和團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)這一神奇現(xiàn)象后異常興奮。他說(shuō)，那個(gè)叫煙粉虱的昆蟲，正是通過(guò)竊取植物的酚糖丙二?；D(zhuǎn)移酶基因，才有廣泛寄主適應(yīng)性，在植物昆蟲大戰(zhàn)中所向披靡，能夠侵害超過(guò)600種植物。

這是張友軍團(tuán)隊(duì)用了將近20年的時(shí)間追蹤研究的結(jié)果之一。3月25日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，這也是我國(guó)農(nóng)業(yè)害蟲研究領(lǐng)域在該期刊上的首篇論文，意義之重大可見(jiàn)一斑。

“超級(jí)害蟲”

“這一發(fā)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)生活有什么用?”在接受中青報(bào)·中青網(wǎng)記者采訪時(shí)，張友軍說(shuō)，該發(fā)現(xiàn)可為新型植物源殺蟲劑的開發(fā)提供依據(jù)，即為煙粉虱的田間精準(zhǔn)綠色防控技術(shù)研發(fā)提供全新思路。

這一切還要從煙粉虱是誰(shuí)說(shuō)起。

100多年前，煙粉虱最早在希臘的煙草上被發(fā)現(xiàn)，故而得名。這個(gè)比芝麻粒還小，看上去既不兇神惡煞，又非丑陋不堪的小飛蟲，作為外來(lái)入侵物種，被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織認(rèn)定為世界第二大害蟲，也是該組織認(rèn)定的迄今唯一“超級(jí)害蟲”。

“煙粉虱的危險(xiǎn)性，甚至超過(guò)了第一大農(nóng)業(yè)害蟲棉鈴蟲。”張友軍說(shuō)，它不僅通過(guò)刺吸寄主植物韌皮部汁液對(duì)其造成直接傷害，還能分泌蜜露誘發(fā)植物真菌病危害植物。更重要的是，作為病毒的超級(jí)載體，煙粉虱能夠傳播極具破壞性的植物病毒病，每年造成數(shù)十億美元的經(jīng)濟(jì)損失。

以我國(guó)為例，自上世紀(jì)90年代中后期，煙粉虱陸續(xù)在全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)生危害，其中對(duì)蔬菜、棉花等作物生產(chǎn)危害最為嚴(yán)重。2009年，僅煙粉虱傳播的番茄黃化曲葉病，就給我國(guó)番茄產(chǎn)業(yè)造成了100多億元的損失。在北京，煙粉虱對(duì)黃瓜、番茄、茄子、甜瓜和西葫蘆的危害損失，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)七成以上。

“它幾乎什么都能吃，超過(guò)600余種植物都是它的‘盤中餐’，而且適應(yīng)性極強(qiáng)，很容易暴發(fā)成災(zāi)。”張友軍說(shuō)。

100多年來(lái)，人們對(duì)煙粉虱的治理主要依靠農(nóng)藥，但至今沒(méi)有辦法根治它。更令人頭疼的是，面對(duì)這些化學(xué)防治，煙粉虱這個(gè)狡猾的家伙，進(jìn)化出了“抗藥性”，目前已經(jīng)顯示出對(duì)超過(guò)50種殺蟲劑有效成分的抗性。

究其原因，還是一些最基本的認(rèn)識(shí)問(wèn)題沒(méi)能解決——人們始終不明白煙粉虱為什么能有如此廣泛的寄主適應(yīng)性，為什么又禁而不絕?

張友軍告訴記者，有的昆蟲只取食一種植物，如褐飛虱只吃水稻，屬于單食性;有的能吃一科內(nèi)或近緣科的多種植物，如小菜蛾只取食十字花科蔬菜作物，叫做寡食性;還有的能吃多種不同科的植物，如煙粉虱等，叫做多食性昆蟲。

“為什么昆蟲吃的植物不一樣，多食性害蟲適應(yīng)能力強(qiáng)，如何防治?”張友軍說(shuō)，食性顯然與害蟲的種群暴發(fā)危害密切相關(guān)。1999年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)探索昆蟲的食性之謎;兩年后，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將研究力量集中在了煙粉虱的寄主適應(yīng)性及其暴發(fā)成災(zāi)的機(jī)制上。

如今，這個(gè)秘密被揭開了——跨物種“偷盜”。

跨物種“偷盜”

所謂跨物種“偷盜”，就是煙粉虱“偷”了植物里的“矛”，變成自己用來(lái)攻擊植物的“利器”，讓植物帝國(guó)無(wú)法防御。

2013年，張友軍團(tuán)隊(duì)第一次完成煙粉虱的全基因測(cè)序，煙粉虱體內(nèi)基因，隨之暴露在人類面前。

這時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，煙粉虱體中存在一個(gè)明顯來(lái)自植物的基因——酚糖丙二?；D(zhuǎn)移酶基因。據(jù)此次成果論文第一作者、中國(guó)農(nóng)科院蔬菜花卉所植物保護(hù)研究室副主任郭兆將介紹，這個(gè)基因，正是后來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的植物里的“矛”。

“這種只在植物和少量真菌微生物體內(nèi)才出現(xiàn)的基因，怎么會(huì)出現(xiàn)在煙粉虱的‘肚子’里?”郭兆將說(shuō)。

科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種酶主要在煙粉虱的中腸中，仍有植物中該基因的活性，具備代謝酚糖的能力。換句話說(shuō)，這個(gè)轉(zhuǎn)移到了煙粉虱身體里的基因，不但一代代遺傳了下來(lái)，而且能發(fā)揮重要作用——用來(lái)攻破植物保護(hù)自己的“盾”。

就這樣，煙粉虱完成了一次成功的“偷盜”，把植物的“矛”，變成了自己的“矛”。這一過(guò)程被稱作水平基因轉(zhuǎn)移，是相對(duì)于垂直基因轉(zhuǎn)移——親代傳遞給子代而言的，它打破了親緣關(guān)系的界限，讓基因流動(dòng)的可能變得更為復(fù)雜。

“這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓團(tuán)隊(duì)里很多年輕人都很興奮。”論文共同第一作者、中國(guó)農(nóng)科院蔬菜花卉所博士后夏吉星說(shuō)，中國(guó)人流傳至今的“自相矛盾”寓言，沒(méi)承想在昆蟲和植物的戰(zhàn)爭(zhēng)中出現(xiàn)了。

這也是現(xiàn)代生物學(xué)誕生100多年來(lái)，人類首次研究證實(shí)跨物種之間——植物和動(dòng)物之間存在功能性基因水平轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

論文共同通訊作者、瑞士納沙泰爾大學(xué)化學(xué)生態(tài)學(xué)家和昆蟲學(xué)家Ted Turlings說(shuō)：“這項(xiàng)研究在國(guó)際上首次提供了植物基因水平轉(zhuǎn)移至昆蟲中的功能性證據(jù)，這種能夠代謝植物防御性毒素的基因——酚糖丙二?；D(zhuǎn)移酶僅存在于煙粉虱中。”

不過(guò)，原本屬于植物的“矛”，究竟是怎樣被煙粉虱得到的，研究人員還沒(méi)有確切發(fā)現(xiàn)。

他們推測(cè)，這次“偷盜”行為，可能是煙粉虱所攜帶的植物病毒，在煙粉虱和植物之間反復(fù)傳播的過(guò)程中發(fā)生的。發(fā)生的時(shí)間可能是在3500萬(wàn)～8600萬(wàn)年前，具體過(guò)程有待進(jìn)一步研究。

遏制“超級(jí)力量”

研究到此并未結(jié)束。找到了煙粉虱在植物世界“橫行霸道”的原因，科研人員還要想辦法攻克它。

據(jù)論文共同第一作者、中國(guó)農(nóng)科院蔬菜花卉所博士后楊澤眾介紹，研究團(tuán)隊(duì)制定了一種策略，來(lái)破解煙粉虱竊取的“超級(jí)力量”，即利用RNA干擾煙粉虱的酚糖丙二?；D(zhuǎn)移酶基因，讓它對(duì)這種植物有毒化合物敏感。

循著這個(gè)思路，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了表達(dá)該發(fā)夾RNA的轉(zhuǎn)基因番茄品系。

結(jié)果顯示，在沒(méi)有農(nóng)藥作用下，取食野生番茄7天后，煙粉虱死亡率為15.48%;而取食轉(zhuǎn)基因番茄7天后，煙粉虱死亡率為93.35%。

“這些數(shù)據(jù)說(shuō)明，轉(zhuǎn)基因番茄品系能夠有效控制煙粉虱。”楊澤眾說(shuō)。這意味著，將來(lái)一些植物或許再也不用通過(guò)打農(nóng)藥來(lái)防治煙粉虱，利用RNA干擾做成一些轉(zhuǎn)基因植物，或可一勞永逸。

當(dāng)然，采用這種方法還需要克服一些障礙，比如，人們對(duì)轉(zhuǎn)基因作物的憂慮。

“這種可以應(yīng)對(duì)煙粉虱的轉(zhuǎn)基因植物，對(duì)人體會(huì)不會(huì)有害?”張友軍也會(huì)被問(wèn)到這樣的話。他的解釋是：這個(gè)基因是植物來(lái)源的基因，植物本身就有——從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，它完全是天然的、安全的。

“因?yàn)槲覀兂缘姆岩约捌渌参锢锒加羞@個(gè)基因，我們只是把煙粉虱‘偷’來(lái)的這個(gè)植物源基因，又在植物里面給表達(dá)了，所以沒(méi)有任何安全性的問(wèn)題。”張友軍說(shuō)。

“我確信這個(gè)故事包含實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新內(nèi)容，并且該論文將對(duì)生態(tài)學(xué)家、進(jìn)化生物學(xué)家、植物化學(xué)家和從事害蟲防治的工作人們引起極大的興趣。”《細(xì)胞》雜志審稿人Roy Kirsch給出這一評(píng)價(jià)。他還補(bǔ)充道，該研究涵蓋從植物代謝譜到昆蟲的比較基因組以及兩者之間的所有內(nèi)容，從不同角度深入研究解決問(wèn)題。

這一重大發(fā)現(xiàn)的背后，是張友軍團(tuán)隊(duì)20年的堅(jiān)守。

從2001年起，張友軍便開始探索煙粉虱寄主適應(yīng)性機(jī)制。他告訴記者，整個(gè)科研團(tuán)隊(duì)也曾遭遇“經(jīng)費(fèi)不足”“學(xué)科偏冷”等問(wèn)題，但最終都挺了過(guò)來(lái)。

20年來(lái)，團(tuán)隊(duì)里有的成員轉(zhuǎn)行從事了其他工作，但當(dāng)年留下來(lái)的那一批碩士、博士，到今天，很多已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所的教授、副教授。

“這一重大成果既是團(tuán)隊(duì)成員20年磨一劍的回報(bào)，也是基因技術(shù)發(fā)展和時(shí)代發(fā)展給予的機(jī)遇。”張友軍說(shuō)。

2021年03月30日 12 版

關(guān)鍵詞： 植物大戰(zhàn)