“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(chóng)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(chóng)以植物為食，繁衍后代;植物也不會(huì)坐以待斃，每每有昆蟲(chóng)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)名為酚糖丙二酰基轉(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(chóng)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(chóng)，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(chóng)，正是通過(guò)竊取植物的酚糖丙二酰基轉(zhuǎn)移酶基因，才有廣泛寄主適應(yīng)性，在植物昆蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)”

“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(chóng)劑的開(kāi)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(chóng)，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(chóng)，也是該組織認(rèn)定的迄今唯一“超級(jí)害蟲(chóng)”。

“煙粉虱的危險(xiǎn)性，甚至超過(guò)了第一大農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)棉鈴蟲(chóng)。”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(pán)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(chóng)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(chóng)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(chóng)。

“為什么昆蟲(chóng)吃的植物不一樣，多食性害蟲(chóng)適應(yīng)能力強(qiáng)，如何防治?”張友軍說(shuō)，食性顯然與害蟲(chóng)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(chóng)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(kāi)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——酚糖丙二酰基轉(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(chóng)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(chóng)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(chóng)中的功能性證據(jù)，這種能夠代謝植物防御性毒素的基因——酚糖丙二酰基轉(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酰基轉(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(chóng)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(chóng)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(kāi)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)