植物大戰昆蟲“矛”與“盾”

煙粉蝨危害什麼作物

煙粉蝨廣泛寄主適應性機制示意圖。正如古人的“以子之矛，攻子之盾”，煙粉蝨正是透過這種巧妙的進化方式獲得廣泛寄主適應性。中國農科院蔬菜花卉所供圖

“大自然，真是太神奇了！”

作為一名農業科技戰線的“老兵”，中國農科院蔬菜花卉所所長張友軍每當有一些重大發現，都會發出這樣的感慨。眼下這個最新發現就讓他再次驚呼“神奇”——

在植物和昆蟲長達億萬年的戰爭之中，雙方隨著物種演化，都早已擁有屬於自己的生存哲學：昆蟲以植物為食，繁衍後代；植物也不會坐以待斃，每每有昆蟲來犯，便產生大量毒素，以此作為防禦之“盾”。不過，這種“戰爭時期”才產出的生化盾牌，到了“和平時期”便需集中銷燬，否則就會反噬自身機體。負責銷燬的，是一個名為酚糖丙二醯基轉移酶的基因，此為殺敵之“矛”。一“盾”一“矛”之間，砌築起植物帝國的護城堡壘。

相應地，在漫長的物種戰爭中，狡猾的昆蟲也漸漸練就破壞植物盾牌的本領，找到了攻城計策。一個名為煙粉蝨的昆蟲，便將植物身上的殺敵之“矛”偷來，用來攻擊植物的生化“盾”，因此每每攻城略地，無往而不利。

“這不就是戰國時期古人所說的‘以子之矛，攻子之盾’？”張友軍和團隊成員發現這一神奇現象後異常興奮。他說，那個叫煙粉蝨的昆蟲，正是透過竊取植物的酚糖丙二醯基轉移酶基因，才有廣泛寄主適應性，在植物昆蟲大戰中所向披靡，能夠侵害超過600種植物。

這是張友軍團隊用了將近20年的時間追蹤研究的結果之一。3月25日，國際頂級學術期刊《細胞》發表了這一發現，這也是我國農業害蟲研究領域在該期刊上的首篇論文，意義之重大可見一斑。

“超級害蟲”

“這一發現對現實生活有什麼用？”在接受中青報·中青網記者採訪時，張友軍說，該發現可為新型植物源殺蟲劑的開發提供依據，即為煙粉蝨的田間精準綠色防控技術研發提供全新思路。

這一切還要從煙粉蝨是誰說起。

100多年前，煙粉蝨最早在希臘的菸草上被發現，故而得名。這個比芝麻粒還小，看上去既不凶神惡煞，又非醜陋不堪的小飛蟲，作為外來入侵物種，被聯合國糧農組織認定為世界第二大害蟲，也是該組織認定的迄今唯一“超級害蟲”。

“煙粉蝨的危險性，甚至超過了第一大農業害蟲棉鈴蟲。”張友軍說，它不僅透過刺吸寄主植物韌皮部汁液對其造成直接傷害，還能分泌蜜露誘發植物真菌病危害植物。更重要的是，作為病毒的超級載體，煙粉蝨能夠傳播極具破壞性的植物病毒病，每年造成數十億美元的經濟損失。

以我國為例，自上世紀90年代中後期，煙粉蝨陸續在全國範圍內發生危害，其中對蔬菜、棉花等作物生產危害最為嚴重。2009年，僅煙粉蝨傳播的番茄黃化曲葉病，就給我國番茄產業造成了100多億元的損失。在北京，煙粉蝨對黃瓜、番茄、茄子、甜瓜和西葫蘆的危害損失，嚴重時可達七成以上。

“它幾乎什麼都能吃，超過600餘種植物都是它的‘盤中餐’，而且適應性極強，很容易暴發成災。”張友軍說。

100多年來，人們對煙粉蝨的治理主要依靠農藥，但至今沒有辦法根治它。更令人頭疼的是，面對這些化學防治，煙粉蝨這個狡猾的傢伙，進化出了“抗藥性”，目前已經顯示出對超過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識問題沒能解決——人們始終不明白煙粉蝨為什麼能有如此廣泛的寄主適應性，為什麼又禁而不絕？

張友軍告訴記者，有的昆蟲只取食一種植物，如褐飛蝨只吃水稻，屬於單食性；有的能吃一科內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，如煙粉蝨等，叫做多食性昆蟲。

“為什麼昆蟲吃的植物不一樣，多食性害蟲適應能力強，如何防治？”張友軍說，食性顯然與害蟲的種群暴發危害密切相關。1999年，他帶領團隊探索昆蟲的食性之謎；兩年後，他帶領團隊將研究力量集中在了煙粉蝨的寄主適應性及其暴發成災的機制上。

如今，這個秘密被揭開了——跨物種“偷盜”。

跨物種“偷盜”

所謂跨物種“偷盜”，就是煙粉蝨“偷”了植物裡的“矛”，變成自己用來攻擊植物的“利器”，讓植物帝國無法防禦。

2013年，張友軍團隊第一次完成煙粉蝨的全基因測序，煙粉蝨體內基因，隨之暴露在人類面前。

這時，研究團隊驚奇地發現，煙粉蝨體中存在一個明顯來自植物的基因——酚糖丙二醯基轉移酶基因。據此次成果論文第一作者、中國農科院蔬菜花卉所植物保護研究室副主任郭兆將介紹，這個基因，正是後來科學家發現的植物裡的“矛”。

“這種只在植物和少量真菌微生物體內才出現的基因，怎麼會出現在煙粉蝨的‘肚子’裡？”郭兆將說。

科研團隊進一步研究發現，這種酶主要在煙粉蝨的中腸中，仍有植物中該基因的活性，具備代謝酚糖的能力。換句話說，這個轉移到了煙粉蝨身體裡的基因，不但一代代遺傳了下來，而且能發揮重要作用——用來攻破植物保護自己的“盾”。

就這樣，煙粉蝨完成了一次成功的“偷盜”，把植物的“矛”，變成了自己的“矛”。這一過程被稱作水平基因轉移，是相對於垂直基因轉移——親代傳遞給子代而言的，它打破了親緣關係的界限，讓基因流動的可能變得更為複雜。

“這個發現讓團隊裡很多年輕人都很興奮。”論文共同第一作者、中國農科院蔬菜花卉所博士後夏吉星說，中國人流傳至今的“自相矛盾”寓言，沒承想在昆蟲和植物的戰爭中出現了。

這也是現代生物學誕生100多年來，人類首次研究證實跨物種之間——植物和動物之間存在功能性基因水平轉移現象。

論文共同通訊作者、瑞士納沙泰爾大學化學生態學家和昆蟲學家Ted Turlings說：“這項研究在國際上首次提供了植物基因水平轉移至昆蟲中的功能性證據，這種能夠代謝植物防禦性毒素的基因——酚糖丙二醯基轉移酶僅存在於煙粉蝨中。”

不過，原本屬於植物的“矛”，究竟是怎樣被煙粉蝨得到的，研究人員還沒有確切發現。

他們推測，這次“偷盜”行為，可能是煙粉蝨所攜帶的植物病毒，在煙粉蝨和植物之間反覆傳播的過程中發生的。發生的時間可能是在3500萬～8600萬年前，具體過程有待進一步研究。

遏制“超級力量”

研究到此並未結束。找到了煙粉蝨在植物世界“橫行霸道”的原因，科研人員還要想辦法攻克它。

據論文共同第一作者、中國農科院蔬菜花卉所博士後楊澤眾介紹，研究團隊制定了一種策略，來破解煙粉蝨竊取的“超級力量”，即利用RNA干擾煙粉蝨的酚糖丙二醯基轉移酶基因，讓它對這種植物有毒化合物敏感。

循著這個思路，研究團隊構建了表達該髮夾RNA的轉基因番茄品系。

結果顯示，在沒有農藥作用下，取食野生番茄7天后，煙粉蝨死亡率為15。48%；而取食轉基因番茄7天后，煙粉蝨死亡率為93。35%。

“這些資料說明，轉基因番茄品系能夠有效控制煙粉蝨。”楊澤眾說。這意味著，將來一些植物或許再也不用透過打農藥來防治煙粉蝨，利用RNA干擾做成一些轉基因植物，或可一勞永逸。

當然，採用這種方法還需要克服一些障礙，比如，人們對轉基因作物的憂慮。

“這種可以應對煙粉蝨的轉基因植物，對人體會不會有害？”張友軍也會被問到這樣的話。他的解釋是：這個基因是植物來源的基因，植物本身就有——從這個角度來說，它完全是天然的、安全的。

“因為我們吃的番茄以及其他植物裡都有這個基因，我們只是把煙粉蝨‘偷’來的這個植物源基因，又在植物裡面給表達了，所以沒有任何安全性的問題。”張友軍說。

“我確信這個故事包含實質性創新內容，並且該論文將對生態學家、進化生物學家、植物化學家和從事害蟲防治的工作人們引起極大的興趣。”《細胞》雜誌審稿人Roy Kirsch給出這一評價。他還補充道，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容，從不同角度深入研究解決問題。

這一重大發現的背後，是張友軍團隊20年的堅守。

從2001年起，張友軍便開始探索煙粉蝨寄主適應性機制。他告訴記者，整個科研團隊也曾遭遇“經費不足”“學科偏冷”等問題，但最終都挺了過來。

20年來，團隊裡有的成員轉行從事了其他工作，但當年留下來的那一批碩士、博士，到今天，很多已經成為國內相關科研院所的教授、副教授。

“這一重大成果既是團隊成員20年磨一劍的回報，也是基因技術發展和時代發展給予的機遇。”張友軍說。