在无数的科幻作品中 ， 虫族都被塑造成可怕的生物 ， 它们吞噬其他生物后 ， 会迅速获得对方的特性 ， 以此进化自身 ， 寻找对手的弱点 ， 更快地入侵和打败对手 。 现实生活中的虫子 ， 是否有类似的能力呢？北京时间3月25日 ， 国际顶级期刊《Cell》在线发表了中国农业科学院蔬菜花卉研究所张友军团队的最新论文 ， 并将于4月1日以封面文章的形式正式发表 。 该论文解释了世界上唯一“超级害虫”烟粉虱广泛寄主适应性的秘密 ， 揭开了一场距今3500万-8600万年间 ， 发生在烟粉虱和多种植物间的分子战争 。
揭开烟粉虱广泛寄主适应性的秘密 。 新京报采访人员 王巍 拍摄 制作
“超级害虫”的超级食谱
3月23日 ， 中国农业科学院蔬菜花卉研究所的实验温室中 ， 一间间隔开的养虫室内 ， 放着成排的架子 ， 每个架子上都有多个40厘米见方的小笼子 ， 笼子被白色的轻纱笼罩 ， 里面养着番茄、烟草等不同的植物 。 每一株植物的叶片上 ， 都爬满了密密麻麻的白色小虫子 ， 这些虫子非常小 ， 身长不到1毫米 ， 仔细观察 ， 有些半透明 ， 还有一双白色的翅膀 。
这就是烟粉虱 ， 全球100种入侵物种之一 ， 世界粮农组织认定的全球第二大农业害虫 ， 同时 ， 它还是全球唯一被冠以“超级害虫”的昆虫 。 其危险性 ， 甚至超过了第一大农业害虫棉铃虫 。
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烟粉虱是被FAO认定的世界第二大害虫 ， 也是目前唯一被冠以“超级害虫”的农业害虫 。 中国农科院供图
为何只有烟粉虱被称为“超级害虫”？在蔬菜所的温室中 ， 张友军告诉采访人员 ， 这和它广泛的寄主适应性及其传播的数以百计的病毒种类有关 。 “不同的昆虫有不同的食谱 ， 比如棉铃虫 ， 可以吃200多种植物 ， 这两年入侵的草地贪夜蛾 ， 可以吃300多种植物 。 这些都是危害非常大的农业害虫 。 烟粉虱的食谱比它们更广泛 ， 它可以吃600多种植物 ， 更重要的是 ， 它本身携带的植物病毒也非常多 ， 已知的有300多种 ， 烟粉虱在取食植物时 ， 也会把病毒传播给植物 ， 造成植物死亡 ， 比如番茄 ， 2009年在我国暴发的番茄黄化曲叶病毒病 ， 造成了100多亿的巨大损失” 。
昆虫的食性差别很大
昆虫是地球上最古老的物种之一 ， 据考古发现 ， 目前已知最早的昆虫 ， 可能在4.25亿年前就已经生存在地球上了 。
在亿万年的进化中 ， 昆虫进化出了多种多样适应环境的能力 ， 比如超强的繁殖能力 ， 对抗温度变化、干旱、饥饿乃至人类药剂的能力 ， 更易保存对自身有益的基因突变的能力等 ， 这其中 ， 对食物的适应能力 ， 是其生存和传播的重要能力之一 。
“就好像人类一样 ， 有人爱吃米饭 ， 有人爱吃面食 ， 在科学上 ， 这个被称为食性 ， ”张友军说 ， “人类对米饭和面食的态度不同 ， 还只是一种偏好 ， 交换一下 ， 也可以吃 。 昆虫的食性更加极端 ， 非食谱内的植物 ， 可能对它们有致命的危害 。 所以 ， 昆虫中 ， 食性的差异非常明显 ， 有的是单食性的昆虫 ， 比如褐飞虱 ， 就吃水稻一种 ， 也有多食性的 ， 如烟粉虱 ， 能吃600多种” 。
战争武器 ， 植物的矛与盾
为何会有这么大的差异？张友军解释 ， 这和进化过程中 ， 植物与昆虫之间亿万年的战争有关系 。 “在物种演化过程中 ， 昆虫会吃植物 ， 植物也不会坐以待毙 ， 它们也会反抗 。 比如植物中有一种非常重要的次代谢产物——酚糖 ， 就是植物为了对抗昆虫而产生的 。 酚糖对昆虫有害 ， 甚至有毒 ， 昆虫吃了酚糖 ， 可能会被毒死 。 这就相当于植物为自己制造了一面生化盾牌 ， 防御昆虫的侵袭 。 ”
酚糖并非植物生长的必需品 ， 它是植物在“战争时期”制造的武器 ， 张友军解释 ， “首先 ， 不同植物中 ， 酚糖的占比也不同 ， 有的比较低 ， 有的很高 ， 比如番茄 ， 叶片中的酚糖占比高达3% ， 这使得为害番茄的昆虫种类很少 。 其次 ， 植物体内酚糖含量不是固定的 ， 因为酚糖对植物生长无益 ， 过多的酚糖反而会加重植物的负担 ， 所以当害虫为害剧烈的时候 ， 植物就会进入战时状态 ， 合成更多的酚糖 ， 制造更多的武器 ， 以抵御敌虫 。 当害虫减少 ， 敌人退去 ， 就会代谢体内的酚糖 ， 回到正常的生长状态中 。 植物是怎样代谢酚糖的呢？它还有一根矛 ， 用自己的矛破解自己的盾 ， 达到刀枪入库、马放南山的目的 ， 这根矛 ， 叫做丙二酰基转移酶 ， 英文简称PMaT1 ， 它非常重要 ， 控制着植物体内的酚糖含量水平 。 ”
植物有对应机制 ， 昆虫当然也有自己的手段 。 在漫长的战争中 ， 昆虫们学会了如何破坏植物盾牌的本领 ， 因为只有破解了对方的防御 ， 它们才能获得食物 ， 生存下去 。 张友军介绍 ， “因为酚糖有很多种 ， 这就意味着植物的盾牌各不相同 ， 昆虫们破解盾牌的多少 ， 决定着它们的食谱广泛与否 ， 有的只能破解一种 ， 就是单食性 ， 有的能破解多种 ， 则是多食性” 。
当人类加入战争
烟粉虱无疑是破解植物盾牌的高手 ， 也是植物和昆虫亿万年战争中的胜利者 。 这种情况 ， 一直到人类加入战争 ， 才开始改观 。
人类对烟粉虱最早的公开报道 ， 出现在1889年 ， 当时在希腊的烟草上发现了这种小虫子 ， 烟粉虱的名字 ， 就是由此而来 。
此后的100多年中 ， 烟粉虱快速入侵全球 ， 非洲、美洲、亚洲都暴发过烟粉虱入侵事件 ， 棉花、西瓜、番茄、豆类、花卉等无数植物遭遇虫灾 。
在中国 ， 上世纪90年代发现了最早的烟粉虱入侵现象 ， 当时入侵的是B型烟粉虱 ， 到2003年 ， 张友军首次在我国发现Q型烟粉虱的入侵 ， B型和Q型烟粉虱同样食谱广泛 ， 但传播病毒的能力不同 ， Q型烟粉虱传播病毒的能力更强 ， 危害也更大 。
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烟粉虱寄主植物超过600种 ， 可传播300多种病毒 。 中国农科院供图
一百多年来 ， 人类对于烟粉虱的防治 ， 主要依靠农药 。 张友军解释 ， “以前的方法 ， 主要还是提前预防 ， 因为病毒造成的危害是不可逆的 ， 一旦染病 ， 几乎没什么办法救治 。 但烟粉虱产生抗药性的能力也很强 ， 所以我们的监测和预防工作非常困难 ， 要实时监测各地烟粉虱的变异 ， 及时提醒当地 ， 改换农药种类 ， 达到防治效果” 。
不过 ， 这样的防治 ， 是被动的 ， 张友军说 ， “烟粉虱为什么能够破解这么多种植物中的酚糖盾牌 ， 它的超级能力是怎么来的 ， 一直都不知道 ， 这也是我们过去只能被动防治的原因” 。
基因测序下的秘密
早在2001年 ， 张友军就开始在全国各地进行烟粉虱的监测、预警和防治工作 ， 这些工作繁杂而被动 ， 早期效果并不完全理想 。 但根据该虫的为害特点 ， 张友军最终还是研发出了一套烟粉虱的综合防治技术并在全国大面积推广 ， 取得了很好的防治效果 ， 并获得了2008年国家科技进步二等奖 。
但是烟粉虱为害多种作物暴发成灾背后的机制仍不清楚 ， 一直到烟粉虱基因测序的完成 ， 才开始扭转这一局面 。 2013年 ， 张友军团队首次完成了烟粉虱全基因测序的工作 ， 烟粉虱体内基因的秘密 ， 第一次暴露在人类的眼中 。
“当时是2013年底左右 ， 我们完成基因测序后 ， 在烟粉虱基因组中 ， 发现了一个明显来自植物的基因 ， 也就是PMaT1 ， 酚糖丙二酰基转移酶 ， 这种酶 ， 只在植物和少量真菌微生物中发现过 。 ”张友军说 。
实验发现 ， PMaT1主要在烟粉虱的中肠中 ， 并且仍有植物中该基因的活性 ， 具备代谢酚糖的能力 。
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烟粉虱利用BtPMaT1在中肠解毒植物酚糖 。 中国农科院供图
“我们通过不同的方式进行验证 ， 比如有一种方法 ， 是解剖烟粉虱的中肠部分做实验 ， 体长不到1毫米的烟粉虱 ， 其中肠非常小 ， 要做实验很难 ， 我们50多个人的团队 ， 不分昼夜解剖了1个星期 ， 收集了1万多个烟粉虱中肠 ， 最终确定 ， 它的中肠蛋白 ， 确实可以代谢酚糖 。 当然 ， 还有其他的方法 ， 比如检验烟粉虱的粪便（蜜露） ， 看其中是否有酚糖代谢后的产物 。 最终 ， 这些不同的方法 ， 得到了相同的结论 。 我们把烟粉虱体内的PMaT1 ， 命名为BtPMaT1 ， Bt是烟粉虱拉丁语学名的缩写 。 ”
烟粉虱的战略武器 ， 以子之矛攻子之盾
这个发现无疑是惊人的 ， 科幻作品中 ， 虫族掠夺其他物种特性的能力 ， 真的存在吗？
“中国人都知道自相矛盾的寓言 。 这个寓言 ， 在昆虫和植物的战争中 ， 真的出现了 。 ”张友军说 ， “在植物体内 ， PMaT1是植物代谢酚糖这个盾牌的矛 。 如今 ， 烟粉虱获得了这个矛 ， 成为它攻克植物防御的利器 ， 以子之矛 ， 攻子之盾 ， 无往不利 。 ”
PMaT1这个原本属于植物的矛 ， 究竟是怎样被烟粉虱得到的？目前还没有更进一步的发现 ， 张友军用了“偷盗”这个词 ， 他和他的团队有过猜测 ， 可能是烟粉虱所携带的植物病毒 ， 在烟粉虱和植物之间反复传播的过程中 ， 让烟粉虱获得了这一特性 ， 但这并不是结论 ， 真正的过程尚未可知 。
另外一个问题则有了初步的答案 ， 那就是烟粉虱是什么时候得到这一特性的？张友军告诉采访人员 ， “我们用基因序列进行分析 ， 发现烟粉虱获得这个特性的时间 ， 大约在距今8600万年到3500万前这个阶段 。 这是因为 ， 烟粉虱有一个近源的兄弟 ， 叫做温室白粉虱 ， 大约在距今8600万年之后的时间里分化出来 ， 体内没有发现PMaT1 。 ”
8600万年前 ， 地球上还处在白垩纪晚期 ， 生物大灭绝还没有到来 ， 恐龙仍是这个星球上的霸主 。 在植物的世界 ， 改朝换代却已经基本完成 ， 被子植物异军突起 ， 逐渐替代了裸子植物的主流地位 。
就在这样的世界中 ， 烟粉虱完成了一次成功的“偷窃” ， 把植物的矛 ， 变成了自己的矛 。
那么 ， 类似的现象会不会还有呢？张友军表示 ， 可能性或许不大 ， “我们在烟粉虱体内 ， 第一次发现了这个现象 ， 但其实 ， 这个过程是在千万年的漫长时间里逐渐形成的 ， 而且具有一定的偶然性 ， 因此 ， 也不必过度担忧 。 ”
生物防护 ， 强化植物的武器
这一特性也远没有科幻作品中的那么可怕 。 当人类了解了烟粉虱成为“超级害虫”的秘密 ， 烟粉虱的武器 ， 也就不再锋利了 ， 张友军介绍 ， “我们在实验中 ， 通过抑制PMaT1的活性 ， 使得烟粉虱代谢酚糖的武器效率降低 ， 甚至无效 ， 就可以有效消灭烟粉虱 ， 最高可以使烟粉虱百分之百死亡 。 ”
《Cell》评审人评价该发现时表示 ， “这项研究是植物-昆虫互作研究领域的重要进展 ， 阐述了新颖的抗性机制 ， 并解释了烟粉虱对多种农作物惊人寄主适应性的原因” ， 研究结果为烟粉虱田间精准绿色防控技术的研发提供了全新思路 。
【昆虫|科学家揭开世界唯一“超级害虫”烟粉虱“偷窃”植物基因的秘密】“以前防治烟粉虱 ， 主要通过农药等方式 ， 是被动的防御 ， ”张友军说 ， “在以后 ， 我们可以通过调控植物 ， 使得植物合成新的次生代谢物 ， 抑制烟粉虱体内的PMaT1 ， 使得烟粉虱失去代谢有毒酚糖的能力 ， 从而达到防治烟粉虱的目的 。 这相当于给了植物更好的武器 ， 增强了它自身的免疫力 ， 让它自己就能够抵御害虫 。 ”
据介绍 ， 这是我国农业昆虫学研究领域中首篇《Cell》论文 。 研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、特色蔬菜产业技术体系和中国农业科学院科技创新工程等项目资助 。 而且 ， 本研究成果已申请国家发明专利 。
新京报采访人员周怀宗摄影王巍
编辑 张树婧 校对 李项玲
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