自以为吃定棉花的棉铃虫,却发现美味成了穿肠毒药-深度-知识分子

自以为吃定棉花的棉铃虫,却发现美味成了穿肠毒药

3天前
导读
棉铃虫的美食变“穿肠毒药”。

本栏目由  “世界科学” 和 “赛先生”联合出品


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世界科学”联合“赛先生”等微信公众号,在上海市科学技术委员会资助下,开辟“走近科学”栏目,对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。


本篇报道围绕2017年上海市自然科学奖一等奖“植物次生代谢与抗虫”项目展开,该奖项由中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所陈晓亚院士领衔的团队获得。



蝶恋花、蜂采蜜,植物与昆虫大约是地球上关系密切程度最高的配对之一。不过,在物竞天择、适者生存的大自然里,植物与昆虫之间的关系,并非总如诗人描绘的那么和谐美妙:有时昆虫为植物传粉、植物为昆虫提供食物,互惠互利;有时在昆虫贪婪无情的啃啮下,植物不得不奋起反抗,以牙还牙。


地球上大约有35万种植物和80万种昆虫,它们之间的相互作用、协同进化,演绎出了一幕幕世界上最复杂有趣的生命现象,也成为生物多样性形成的重要动力。


自从人类将一些植物驯化成了农作物之后,深入了解昆虫与植物之间的恩恩怨怨,并以“四两拨千斤”的巧妙手段加以利用,由此为人类带来更丰富的物产就成了科学家们的一大重任。随着21世纪生命科学的发展深入到分子细胞水平,进入基因组时代,植物与昆虫博弈的故事溯源与解剖,也开始在微观世界中展开。


植物与昆虫的共进化博弈


据统计,全世界约80万种昆虫中,有45%左右以植物为食,而所有的植物都会被至少一种虫类所取食。


有化石证据表明,昆虫对植物的取食行为最早发生在大约3.5亿年前。如果没有抵抗病虫害的“十八般武艺”,植物是难以发展到今天的规模的,在漫长的自然选择与协同进化过程中,植物进化出了一套复杂的防御系统,以及多种多样的抗虫策略。


目前,已知的植物“抗虫秘籍”主要有以下几种。


“速生”大概可以算得最笨的抗虫办法。为了抵御害虫的侵袭,植物自身会尽可能地加快生长速度——即被虫子吃掉一片叶子,植物会很快再长一两片出来进行补偿,这样就不会影响植物正常的生长和产量。这用来对付个别偶尔“打秋风”的昆虫,颇为有用,有时还会促进植物生长。比如,在一定的条件下,虫害损伤了棉花植株的一些叶片或个别棉蕾之后,反而会促使那些没被吃掉的棉桃长得更大。


“坚壁清野”也是一些植物常用的手段,即植物通过形态、组织和生长特性,来对昆虫的取食、侵袭行为产生“拖累”作用。比如,有些植物会在叶片上“涂”满厚厚的蜡质,甚至生长出或坚硬、或光滑、或布满绒毛的外表层,使得昆虫难以在植株上“落脚”,即使“站稳”了也无从下口。比如:有的水稻品种因其植株硬度高,就具有更强的抗螟虫能力;而有些茸毛多的棉花品种,就会少受蚜虫的侵扰。


不过,更让人惊叹的是,很多植物通过自身的次生代谢物,炼就了“用毒”的能耐——用化学物质、激素等让昆虫“望植兴叹”,铩羽而归。比如:


烟草植株所产生的烟碱、十字花科的植物产生的芥子油苷、除虫菊产生的除虫菊酯,都因为它们强大的抗虫性,现在已经作为无污染的农业杀虫剂被广泛应用;


而有些植物则能产生丹宁、棉酚等酚类化合物,使蛋白质变得不易消化,从而使昆虫“吃得下,用不上”,出现营养缺乏的饥饿症状;


有些植物则能产生激素,让昆虫吃了之后不知不觉地发育异常,并丧失繁殖能力。


然而,昆虫也不是等闲之辈,决不轻易放弃植物这一世界上最重要的食物来源。在漫长的协同进化过程中,针对植物进化产生的一系列次生代谢物(即上文提到的那一类并非植物生长发育所必需的小分子有机化合物),昆虫种群又通过进化,重新适应产生次生代谢物的植物,于是造成了昆虫食性的专化。


比如,含有毒素棉酚的棉花,令大多数其他昆虫都避而远之,可棉铃虫却不怕,敢于对棉花植株大快朵颐,就是因为它体内能自产“解药”。


棉铃虫的美食变“穿肠毒药”


对于被人类选为重要农作物的植物来说,如果有“克星”昆虫的存在,显然对于农业生产十分不利。虫害严重影响农业,每年造成的损失约占总产量的15%。因此,科学家抓住植物与昆虫协同进化的关键环节,深入研究昆虫对植物次生代谢的适应机制,由此发展新一代抗虫技术。


中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所研究员、中国科学院院士陈晓亚深入研究棉花-棉铃虫模式,巧妙地通过转基因手段,让棉花从棉铃虫的美食变成了“毒药”。


萜类是植物次生代谢物种最丰富的的一类化学物质,包括单萜、倍半萜和二萜等。它们具有重要的生理与生态功能:有些具有挥发性,可以吸引昆虫前来协助传粉,或是向害虫的天敌释放信号,来帮助自身“解围”;有些则具有药用价值,比如紫杉醇具有抗肿瘤活性,青蒿素可以抗疟疾,等等。


棉酚就是一种倍半萜衍生物,具有广谱毒性,是很多昆虫的毒药,这使得棉花免遭很多虫害的侵袭。然而,棉铃虫却不怕,这是为什么?(据统计,棉铃虫对我国棉花生产造成的经济损失每年高达数十亿元。)


陈晓亚院士为了探索其中的奥秘,从2000年起,就带领博士生毛颖波开始了艰苦的探索。


原来,棉铃虫体内有一些神奇的“解药基因”,能抵消棉酚的毒性。正因为如此,别的虫儿望而生畏的棉叶棉桃,却成为棉铃虫的美味佳肴。这个“解药”就是P450基因。


科研人员找到棉铃虫的P450基因(CYP6AE14)之后,就把一种可以抑制该基因的双链RNA转进植物中,当棉铃虫把含有这种双链RNA的植物叶子吃下肚后,双链RNA就会深入细胞,让P450基因生产不出“解药”。这釜底抽薪的一招,立刻将棉花变成了棉铃虫的“毒药”。


这个想法实现的关键在于“如何实现双链RNA抑制P450基因的作用”。当时,RNA干扰(RNAi)技术刚刚兴起,大家都处于摸索阶段。一开始,研究组想把这种基因的双链RNA直接注射到棉铃虫体内,但怎么也成功不了。接着,他们又想通过基因技术直接敲除棉铃虫身上的P450基因,但也不成功。研究进入了山重水复疑无路的困境。


棉铃虫正在啃噬田间棉花(上海松江农场基地)


不过,柳暗花明的惊喜就在科学家灵感乍现的那一刻到来——能不能让棉铃虫把双链RNA吃下去,也就说,让棉花表达昆虫基因的双链RNA?


于是,研究组开始尝试促进棉花产生双链RNA。果然,转入该P450基因的棉花体内所产生的双链RNA,降解了棉铃虫体内的棉酚“解药”——喂了这种转基因叶子后,“解药工厂”果然“产量”大减。再喂棉铃虫这种棉花叶片,棉铃虫显得难以下咽,最终营养不良、生长缓慢,甚至死亡。


  • 2007年11月12日,《自然 • 生物技术》(Nature Biotechnology)刊登了这项成果,并为此配发长篇评论,认为“这项技术为开发新一代安全有效的转基因抗虫植物(如抗虫棉)奠定了基础”。


  • 《自然》(Nature)杂志在评论中对这一重要突破给予高度评价:“第一次成功报道利用植物自身表达昆虫基因的双链RNA来抑制植食性昆虫防御基因的论文。”


  • 《科学》(Science)更是形象地将其比喻为“农场里种植RNA”。


又经过多年研究,如今研究组已获得稳定的转基因棉花材料,目前正在与相关科研单位合作,进行育种工作。


其实,我国早在1997年就批准了转Bt基因抗虫棉的生产,并开始推广种植,是继美国之后拥有自主知识产权、独立研制成功转基因抗虫棉的第二个国家。2019年,我国国产抗虫棉的自有率已达99%以上。而且,Bt转基因抗虫棉的推广普及已基本解决了棉铃虫影响棉花生产的问题,为何这一利用植物表达抑制害虫的RNA方法,会得到如此高的荣誉褒奖呢?


原来,由于Bt转基因作物的长期大面积种植,田间已开始出现对Bt具有抗性的害虫,并有蔓延的趋势。而且,Bt转基因作物主要针对鳞翅目昆虫,那些非鳞翅目昆虫,由于喷洒农药减少,逐步成为棉田里的优势害虫,如绿盲蝽。因此,寻找新型高效的作物抗虫技术对农业可持续发展具有重要意义。


而陈晓亚研究组探索出的利用植物表达抑制害虫的RNA方法,则为培育新的抗虫棉品种另辟蹊径。更重要的是,这一发现使我国在利用以RNA干扰为基础的核酸技术防控病虫害上有了长足的进步,进入了国际先进行列。


陈晓亚院士(左)和课题组成员王凌健副研究员(右)在转基因棉花培育实验室里


RNA干扰技术使病虫害防控进入新时期


RNA干扰是近年来重要的生物学发现之一,2006年的诺贝尔生理学或医学奖就颁给了发现RNAi干扰机制的两位美国科学家。


美国马萨诸塞州大学教授克雷格·梅洛(Craig C. Mello,左)与斯坦福医学院教授安德鲁·法尔(AndrewZ. Fire,右)因发现RNA干扰现象而共同获得2006年诺贝尔生理学或医学奖


由于RNAi是真核生物中保守的调控机制,基于这种机制开发的抗虫技术具有普适性,还可弥补Bt抗虫技术的不足。同时,RNAi依赖于序列特异性,可针对特定害虫进行防治,专一性强,更有利于环境安全。


经历了化学农药、蛋白质农药(主要是BT)两代技术,以RNA干扰为基础的核酸技术使病虫害防控进入新时期。


在RNAi转基因作物开发上,国际竞争相当激烈。


例如,孟山都已经研发成功的转基因玉米,能够表达玉米根虫DvSnf7基因的dsRNA,同时还表达3个苏云金杆菌来源的Cry蛋白,可以在增加Bt耐受的同时,加快RNA干扰效果。该转基因玉米SmartStax PRO已在美国、巴西、日本等8个国家和地区通过转基因安全评价,于2017年6月获得了美国环境署(US-EPA)的种植许可,并已向我国申请转基因生物安全证书。


别国已经带着产品在我国“敲门”,我国在该领域的产品在哪里?陈晓亚研究组的这一进展,促进了我国在植物介导RNA干扰抗虫技术的发展。


近年来,在我国转基因重大专项的支持下,该领域持续获得突破,研制了RNAi抗盲蝽棉花、RNAi抗黄萎病棉花以及RNAi+Bt的聚合抗虫棉花,显示出克服棉铃虫对Bt棉产生耐受性的前景。


触类旁通拓展应用


植物次生代谢受各种因子的精确调控,当科学家了解清楚背后的一整套机制,就能展开各种应用,为人类造福。


陈晓亚研究人员发现,环境因子、防御激素茉莉素和生长发育信号,可共同调控次生代谢的分子机理。他们发现,棉花WRKY1蛋白能结合杜松烯合酶基因启动子,通过激活基因转录来控制棉酚合成。


在破解棉铃虫体内“解药基因”的同时,陈晓亚研究组还根据植物中的棉酚合成途径培育出低酚转基因棉花。


其实,棉酚虽然是棉花的“护体神药”,可那杠杠的毒性也限制了棉籽的应用。棉籽富含油脂和蛋白质,古代中国人和印度人就曾用原始方法提取棉籽油,用于医药和照明;在现代工业中,棉籽油可加工制成食用油、动物饲料。然而,除去毒素棉酚却一直是件麻烦事,这限制了棉副产品的充分利用。


既不耽误棉花抗虫,又让棉籽毒性降低,能否培育出种子中棉酚含量低、植株中棉酚含量正常的棉花新种质呢?


陈晓亚研究组在研究过程中,对棉酚的生物合成途径开展了系统深入的研究,先后克隆鉴定了法尼基二磷酸合酶(FPS)、杜松烯合酶(CAD)和杜松烯羟化酶(CYP706B1),催化三步连续的反应。利用种子特异启动子表达CYP706B1基因的双链RNA,创制了种子低酚、植株棉酚含量正常的转基因棉花新种质,提供给中国农科院棉花所、浙江大学等单位培育新品种。


另外,在研究过程中,他们还发现,棉花在棉酚合成过程中会分泌一种酶——分泌型漆酶,可以有效分解土壤中的酚类污染物。由此,研究组首次提出了土壤污染的植物体外修复,被《自然· 生物技术》称为“展示了一项有生命力的植物修复策略”。


正因为以上多方面研究成果及取得的影响力,“植物次生代谢与抗虫”系列研究成果获得了2017年度上海市自然科学奖一等奖。


项目成果促进了我国植物代谢等学科的发展,带动了新一代抗虫作物的研制,取得了重要的国际影响和学术地位。


注:本文选自《世界科学》杂志2020年第10期“走近科学”栏目。

版编辑 | 栗子


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