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根萤叶甲是怎样打败人类的?

玉米是全世界产量最高的粮食作物,同时也面临着诸多害虫的威胁。而在这些害虫当中,根萤叶甲的名字尤其让人胆寒——它们是破坏力最强的玉米害虫之一。根萤叶甲的幼虫侵入寄主的根茎后,会吞食组织,导致根腐烂、植株倒伏,使得植株减产乃至死亡。而成虫也会采食寄主的叶、花以及种子。

在1955年以前,它们仅分布在美国有限的几个州内,但在这之后,它们侵入了本不太适合它们生存的美国北部。1990年,东欧激荡,这种害虫就在这个时候被意外引入塞尔维亚,于是,欧洲大陆尤其是东欧,也成了它们的地盘。而近些年也有蔓延至中国的境内。

根萤叶甲是根萤叶甲属(Diabrotica sp.)昆虫的统称。在美国,危害玉米的几种根萤叶甲被称作玉米根虫(Corn Rootworm),其中危害最大的三种被叫做 “西方”、“北方”及“南方”。

三种对农业危害最大的根萤叶甲。图片来自unl.edu

三种对农业危害最大的根萤叶甲。图片来自unl.edu

“永世长眠者未必永恒死亡,奇迹降临时死亡亦将死亡”

根萤叶甲的食性比较狭窄,因此,可以利用“轮种”的方法来控制这种害虫。它们的幼虫主要以玉米为食,在缺乏合适寄主的情况下基本没法活到繁殖期。于是只要在玉米地上种上一年大豆什么的,就可确保接下来的几年内这块土地上的玉米不受根萤叶甲困扰。近一个世纪以来,轮种一直是抵抗玉米根萤叶甲的利器,依靠它,人类省下了大笔本该花在农药上的金钱。

直到20世纪80年代中期,一切都变了。

首先让科学家感觉到不对头的是北方玉米根萤叶甲。这种昆虫演化出了一种非常简单但却极其精巧的方法,战胜了轮种策略——你们美国人不是没法不种玉米么,你们不是不可能连续两年在地里种植大豆么,反正咱们是靠卵来越冬,索性就多在土里面睡上一段时间吧!

依靠延长自己的滞育期,北方玉米根萤叶甲再次成为举足轻重的害虫。

西方玉米根萤叶甲的改变随之而来。研究根萤叶甲的专家Levine和Oloumi-Sadeghi在1987年发现,这个物种发展出了另外一种策略来对抗轮种。这种策略更粗暴,更直接:既然只有大豆可吃,咱们就凑合凑合,吃大豆好了。

包括根萤叶甲在内的一系列叶甲科(Chrysomelidae)的害虫,它们选择不吃某种植物,不是因为不能在那些植物上获取足够的养分,也不是因为那些植物身上没有吸引它们的物质,而是因为非寄主性植物身上有所谓的“拒食剂”——这样的物质会让根萤叶甲们感到食物不可口或是对它们有害,就像热汤中的昆虫,虽然其实不一定有害,但看着恶心。对于根萤叶甲来说,拒食剂包括马钱子碱、白毛直碱、氨基丁酸、甘氨酸等一系列物质。可想而知,为了达成这样看似简单的食性变化,西方根萤叶甲自身作出了多么大的改变。

正在采食玉米根部的根萤叶甲幼虫。图片来自marysrosaries.com

正在采食玉米根部的根萤叶甲幼虫。图片来自marysrosaries.com

更有甚者,西方根萤叶甲在行为上出现了一种不可思议的改变——有一部分个体,专挑种着大豆的玉米地产卵。这些慈爱的父母,知道把卵产在这样的地方,孩子们在来年就不用去吃难吃的大豆了。据科学家推测,这种行为的基础可能有二:一是成虫具有以大豆为食的能力;二是地里前一年玉米留下的化学物质吸引了它们。

这是一出活生生的埃斯库罗斯式悲剧,演化之伟力化身为赫拉克勒斯,用一代人的时间将被轮种束缚着的根萤叶甲解放了出来。

“相对于战争结束来说,我们更希望所有的战争本就没有爆发”

轮种不是人类唯一的利器,至少我们手上还有农药。

拿一般的农药来对付根萤叶甲,有点吃力不讨好。这种昆虫的繁殖能力并不弱,虽然每年它们只发生一代,但每只雌虫一生可产下500~1000枚卵,若赶上气候适宜的年份,这种害虫的存活率那是相当的不低。更多的后代,意味着更多的可能性,根萤叶甲很容易就能对各种常规农药产生抗药性。

还好,我们有苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt),我们有Bt转基因玉米。这种技术对害虫的杀灭率高,对环境友好,并且不会影响到包括人在内的脊椎动物的健康。最近,《自然》杂志上的一篇文章指出,Bt转基因抗虫棉不但能杀死害虫,减少农药的使用,还能保护环境。自2003年起,商业化的Bt转基因玉米在抗击玉米根萤叶甲的战争中,作出了卓越的贡献。

可是,面对昆虫,人类手上任何一种武器都不是万能的。2011年刊登于《PLoS ONE》上的一篇论文报告说,科学家发现西方玉米根萤叶甲对Bt产生了耐药性。而这也是人类第一次在鳞翅目之外的昆虫中,发现对Bt的耐药性。

更糟糕的是,调控西方玉米根萤叶甲耐受Bt的基因不是隐性的。为了稀释潜在的抗药性基因的频率,人类可以间杂着种植有抗植株和无抗植株。而这一做法的理论基础,就是假设昆虫抗Bt的性状受隐性基因调控。

被根萤叶甲侵害的Bt转基因玉米根部。图片来源:illinois.edu

被根萤叶甲侵害的Bt转基因玉米根部。图片来源:illinois.edu

所幸,人类对根萤叶甲已经了解甚多。人类正在排查这种害虫体内调控抗Bt性状的基因,而它们改变食性、延长滞育期的遗传机制,也差不多被搞清楚了。虽然了解这些信息不意味着就能战胜根萤叶甲,但手握更多的信息,在战争当中不是坏事。

人类若是想要继续生存下去,决不能忽视昆虫——这是根萤叶甲给我们上的一课,它们强大的繁殖力永远能创造出新的奇迹。不必说战胜了轮种,不必说耐受了Bt,这些小小的西方、北方还有南方玉米根虫,就算是再演化出个红中、八万或是七筒,凑成一整幅麻将,我也不会太吃惊。为了生存,人类和害虫战争还将继续下去。

参考文献:

[1] Amy Stewart. Wicked Bugs.
[2] 张丽杰, 杨星科. 警惕危险性害虫——玉米根萤叶甲传入我国. 昆虫知识, 2002 39(2): 81-88.
[3] Levine E., Oloumi-Sadeghp H.. Western Corn Rootworm (Coleoptera: Chrysomelidae) Larval Injury to Corn Grown for Seed Production Following Soybeans Grown for Seed Production. J. Econ. Entomo.1996. 89 (4):1010-1016.
[4] Onstad D. W., Spencer J. L., et al. Modeling evolution of behavioral resistance by an insect to crop rotation. Entomologia Experimentalis et Applicata. 2001. 100 :195–201.
[5] Miller N. J., Ciosi M., et al. Genome Scan of Diabrotica virgifera virgifera for Genetic Variation Associated With Crop Rotation Tolerance. Journal of Applied Entomology. 2007. 131 (6):378-385.
[6] Gassmann A. J., Petzold-Maxwell J. L., et al. Field-Evolved Resistance to Bt Maize by Western Corn Rootworm. PLoS ONE. 2011. 6 (7):e22629.
The End

发布于2012-07-09, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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