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研究植物虫害防治的新成果

花匠小妙招
2024-09-29 17:14

研究植物虫害防治的新成果

（一）探索植物重要害虫生活习性的新信息

1．证实蚜虫与细菌形成紧密的相互共生关系[31]

2014年8月，有关媒体报道，日本丰桥技术科学大学中钵淳副教授领导的研究小组发现，蚜虫还能利用内共生菌“转让”的基因合成蛋白质，并运送给内共生菌，从而形成高度的共生关系。这一成果，有望促进将亲缘关系很远的生物融合在一起，并开发出环保的防治害虫方法。

在院子里精心种植的花草，不知什么时候就会爬满蚜虫。作为恶名昭著的害虫，蚜虫只吸食营养很贫乏的植物汁液，就能实现爆发性繁殖。研究人员说，这是因为，蚜虫体内有为其制造营养成分的内共生菌。没有内共生菌，蚜虫就无法繁殖，而在含菌细胞之外，内共生菌已无法生存，这种共生关系已经世代相传了约2亿年。

此前曾获悉，蚜虫会将内共生菌的基因组合到自身的染色体组内。此次，该研究小组利用基因重组技术，研究了其中的“RIpA4”基因，是否会合成蛋白质以及蛋白质如何在蚜虫体内分布。结果发现，“RIpA4”基因能够令蚜虫制造出蛋白质，而制造出的蛋白质则分布在含菌细胞内的内共生菌细胞内。研究小组认为，这显示蚜虫进化出了向内共生菌运送蛋白质的运输系统。

中钵淳说：“这是不同的生物融合在一起的终极进化方式。如果科学界能够开发出将有用的细菌与生物人为融合在一起的技术，除开发药物外，还有可能制造出拥有特殊能力的动植物。”

2．揭示蚜虫会用自己的体液保卫家园[32]

2019年4月，一个由生物学家组成的研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表论文称，家里的墙裂了，人们会用水泥和油漆修补。蚜虫的家裂了，它们会用自己的体液来修补。近日，他们找到了这种“天然建筑材料”的配方构成，并弄清其发挥作用的机制。

为避免天敌侵袭，蚜虫寄生在植物上时，会在枝叶上建造自己的住所：虫瘿。当虫瘿受损出现破洞时，蚜虫会从腹部分泌出厚厚的乳白色液体进行修复。有的蚜虫会持续分泌体液直到被淹没，甚至死亡。

研究人员从植物上收集这些体液后放在显微镜下观察，发现了多个含有脂质的血细胞。生化分析显示，这些物质中存在酶酚氧化酶、氨基酸酪氨酸以及一些未知蛋白质。

研究还发现，当蚜虫用腿把这些物质混合在一起时，含有脂质的细胞就会破裂，并在大约1小时内凝结、硬化。其他昆虫会用这些材料封住伤口以防止感染，而这些蚜虫会分泌非常多的体液以保卫家园。

研究人员表示，研究蚜虫的这种组织合作行为，对理解自然选择如何导致物种发展出不同社会分工有参考意义。未来，科学家还会密切关注蚜虫的唾液，以进一步弄清虫瘿的形成机制。蚜虫是地球上最具破坏性的害虫之一。其中大约有250种是对于农林业和园艺业危害严重的害虫。蚜虫的大小不一，身长从一到十毫米不等。揭示虫瘿的形成机制，有利于更好地防治蚜虫危害。

（二）探索植物虫害防御机制的新信息

1．研究植物自我防御虫害方式的新进展

发现植物能用沙粒作“盔甲”对虫害进行自卫。[33]2016年3月，美国加州一个由生物学家组成的研究小组，在《生态学》杂志上发表研究报告说，植物长着尖刺、藏着毒素，以及与叮咬食草动物的昆虫建立伙伴关系，这只是它们避免被吃掉的若干方式之一。如今，他们为这个清单再添一个成员：由沙子制成的盔甲。

科学家一直在思考，为何一些植物会分泌黏性物质，从而将沙子附着在其茎干和叶子上。多年以来，他们提出了各种想法，从温度调控、风暴防护到对抗饥饿食草动物的盔甲，不一而足。为确定哪种观点是正确的，研究小组把沙粒从披着“盔甲”的叶子花属植物中去掉。两个月后，这些“赤裸”的植物，因被咬噬而受到的伤害次数，是沙粒“盔甲”未受损伤的那些植物的两倍。

此项研究还表明，当研究人员把一些地上的沙粒，撒在散发着甜味的针垫植物的花朵上时，食草动物吃掉这些花朵的可能性要小很多。关键之处，可能在于动物要保护牙齿，因为牙齿是食草动物的最重要工具。任何用过砂纸的人都知道，沙粒会磨损坚硬的表面。

研究人员表示，全球可能有许多植物利用沙粒作“盔甲”，避免成为食草动物的腹中之物。他们还认为，这种“盔甲”还有着其他用途，比如抵抗沙尘暴。

2．研究植物抵抗虫害方式的新进展

⑴发现植物抵抗虫害的调控新机制。[34]2017年1月9日，中科院上海植物生理生态研究所陈晓亚院士和毛颖波研究员领导的课题组，与该所王佳伟课题组联合形成的一个研究团队，在《自然·通讯》杂志网络版发表论文称，他们发现了植物抵抗虫害反应的这种时序性变化及调控机制。

茉莉素是最重要的植物抗虫激素。在正常情况下，茉莉素信号处于静止状态。当植物遭受昆虫袭击时，一类被称为JAZ的蛋白迅速降解，释放茉莉素信号从而激发抗虫反应。研究人员分析了模式植物拟南芥在不同生长期的抗虫能力，发现防御响应由强变弱，但抗虫性却由弱变强。这种相反相成的抗性变化是如何调控的呢？经过进一步研究，他们发现微小核酸miR156在茉莉素信号输出过程中具有重要的调控作用。

miR156被称为植物的年龄因子，其水平随着植物的生长稳步下降，导致所靶向的SPL蛋白含量逐渐升高，促进植物的成熟并最终进入生殖期开花结果。研究发现，SPL能够与防御开关蛋白JAZ结合并阻碍其降解，导致抗虫反应弱化。既然植物在生长过程中抗虫反应呈衰减趋势，又是什么使得成年期植物反而更加抗虫呢？俗话说“姜是老的辣”，老植物可能积累更多的有生物活性防御化合物。这启发了研究人员对拟南芥中的次生代谢物进行分析，结果发现抗虫成分（如芥子糖苷）的确随着时间的推移而稳定积累，不断充实植物的组成性、持久性抗虫能力，从而弥补了抗虫激素信号的衰减。

陈晓亚表示，虫害是农业生产和林木保护的巨大威胁，不仅带来巨大的经济损失，大量使用农药还对生态环境造成破坏。这项发现，不仅揭示了植物精妙的抗虫机制，而且对设计更加科学合理的害虫防治策略也具有重要的指导意义。

⑵发现植物抵抗害虫小叶蝉的化学创新与奥秘。[35]2022年2月4日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心李大鹏研究团队，与德国马克斯普朗克化学生态所合作，在《科学》杂志网络版以封面论文形式发表研究成果，首次揭示植物如何巧妙组装其特异性代谢产物，应对农业重大害虫小叶蝉的非寄主抗性机制。

这一成果，不但为探索植物昆虫互相作用开辟了新的博物学驱动的多组学分析方法，还为植物如何特异性调度其化学“防御壁垒”抵抗昆虫进攻提供了全新的代谢视角，是植物对多食性昆虫的非寄主抗性研究的重大突破。同时，它应用合成生物学的手段，对农作物首次进行植物非寄主抗性代谢改造，为农业精准绿色防控技术提供全新可行性应用方案。

小叶蝉是一种严重危害农作物的世界性害虫，每年造成严重作物减产及经济损失。目前的防治方法是大量喷洒农药，但是防治效果有限而且代价高昂。

在这项研究中，研究团队在野外大田种植了由26个父母本杂交生成的共1816株重组自交系群体，这些自交系群体的基因背景各不相同，以供小叶蝉的“窃听”和宿主选择。

当小叶蝉自由攻击这些植物时，它们的攻击率便可以用来帮助确定非寄主植物转变为寄主植物的遗传元素。该研究通过博物学驱动的正向遗传学与反向遗传学、转录组学及非靶向结构代谢组学相结合的全新分析方式，鉴定到一种新的植物特异性代谢产物，是植物对小叶蝉产生非寄主抗性的关键化合物，并将其命名为CPH。

研究发现，植物只有在被小叶蝉，而非其他昆虫攻击的时候，非常规的茉莉素元件JAZi才会在被攻击的叶片特异性表达，激活其调控的CPH合成。巧妙的是，该化合物凝结了3大代谢通路，其中一个关键合成通路是由植物绿叶挥发通路组成的，是植物挥发性间接防御的核心通路，另外两个通路则参与植物的直接防御物质合成。

因此，这项研究首次解析了植物的直接和间接防御通路，是如何巧妙地“对话和调度”合成其代谢武器的。最终，研究团队通过合成生物学的手段，把该代谢通路整合到番茄与蚕豆等作物中，设计出小叶蝉非寄主选择的高抗作物。

3．研究植物加强虫害防御机制的新发现

发现叶绿素能帮助植物加强对虫害的自我防御机制。[36]2015年2月，北海道大学、京都大学等机构组成的一个研究小组，在美国《植物生理学》杂志网络版上报告说，他们发现，某些植物在遭受昆虫啃食，植物细胞在昆虫体内被破坏时，其叶绿素能变为一种对昆虫有害的物质，进而抑制以植物为食的昆虫繁殖。

科学家很早就知道，植物细胞中的叶绿素酶，能把叶绿素转化成叶绿素酸酯，但它对植物发挥着怎样的作用难以确认。

研究人员说，他们在研究拟南芥时发现，叶绿素酶存在于细胞内的液泡和内质网中。在植物被昆虫啃食，细胞被破坏时，叶绿素酶能立即将叶绿素转化成叶绿素酸酯。用含有叶绿素酸酯的饲料喂食蛾子幼虫后，幼虫的生长受到遏制，死亡率也会提高。

研究人员利用基因技术，提高拟南芥细胞内叶绿素酶的含量后，发现吃了这种叶片的斜纹夜蛾幼虫的死亡率提高了。他们认为，叶绿素酸酯比叶绿素更容易吸附在幼虫消化道内，因此有可能妨碍幼虫吸收营养。

拟南芥是农作物培育研究方面的一种模式植物，它的很多基因与农作物的基因具有同源性。因此上述研究成果显示，用于光合作用的叶绿素，能被某些植物用于防御，这将有助于弄清植物和农作物的部分防御体系。

（三）探索植物虫害防治方法的新信息

1．研究用天敌昆虫防治害虫的新进展

⑴培育出能吸引益虫去捕食害虫的转基因作物。[37]2005年9月22日，荷兰瓦格宁根大学和以色列魏茨曼研究所联合组成的一个研究小组，在《科学》杂志发表论文称，他们已培育出一种全新的转基因作物，它可释放出一些能吸引益虫的复杂挥发性物质，通过把害虫的天敌吸引过来而杀灭虫害，因为这些害虫通常会吞食作物，造成农作物的大幅减产。在大自然中，有很多作物能自然地释放一些挥发性物质，从而吸引捕食害虫的益虫，最后达到自我保护的目的。

在这种全新转基因作物培育过程中，研究人员诱发拟南芥菜，使它产生一种能吸引益虫被称为类萜的化合物，这种化合物目前还无法大批量地人工合成，也不容易得到足够使用的数量。研究小组所使用的关键方法，是诱发最初起源于草莓细胞线粒体的酶，而线粒体正是形成类似化合物的关键部位。一旦这些酶在植物中存在，植物就能够产生两种类萜的化合物。

研究人员指出，培育这种全新转基因作物的技术，可能为植物病虫害防治找到新方法。

⑵研究揭示天敌昆虫精准定位害虫的分子机制。[38]2022年1月，中国农业科学院植物保护研究所抗虫功能基因研究与利用团队，在《当代生物学》杂志上发表研究成果称，他们通过比较组学揭示了在植物-蚜虫-天敌昆虫互作关系中，重要的化学线索反-β-法尼烯的来源、生态学功能及其介导的天敌昆虫嗅觉识别的分子机制。

反-β-法尼烯被鉴定为绝大多数蚜虫的报警信息素组分，一直以来备受关注。在植物-蚜虫-天敌昆虫三级营养级关系中，多种天敌昆虫均能利用反-β-法尼烯定位蚜虫，但是对于不同来源的反-β-法尼烯吸引蚜虫天敌的理论存在一定的争议，其分子机制尚不十分清楚。该研究团队以生产上重要的蚜虫天敌大灰优蚜蝇为研究对象，研究其成幼虫识别信息素的分子和神经机制。

研究表明，大灰优蚜蝇成虫触角均能被不同浓度的反-β-法尼烯所激活，但仅高剂量的反-β-法尼烯能作为远距离的线索吸引大灰优蚜蝇成虫，而较低剂量则近距离吸引食蚜蝇幼虫。研究人员通过比较组学的手段，鉴定了大灰优蚜蝇和黑带食蚜蝇气味受体和气味结合蛋白，对同源性较高的基因进行研究，筛选出大灰优蚜蝇气味受体OR3以及气味结合蛋白OBP15特异性的识别反-β-法尼烯及其类似物。

随后，通过基因编辑技术敲除了气味受体OR3，发现大灰优蚜蝇成虫对反-β-法尼烯的识别作用降低，并丧失了行为选择和远距离定位能力。在幼虫中，气味受体OR3以及气味结合蛋白OBP15均有表达，但失去了对蚜虫的近距离识别能力和偏好性，表明食蚜蝇幼虫同样利用该蛋白参与对反-β-法尼烯的感受。

这表明，幼虫可以利用蚜虫来源的反-β-法尼烯进行近距离定位，而成虫能够识别植物来源的反-β-法尼烯对蚜虫为害的植株进行远距离搜寻。

该研究从分子水平解析不同来源的信息素对天敌昆虫的调控作用，打破了蚜虫来源的反-β-法尼烯作为利它素远距离吸引天敌昆虫的认知，为充分利用信息素这一重要的化学线索科学合理地开发天敌昆虫行为调控剂奠定理论基础，为实现蚜虫的绿色防控提供新的思路。

2．研发杀灭植物害虫的新技术

开发出用水蒸气杀灭花圃害虫的新技术。[39]2007年3月，国外媒体报道，巴西农牧业研究院一个研究小组，开发出利用水蒸气杀灭花圃土壤害虫的新技术。这种技术简单易行，没有污染，可以取代目前利用甲基溴化物杀虫灭菌的办法。

水蒸气杀虫装置由一个锅炉和一个注气机组成。锅炉产生的温度达120℃的水蒸气，通过强化软管输送到注气机，注气机与一个齿上带孔的犁耙连接，在犁地过程中把水蒸气注入土壤中，随后用帆布覆盖。注气机每小时处理100平方米的土地，经过水蒸气杀虫的土地两天后就可种植。用水蒸气杀虫不会伤害到土壤中的有益微生物，而且成本比用甲基溴化物减少约一半。

甲基溴化物是种植花卉和果树等农作物常用的农药，但这种物质会破坏地球臭氧层。按照《蒙特利尔议定书》的规定，发达国家从2007年1月1日禁止使用甲基溴化物，而发展中国家的禁用期限是到2015年。