自以為吃定棉花的棉鈴蟲，卻發(fā)現(xiàn)美味成了穿腸毒藥
本欄目由 “世界科學(xué)” 和 “賽先生”聯(lián)合出品
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“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”等微信公眾號，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助下，開辟“走近科學(xué)”欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進(jìn)行科普化報道。
本篇報道圍繞2017年上海市自然科學(xué)獎一等獎“植物次生代謝與抗蟲”項(xiàng)目展開，該獎項(xiàng)由中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所陳曉亞院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊獲得。
蝶戀花、蜂采蜜，植物與昆蟲大約是地球上關(guān)系密切程度最高的配對之一。不過，在物競天擇、適者生存的大自然里，植物與昆蟲之間的關(guān)系，并非總?cè)缭娙嗣枥L的那么和諧美妙：有時昆蟲為植物傳粉、植物為昆蟲提供食物，互惠互利；有時在昆蟲貪婪無情的啃嚙下，植物不得不奮起反抗，以牙還牙。
地球上大約有35萬種植物和80萬種昆蟲，它們之間的相互作用、協(xié)同進(jìn)化，演繹出了一幕幕世界上最復(fù)雜有趣的生命現(xiàn)象，也成為生物多樣性形成的重要動力。
自從人類將一些植物馴化成了農(nóng)作物之后，深入了解昆蟲與植物之間的恩恩怨怨，并以“四兩撥千斤”的巧妙手段加以利用，由此為人類帶來更豐富的物產(chǎn)就成了科學(xué)家們的一大重任。隨著21世紀(jì)生命科學(xué)的發(fā)展深入到分子細(xì)胞水平，進(jìn)入基因組時代，植物與昆蟲博弈的故事溯源與解剖，也開始在微觀世界中展開。
植物與昆蟲的共進(jìn)化博弈
據(jù)統(tǒng)計，全世界約80萬種昆蟲中，有45%左右以植物為食，而所有的植物都會被至少一種蟲類所取食。
有化石證據(jù)表明，昆蟲對植物的取食行為最早發(fā)生在大約3.5億年前。如果沒有抵抗病蟲害的“十八般武藝”，植物是難以發(fā)展到今天的規(guī)模的，在漫長的自然選擇與協(xié)同進(jìn)化過程中，植物進(jìn)化出了一套復(fù)雜的防御系統(tǒng)，以及多種多樣的抗蟲策略。
目前，已知的植物“抗蟲秘籍”主要有以下幾種。
“速生”大概可以算得最笨的抗蟲辦法。為了抵御害蟲的侵襲，植物自身會盡可能地加快生長速度——即被蟲子吃掉一片葉子，植物會很快再長一兩片出來進(jìn)行補(bǔ)償，這樣就不會影響植物正常的生長和產(chǎn)量。這用來對付個別偶爾“打秋風(fēng)”的昆蟲，頗為有用，有時還會促進(jìn)植物生長。比如，在一定的條件下，蟲害損傷了棉花植株的一些葉片或個別棉蕾之后，反而會促使那些沒被吃掉的棉桃長得更大。
“堅壁清野”也是一些植物常用的手段，即植物通過形態(tài)、組織和生長特性，來對昆蟲的取食、侵襲行為產(chǎn)生“拖累”作用。比如，有些植物會在葉片上“涂”滿厚厚的蠟質(zhì)，甚至生長出或堅硬、或光滑、或布滿絨毛的外表層，使得昆蟲難以在植株上“落腳”，即使“站穩(wěn)”了也無從下口。比如：有的水稻品種因其植株硬度高，就具有更強(qiáng)的抗螟蟲能力；而有些茸毛多的棉花品種，就會少受蚜蟲的侵?jǐn)_。
不過，更讓人驚嘆的是，很多植物通過自身的次生代謝物，煉就了“用毒”的能耐——用化學(xué)物質(zhì)、激素等讓昆蟲“望植興嘆”，鎩羽而歸。比如：
煙草植株所產(chǎn)生的煙堿、十字花科的植物產(chǎn)生的芥子油苷、除蟲菊產(chǎn)生的除蟲菊酯，都因?yàn)樗鼈儚?qiáng)大的抗蟲性，現(xiàn)在已經(jīng)作為無污染的農(nóng)業(yè)殺蟲劑被廣泛應(yīng)用；
而有些植物則能產(chǎn)生丹寧、棉酚等酚類化合物，使蛋白質(zhì)變得不易消化，從而使昆蟲“吃得下，用不上”，出現(xiàn)營養(yǎng)缺乏的饑餓癥狀；
有些植物則能產(chǎn)生激素，讓昆蟲吃了之后不知不覺地發(fā)育異常，并喪失繁殖能力。
然而，昆蟲也不是等閑之輩，決不輕易放棄植物這一世界上最重要的食物來源。在漫長的協(xié)同進(jìn)化過程中，針對植物進(jìn)化產(chǎn)生的一系列次生代謝物（即上文提到的那一類并非植物生長發(fā)育所必需的小分子有機(jī)化合物），昆蟲種群又通過進(jìn)化，重新適應(yīng)產(chǎn)生次生代謝物的植物，于是造成了昆蟲食性的?；?/span>
比如，含有毒素棉酚的棉花，令大多數(shù)其他昆蟲都避而遠(yuǎn)之，可棉鈴蟲卻不怕，敢于對棉花植株大快朵頤，就是因?yàn)樗w內(nèi)能自產(chǎn)“解藥”。
棉鈴蟲的美食變“穿腸毒藥”
對于被人類選為重要農(nóng)作物的植物來說，如果有“克星”昆蟲的存在，顯然對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分不利。蟲害嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)，每年造成的損失約占總產(chǎn)量的15%。因此，科學(xué)家抓住植物與昆蟲協(xié)同進(jìn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，深入研究昆蟲對植物次生代謝的適應(yīng)機(jī)制，由此發(fā)展新一代抗蟲技術(shù)。
中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所研究員、中國科學(xué)院院士陳曉亞深入研究棉花-棉鈴蟲模式，巧妙地通過轉(zhuǎn)基因手段，讓棉花從棉鈴蟲的美食變成了“毒藥”。
萜類是植物次生代謝物種最豐富的的一類化學(xué)物質(zhì)，包括單萜、倍半萜和二萜等。它們具有重要的生理與生態(tài)功能：有些具有揮發(fā)性，可以吸引昆蟲前來協(xié)助傳粉，或是向害蟲的天敵釋放信號，來幫助自身“解圍”；有些則具有藥用價值，比如紫杉醇具有抗腫瘤活性，青蒿素可以抗瘧疾，等等。
棉酚就是一種倍半萜衍生物，具有廣譜毒性，是很多昆蟲的毒藥，這使得棉花免遭很多蟲害的侵襲。然而，棉鈴蟲卻不怕，這是為什么？（據(jù)統(tǒng)計，棉鈴蟲對我國棉花生產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)數(shù)十億元。）
陳曉亞院士為了探索其中的奧秘，從2000年起，就帶領(lǐng)博士生毛穎波開始了艱苦的探索。
原來，棉鈴蟲體內(nèi)有一些神奇的“解藥基因”，能抵消棉酚的毒性。正因?yàn)槿绱?，別的蟲兒望而生畏的棉葉棉桃，卻成為棉鈴蟲的美味佳肴。這個“解藥”就是P450基因。
科研人員找到棉鈴蟲的P450基因（CYP6AE14）之后，就把一種可以抑制該基因的雙鏈RNA轉(zhuǎn)進(jìn)植物中，當(dāng)棉鈴蟲把含有這種雙鏈RNA的植物葉子吃下肚后，雙鏈RNA就會深入細(xì)胞，讓P450基因生產(chǎn)不出“解藥”。這釜底抽薪的一招，立刻將棉花變成了棉鈴蟲的“毒藥”。
這個想法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于“如何實(shí)現(xiàn)雙鏈RNA抑制P450基因的作用”。當(dāng)時，RNA干擾（RNAi）技術(shù)剛剛興起，大家都處于摸索階段。一開始，研究組想把這種基因的雙鏈RNA直接注射到棉鈴蟲體內(nèi)，但怎么也成功不了。接著，他們又想通過基因技術(shù)直接敲除棉鈴蟲身上的P450基因，但也不成功。研究進(jìn)入了山重水復(fù)疑無路的困境。
棉鈴蟲正在啃噬田間棉花（上海松江農(nóng)場基地）
不過，柳暗花明的驚喜就在科學(xué)家靈感乍現(xiàn)的那一刻到來——能不能讓棉鈴蟲把雙鏈RNA吃下去，也就說，讓棉花表達(dá)昆蟲基因的雙鏈RNA？
于是，研究組開始嘗試促進(jìn)棉花產(chǎn)生雙鏈RNA。果然，轉(zhuǎn)入該P(yáng)450基因的棉花體內(nèi)所產(chǎn)生的雙鏈RNA，降解了棉鈴蟲體內(nèi)的棉酚“解藥”——喂了這種轉(zhuǎn)基因葉子后，“解藥工廠”果然“產(chǎn)量”大減。再喂棉鈴蟲這種棉花葉片，棉鈴蟲顯得難以下咽，最終營養(yǎng)不良、生長緩慢，甚至死亡。
2007年11月12日，《自然 ? 生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）刊登了這項(xiàng)成果，并為此配發(fā)長篇評論，認(rèn)為“這項(xiàng)技術(shù)為開發(fā)新一代安全有效的轉(zhuǎn)基因抗蟲植物（如抗蟲棉）奠定了基礎(chǔ)”。
《自然》（Nature）雜志在評論中對這一重要突破給予高度評價：“第一次成功報道利用植物自身表達(dá)昆蟲基因的雙鏈RNA來抑制植食性昆蟲防御基因的論文。”
《科學(xué)》（Science）更是形象地將其比喻為“農(nóng)場里種植RNA”。
又經(jīng)過多年研究，如今研究組已獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)基因棉花材料，目前正在與相關(guān)科研單位合作，進(jìn)行育種工作。
其實(shí)，我國早在1997年就批準(zhǔn)了轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉的生產(chǎn)，并開始推廣種植，是繼美國之后擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、獨(dú)立研制成功轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的第二個國家。2019年，我國國產(chǎn)抗蟲棉的自有率已達(dá)99%以上。而且，Bt轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的推廣普及已基本解決了棉鈴蟲影響棉花生產(chǎn)的問題，為何這一利用植物表達(dá)抑制害蟲的RNA方法，會得到如此高的榮譽(yù)褒獎呢？
原來，由于Bt轉(zhuǎn)基因作物的長期大面積種植，田間已開始出現(xiàn)對Bt具有抗性的害蟲，并有蔓延的趨勢。而且，Bt轉(zhuǎn)基因作物主要針對鱗翅目昆蟲，那些非鱗翅目昆蟲，由于噴灑農(nóng)藥減少，逐步成為棉田里的優(yōu)勢害蟲，如綠盲蝽。因此，尋找新型高效的作物抗蟲技術(shù)對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
而陳曉亞研究組探索出的利用植物表達(dá)抑制害蟲的RNA方法，則為培育新的抗蟲棉品種另辟蹊徑。更重要的是，這一發(fā)現(xiàn)使我國在利用以RNA干擾為基礎(chǔ)的核酸技術(shù)防控病蟲害上有了長足的進(jìn)步，進(jìn)入了國際先進(jìn)行列。
陳曉亞院士（左）和課題組成員王凌健副研究員（右）在轉(zhuǎn)基因棉花培育實(shí)驗(yàn)室里
RNA干擾技術(shù)使病蟲害防控進(jìn)入新時期
RNA干擾是近年來重要的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，2006年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎就頒給了發(fā)現(xiàn)RNAi干擾機(jī)制的兩位美國科學(xué)家。
美國馬薩諸塞州大學(xué)教授克雷格·梅洛（Craig C. Mello，左)與斯坦福醫(yī)學(xué)院教授安德魯·法爾（AndrewZ. Fire，右）因發(fā)現(xiàn)RNA干擾現(xiàn)象而共同獲得2006年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎
由于RNAi是真核生物中保守的調(diào)控機(jī)制，基于這種機(jī)制開發(fā)的抗蟲技術(shù)具有普適性，還可彌補(bǔ)Bt抗蟲技術(shù)的不足。同時，RNAi依賴于序列特異性，可針對特定害蟲進(jìn)行防治，專一性強(qiáng)，更有利于環(huán)境安全。
經(jīng)歷了化學(xué)農(nóng)藥、蛋白質(zhì)農(nóng)藥（主要是BT）兩代技術(shù)，以RNA干擾為基礎(chǔ)的核酸技術(shù)使病蟲害防控進(jìn)入新時期。
在RNAi轉(zhuǎn)基因作物開發(fā)上，國際競爭相當(dāng)激烈。
例如，孟山都已經(jīng)研發(fā)成功的轉(zhuǎn)基因玉米，能夠表達(dá)玉米根蟲DvSnf7基因的dsRNA，同時還表達(dá)3個蘇云金桿菌來源的Cry蛋白，可以在增加Bt耐受的同時，加快RNA干擾效果。該轉(zhuǎn)基因玉米SmartStax PRO已在美國、巴西、日本等8個國家和地區(qū)通過轉(zhuǎn)基因安全評價，于2017年6月獲得了美國環(huán)境署（US-EPA）的種植許可，并已向我國申請轉(zhuǎn)基因生物安全證書。
別國已經(jīng)帶著產(chǎn)品在我國“敲門”，我國在該領(lǐng)域的產(chǎn)品在哪里？陳曉亞研究組的這一進(jìn)展，促進(jìn)了我國在植物介導(dǎo)RNA干擾抗蟲技術(shù)的發(fā)展。
近年來，在我國轉(zhuǎn)基因重大專項(xiàng)的支持下，該領(lǐng)域持續(xù)獲得突破，研制了RNAi抗盲蝽棉花、RNAi抗黃萎病棉花以及RNAi+Bt的聚合抗蟲棉花，顯示出克服棉鈴蟲對Bt棉產(chǎn)生耐受性的前景。
觸類旁通拓展應(yīng)用
植物次生代謝受各種因子的精確調(diào)控，當(dāng)科學(xué)家了解清楚背后的一整套機(jī)制，就能展開各種應(yīng)用，為人類造福。
陳曉亞研究人員發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因子、防御激素茉莉素和生長發(fā)育信號，可共同調(diào)控次生代謝的分子機(jī)理。他們發(fā)現(xiàn)，棉花WRKY1蛋白能結(jié)合杜松烯合酶基因啟動子，通過激活基因轉(zhuǎn)錄來控制棉酚合成。
在破解棉鈴蟲體內(nèi)“解藥基因”的同時，陳曉亞研究組還根據(jù)植物中的棉酚合成途徑培育出低酚轉(zhuǎn)基因棉花。
其實(shí)，棉酚雖然是棉花的“護(hù)體神藥”，可那杠杠的毒性也限制了棉籽的應(yīng)用。棉籽富含油脂和蛋白質(zhì)，古代中國人和印度人就曾用原始方法提取棉籽油，用于醫(yī)藥和照明；在現(xiàn)代工業(yè)中，棉籽油可加工制成食用油、動物飼料。然而，除去毒素棉酚卻一直是件麻煩事，這限制了棉副產(chǎn)品的充分利用。
既不耽誤棉花抗蟲，又讓棉籽毒性降低，能否培育出種子中棉酚含量低、植株中棉酚含量正常的棉花新種質(zhì)呢？
陳曉亞研究組在研究過程中，對棉酚的生物合成途徑開展了系統(tǒng)深入的研究，先后克隆鑒定了法尼基二磷酸合酶（FPS）、杜松烯合酶（CAD）和杜松烯羥化酶（CYP706B1），催化三步連續(xù)的反應(yīng)。利用種子特異啟動子表達(dá)CYP706B1基因的雙鏈RNA，創(chuàng)制了種子低酚、植株棉酚含量正常的轉(zhuǎn)基因棉花新種質(zhì)，提供給中國農(nóng)科院棉花所、浙江大學(xué)等單位培育新品種。
另外，在研究過程中，他們還發(fā)現(xiàn)，棉花在棉酚合成過程中會分泌一種酶——分泌型漆酶，可以有效分解土壤中的酚類污染物。由此，研究組首次提出了土壤污染的植物體外修復(fù)，被《自然· 生物技術(shù)》稱為“展示了一項(xiàng)有生命力的植物修復(fù)策略”。
正因?yàn)橐陨隙喾矫嫜芯砍晒叭〉玫挠绊懥?，“植物次生代謝與抗蟲”系列研究成果獲得了2017年度上海市自然科學(xué)獎一等獎。
項(xiàng)目成果促進(jìn)了我國植物代謝等學(xué)科的發(fā)展，帶動了新一代抗蟲作物的研制，取得了重要的國際影響和學(xué)術(shù)地位。
注：本文選自《世界科學(xué)》雜志2020年第10期“走近科學(xué)”欄目。
制版編輯 | 栗子
