“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”，中國農(nóng)科院蔬菜花卉所所長張友軍每當有一些重大發(fā)現(xiàn)，都會發(fā)出這樣的感慨。眼下這個最新發(fā)現(xiàn)就讓他再次驚呼“神奇”——
在植物和昆蟲長達億萬年的戰(zhàn)爭之中，雙方隨著物種演化，都早已擁有屬于自己的生存哲學：昆蟲以植物為食，繁衍后代；植物也不會坐以待斃，每每有昆蟲來犯，便產(chǎn)生大量毒素，以此作為防御之“盾”。不過，這種“戰(zhàn)爭時期”才產(chǎn)出的生化盾牌，到了“和平時期”便需集中銷毀，否則就會反噬自身機體。負責銷毀的，是一個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，砌筑起植物帝國的護城堡壘。
相應地，在漫長的物種戰(zhàn)爭中，狡猾的昆蟲也漸漸練就破壞植物盾牌的本領(lǐng)，找到了攻城計策。一個名為煙粉虱的昆蟲，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(zhàn)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(fā)現(xiàn)這一神奇現(xiàn)象后異常興奮。他說，那個叫煙粉虱的昆蟲，正是通過竊取植物的酚糖丙二酰基轉(zhuǎn)移酶基因，才有廣泛寄主適應性，在植物昆蟲大戰(zhàn)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(jié)果之一。3月25日，國際頂級學術(shù)期刊《細胞》發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，這也是我國農(nóng)業(yè)害蟲研究領(lǐng)域在該期刊上的首篇論文，意義之重大可見一斑。
“超級害蟲”
“這一發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)實生活有什么用？”在接受采訪時，張友軍說，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說起。
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，作為外來入侵物種，被聯(lián)合國糧農(nóng)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”。
“煙粉虱的危險性，甚至超過了第一大農(nóng)業(yè)害蟲棉鈴蟲。”張友軍說，它不僅通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(fā)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)濟損失。
以我國為例，自上世紀90年代中后期，煙粉虱陸續(xù)在全國范圍內(nèi)發(fā)生危害，其中對蔬菜、棉花等作物生產(chǎn)危害最為嚴重。2009年，僅煙粉虱傳播的番茄黃化曲葉病，就給我國番茄產(chǎn)業(yè)造成了100多億元的損失。在北京，煙粉虱對黃瓜、番茄、茄子、甜瓜和西葫蘆的危害損失，嚴重時可達七成以上。
“它幾乎什么都能吃，超過600余種植物都是它的‘盤中餐’，而且適應性極強，很容易暴發(fā)成災。”張友軍說。
100多年來，人們對煙粉虱的治理主要依靠農(nóng)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，煙粉虱這個狡猾的家伙，進化出了“抗藥性”，目前已經(jīng)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虱為什么能有如此廣泛的寄主適應性，為什么又禁而不絕？
張友軍說，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，多食性害蟲適應能力強，如何防治？”張友軍說，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)團隊探索昆蟲的食性之謎；兩年后，他帶領(lǐng)團隊將研究力量集中在了煙粉虱的寄主適應性及其暴發(fā)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”，就是煙粉虱“偷”了植物里的“矛”，變成自己用來攻擊植物的“利器”，讓植物帝國無法防御。
2013年，張友軍團隊第一次完成煙粉虱的全基因測序，煙粉虱體內(nèi)基因，隨之暴露在人類面前。
這時，研究團隊驚奇地發(fā)現(xiàn)，煙粉虱體中存在一個明顯來自植物的基因——酚糖丙二酰基轉(zhuǎn)移酶基因。據(jù)此次成果論文第一作者、中國農(nóng)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，正是后來科學家發(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，怎么會出現(xiàn)在煙粉虱的‘肚子’里？”郭兆將說。
科研團隊進一步研究發(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，這個轉(zhuǎn)移到了煙粉虱身體里的基因，不但一代代遺傳了下來，而且能發(fā)揮重要作用——用來攻破植物保護自己的“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”。這一過程被稱作水平基因轉(zhuǎn)移，是相對于垂直基因轉(zhuǎn)移——親代傳遞給子代而言的，它打破了親緣關(guān)系的界限，讓基因流動的可能變得更為復雜。
“這個發(fā)現(xiàn)讓團隊里很多年輕人都很興奮。”論文共同第一作者、中國農(nóng)科院蔬菜花卉所博士后夏吉星說，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(zhàn)爭中出現(xiàn)了。
這也是現(xiàn)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(zhuǎn)移現(xiàn)象。
論文共同通訊作者、瑞士納沙泰爾大學化學生態(tài)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(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——酚糖丙二酰基轉(zhuǎn)移酶僅存在于煙粉虱中。”
不過，原本屬于植物的“矛”，究竟是怎樣被煙粉虱得到的，研究人員還沒有確切發(fā)現(xiàn)。
他們推測，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傳播的過程中發(fā)生的。發(fā)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、中國農(nóng)科院蔬菜花卉所博士后楊澤眾介紹，研究團隊制定了一種策略，來破解煙粉虱竊取的“超級力量”，即利用RNA干擾煙粉虱的酚糖丙二酰基轉(zhuǎn)移酶基因，讓它對這種植物有毒化合物敏感。
循著這個思路，研究團隊構(gòu)建了表達該發(fā)夾RNA的轉(zhuǎn)基因番茄品系。
結(jié)果顯示，在沒有農(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)說明，轉(zhuǎn)基因番茄品系能夠有效控制煙粉虱。”楊澤眾說。這意味著，將來一些植物或許再也不用通過打農(nóng)藥來防治煙粉虱，利用RNA干擾做成一些轉(zhuǎn)基因植物，或可一勞永逸。
當然，采用這種方法還需要克服一些障礙，比如，人們對轉(zhuǎn)基因作物的憂慮。
“這種可以應對煙粉虱的轉(zhuǎn)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里都有這個基因，我們只是把煙粉虱‘偷’來的這個植物源基因，又在植物里面給表達了，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(zhì)性創(chuàng)新內(nèi)容，并且該論文將對生態(tài)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》雜志審稿人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(nèi)容，從不同角度深入研究解決問題。
這一重大發(fā)現(xiàn)的背后，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虱寄主適應性機制。他告訴記者，整個科研團隊也曾遭遇“經(jīng)費不足”“學科偏冷”等問題，但最終都挺了過來。
20年來，團隊里有的成員轉(zhuǎn)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(jīng)成為國內(nèi)相關(guān)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(shù)發(fā)展和時代發(fā)展給予的機遇。”張友軍說。
作為一名農(nóng)業(yè)科技戰(zhàn)線的“老兵”，中國農(nóng)科院蔬菜花卉所所長張友軍每當有一些重大發(fā)現(xiàn)，都會發(fā)出這樣的感慨。眼下這個最新發(fā)現(xiàn)就讓他再次驚呼“神奇”——
在植物和昆蟲長達億萬年的戰(zhàn)爭之中，雙方隨著物種演化，都早已擁有屬于自己的生存哲學：昆蟲以植物為食，繁衍后代；植物也不會坐以待斃，每每有昆蟲來犯，便產(chǎn)生大量毒素，以此作為防御之“盾”。不過，這種“戰(zhàn)爭時期”才產(chǎn)出的生化盾牌，到了“和平時期”便需集中銷毀，否則就會反噬自身機體。負責銷毀的，是一個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，砌筑起植物帝國的護城堡壘。
相應地，在漫長的物種戰(zhàn)爭中，狡猾的昆蟲也漸漸練就破壞植物盾牌的本領(lǐng)，找到了攻城計策。一個名為煙粉虱的昆蟲，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。
這是張友軍團隊用了將近20年的時間追蹤研究的結(jié)果之一。3月25日，國際頂級學術(shù)期刊《細胞》發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)，這也是我國農(nóng)業(yè)害蟲研究領(lǐng)域在該期刊上的首篇論文，意義之重大可見一斑。
“超級害蟲”
“這一發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)實生活有什么用？”在接受采訪時，張友軍說，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說起。
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，作為外來入侵物種，被聯(lián)合國糧農(nóng)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”。
“煙粉虱的危險性，甚至超過了第一大農(nóng)業(yè)害蟲棉鈴蟲。”張友軍說，它不僅通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(fā)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)濟損失。
以我國為例，自上世紀90年代中后期，煙粉虱陸續(xù)在全國范圍內(nèi)發(fā)生危害，其中對蔬菜、棉花等作物生產(chǎn)危害最為嚴重。2009年，僅煙粉虱傳播的番茄黃化曲葉病，就給我國番茄產(chǎn)業(yè)造成了100多億元的損失。在北京，煙粉虱對黃瓜、番茄、茄子、甜瓜和西葫蘆的危害損失，嚴重時可達七成以上。
“它幾乎什么都能吃，超過600余種植物都是它的‘盤中餐’，而且適應性極強，很容易暴發(fā)成災。”張友軍說。
100多年來，人們對煙粉虱的治理主要依靠農(nóng)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，煙粉虱這個狡猾的家伙，進化出了“抗藥性”，目前已經(jīng)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虱為什么能有如此廣泛的寄主適應性，為什么又禁而不絕？
張友軍說，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，多食性害蟲適應能力強，如何防治？”張友軍說，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)團隊探索昆蟲的食性之謎；兩年后，他帶領(lǐng)團隊將研究力量集中在了煙粉虱的寄主適應性及其暴發(fā)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”，就是煙粉虱“偷”了植物里的“矛”，變成自己用來攻擊植物的“利器”，讓植物帝國無法防御。
2013年，張友軍團隊第一次完成煙粉虱的全基因測序，煙粉虱體內(nèi)基因，隨之暴露在人類面前。
這時，研究團隊驚奇地發(fā)現(xiàn)，煙粉虱體中存在一個明顯來自植物的基因——酚糖丙二酰基轉(zhuǎn)移酶基因。據(jù)此次成果論文第一作者、中國農(nóng)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，正是后來科學家發(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，怎么會出現(xiàn)在煙粉虱的‘肚子’里？”郭兆將說。
科研團隊進一步研究發(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，這個轉(zhuǎn)移到了煙粉虱身體里的基因，不但一代代遺傳了下來，而且能發(fā)揮重要作用——用來攻破植物保護自己的“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”。這一過程被稱作水平基因轉(zhuǎn)移，是相對于垂直基因轉(zhuǎn)移——親代傳遞給子代而言的，它打破了親緣關(guān)系的界限，讓基因流動的可能變得更為復雜。
“這個發(fā)現(xiàn)讓團隊里很多年輕人都很興奮。”論文共同第一作者、中國農(nóng)科院蔬菜花卉所博士后夏吉星說，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(zhàn)爭中出現(xiàn)了。
這也是現(xiàn)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(zhuǎn)移現(xiàn)象。
論文共同通訊作者、瑞士納沙泰爾大學化學生態(tài)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(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——酚糖丙二酰基轉(zhuǎn)移酶僅存在于煙粉虱中。”
不過，原本屬于植物的“矛”，究竟是怎樣被煙粉虱得到的，研究人員還沒有確切發(fā)現(xiàn)。
他們推測，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傳播的過程中發(fā)生的。發(fā)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、中國農(nóng)科院蔬菜花卉所博士后楊澤眾介紹，研究團隊制定了一種策略，來破解煙粉虱竊取的“超級力量”，即利用RNA干擾煙粉虱的酚糖丙二酰基轉(zhuǎn)移酶基因，讓它對這種植物有毒化合物敏感。
循著這個思路，研究團隊構(gòu)建了表達該發(fā)夾RNA的轉(zhuǎn)基因番茄品系。
結(jié)果顯示，在沒有農(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)說明，轉(zhuǎn)基因番茄品系能夠有效控制煙粉虱。”楊澤眾說。這意味著，將來一些植物或許再也不用通過打農(nóng)藥來防治煙粉虱，利用RNA干擾做成一些轉(zhuǎn)基因植物，或可一勞永逸。
當然，采用這種方法還需要克服一些障礙，比如，人們對轉(zhuǎn)基因作物的憂慮。
“這種可以應對煙粉虱的轉(zhuǎn)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里都有這個基因，我們只是把煙粉虱‘偷’來的這個植物源基因，又在植物里面給表達了，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(zhì)性創(chuàng)新內(nèi)容，并且該論文將對生態(tài)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》雜志審稿人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(nèi)容，從不同角度深入研究解決問題。
這一重大發(fā)現(xiàn)的背后，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虱寄主適應性機制。他告訴記者，整個科研團隊也曾遭遇“經(jīng)費不足”“學科偏冷”等問題，但最終都挺了過來。
20年來，團隊里有的成員轉(zhuǎn)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(jīng)成為國內(nèi)相關(guān)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(shù)發(fā)展和時代發(fā)展給予的機遇。”張友軍說。
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