每年夏季，來自中南半島的一種昆蟲——褐飛虱將成群結(jié)隊(duì)地向北遷飛，撲向肥沃的水稻田大快朵頤。但是，并不是所有的蟲子都能共赴這場饕餮盛宴，長翅型的能飛，短翅型的飛不了。控制這種翅型分化的“分子開關(guān)”，第一次被浙江大學(xué)農(nóng)學(xué)院張傳溪教授課題組清晰地揭示出來。近期的《自然》雜志刊出了這一研究結(jié)果。
這一結(jié)果，最直接的影響就是有望幫助水稻打敗天敵“褐飛虱”。
翅型分化使褐飛虱成禍害 長江中下游地區(qū)成重災(zāi)區(qū)
褐飛虱是水稻的超級大敵，別看它就米粒這點(diǎn)大小，殺傷力卻不小。近幾十年來，每年稻飛虱危害的面積都在2億畝次之上，造成的水稻損失可達(dá)100萬到200萬噸。
團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、論文共同通訊作者張傳溪教授說，褐飛虱很有“個(gè)性”，比如，它們口味非常專一，只吃水稻，致使亞洲成為褐飛虱的重災(zāi)區(qū)，同時(shí)它們抗藥性極強(qiáng)，很難對付。長江中下游地區(qū)由于夏秋水稻生產(chǎn)季節(jié)氣溫條件適宜它生長，為此常常遭受損失。
但是，這種昆蟲也有“軟肋”——耐寒性很差，在中國福建及以北地區(qū)，褐飛虱不能過冬，只能遷飛到南方溫暖地區(qū)。
我們常說“遺傳基因決定一切”，但是遺傳基因完全相同的生物，在后天不同的環(huán)境條件下，也會(huì)“長”得很不一樣，例如蜂后和工蜂的分化，科學(xué)家稱之為“可塑性發(fā)育”。論文共同第一作者徐海君副教授說，這是生物為了適應(yīng)環(huán)境而形成的一種極其重要的生存策略。褐飛虱是典型的翅二型昆蟲，短翅型繁殖速度快，而長翅型則能在氣候不適時(shí)遷飛到合適的生活環(huán)境。翅二型分化和長距離遷飛是褐飛虱成為“國際性、遷飛性、暴發(fā)性、毀滅性”大害蟲的主要原因。
找到翅型分化的“分子開關(guān)” 對開發(fā)新型治理技術(shù)具有重要價(jià)值
翅膀的長短究竟誰說了算呢？半個(gè)世紀(jì)以來，昆蟲翅多型一直是昆蟲學(xué)的研究熱點(diǎn)。科學(xué)家們相繼拿蚜蟲、果蠅、蟋蟀來研究，但對于其中的分子機(jī)制一直沒有清晰地揭示。
“我們以褐飛虱為模型，自主設(shè)計(jì)和研究，發(fā)現(xiàn)了昆蟲長短翅型可塑性發(fā)育的分子機(jī)制，兩個(gè)同源性很高的褐飛虱胰島素受體在長、短翅分化中起著‘開關(guān)’作用。”張傳溪教授說，這也是國家973項(xiàng)目中唯一一個(gè)單獨(dú)針對一種昆蟲的研究項(xiàng)目。
“之前，有很多科學(xué)家做了關(guān)于昆蟲保幼激素對翅型調(diào)控的影響，但都沒有得到明確的結(jié)論。”徐海君說。
為找出這只小蟲子的基因，張傳溪團(tuán)隊(duì)可是前前后后花了約5年的時(shí)間，在多條可能的信號通路間反復(fù)探索，終于發(fā)現(xiàn)了褐飛虱2種同源性很高的胰島素受體（受體1和受體2）基因與翅型發(fā)育相關(guān)，當(dāng)受體2的含量低時(shí)，胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路就會(huì)開啟，褐飛虱就能生成長翅型，而當(dāng)受體2的含量高時(shí)，轉(zhuǎn)導(dǎo)信號就會(huì)關(guān)閉，褐飛虱就能生成短翅型。“褐飛虱中有4種不同的胰島素，我們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，參與這種調(diào)控的胰島素是其中一種由腦部分泌的胰島素。”
為了證明這種調(diào)控機(jī)制是否具有普遍性，課題組對同屬于飛虱科的白背飛虱和灰飛虱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)“分子開關(guān)”對于它們也同樣有效。
不僅如此，該研究發(fā)現(xiàn)了2個(gè)胰島素受體具有完全相反的正負(fù)向調(diào)節(jié)功能，這挑戰(zhàn)了人們對胰島素受體傳統(tǒng)功能的認(rèn)知，擴(kuò)展了人們對生物胰島素信號途徑調(diào)控的認(rèn)識。同時(shí)，該項(xiàng)研究對于當(dāng)下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有現(xiàn)實(shí)意義，它為褐飛虱的測報(bào)預(yù)警提供了理論依據(jù)，也對開發(fā)新型稻飛虱治理技術(shù)具有重要價(jià)值。
“比如有一個(gè)大膽的設(shè)想，我們可以在褐飛虱遷飛的‘始發(fā)地’種植轉(zhuǎn)基因水稻，吃了這種水稻，褐飛虱體內(nèi)的‘開關(guān)’就能關(guān)閉，這樣就不能成為長翅型，就無法遷飛了。”徐海君說。
