《科学画报》
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植物和昆虫的博弈
2020-10-27 12:37:00地球上约有35万种植物和100万种昆虫，多样的物种组成了缤纷的大自然。昆虫和植物之间的相互作用，是物种多样性发展的重要驱动力。花朵的鲜艳色彩和芬芳气味取悦了赏花人，而它的初衷是在告诉那些传粉的昆虫：“嗨，我在这里。”
植物抗虫的十八般武艺
植物为昆虫提供食物，昆虫帮助植物传粉，互惠互利。但植物和昆虫之间，并不总是那么和谐。
植物的足迹遍布了七大洲、四大洋的各个角落，为动物和人类提供食物，是整个食物链中最主要的生产者。植物固着生长，无法主动躲避昆虫的袭击。于是，在漫长的自然选择和协同进化的过程中，植物进化出一套复杂的防御系统。
一些植物在外表进化出厚厚的蜡质、尖锐的表皮毛等，从物理上减少昆虫的取食和附着。另外，针对昆虫的取食行为，植物能够合成有毒的次生代谢物，或是在伤口处产生有毒的挥发物质，或是像“壁虎断尾”一样让被咬的叶子死亡，从而阻止受伤范围的扩大。同时，有的受伤植物会释放类似“狼烟”一样的信号，告诉周围的植物：“敌军即将到达战场，请做好准备!”
植物次生代谢物是一类小分子化合物，其中，萜类是植物次生代谢物中最丰富的一类。有些萜类具有挥发性，可吸引传粉的昆虫或害虫的天敌;有些萜类具有抑制草食性昆虫生长的活性，参与植物的直接防御反应。
棉花是重要的经济作物，棉纤维是纺织工业主要的天然原料。在棉花的茎秆、叶片等组织表面有黑色点状的腺体，那是植保素的储存仓库，含有大量棉酚、半棉酚酮等萜类衍生物。
棉酚具有普遍的生物毒性，是棉花抵御病原微生物和草食性动物的主要成分。经过多年研究，中国科学院上海生命科学院植物生理生态研究所的陈晓亚(中国科学院院士)研究团队解析了棉酚的生物合成途径及其调控，先后克隆了催化棉酚合成的3个关键合酶。
昆虫的适应策略
所谓“道高一尺，魔高一丈”，生物的进化总是相辅相成，昆虫大军也发展了多种适应性策略来应对植物的防御。它们有些长出了更细长、更坚硬的口器来吸取茎秆汁液，捣碎叶肉细胞;有些在自己肚子里合成解毒剂，面对有毒的植物也不怕;有些不直接吃植物，而是把植物叶片切下来饲喂细菌，坐享细菌消化分解后留下的营养物质。
按照昆虫选择的宿主植物种类的多寡，植食性昆虫分为单食性、寡食性和广食性三类。广食性昆虫拥有种类复杂的解毒酶，有了解毒酶，昆虫就能迅速有效地对摄入的有毒化合物进行代谢解毒。
棉铃虫是一种广食性昆虫，严重危害农作物生产。虽然棉酚具有普遍的生物毒性，但棉铃虫并不惧怕棉花中高度积累的植保素。低浓度的棉酚甚至还能促进棉铃虫的生长。
陈晓亚研究团队发现：取食含有棉酚的食物，会诱导棉铃虫P450基因CYP6AE14的表达，且诱导程度与棉铃虫对棉酚的抗性正相关。如果抑制棉铃虫P450的活性，就能显著降低棉铃虫对棉酚的耐受性。
抗虫作物的改良
为了缓解过度使用农药给生态环境造成的压力，转基因技术被广泛应用于作物栽培，实现了更环保的生物防治。但这一技术有一定的局限性：由于长期种植，有些害虫对传统转基因作物产生了抗性。因此，需要发展新的抗虫技术。
陈晓亚研究团队发展了一种植物介导的昆虫RNA干扰(RNAi)技术：将与昆虫基因匹配的双链RNA在植物中表达，取食了这类转基因植物的昆虫的相应靶基因的表达会受到抑制。这一技术的显著优点是能够特异性地抑制昆虫防御基因的表达，从而抑制昆虫取食，达到抗虫效果。这为农业害虫的安全有效防治提供了新思路和新方法，为开发新一代安全有效的抗虫植物奠定了基础。
植物对昆虫的抗性和昆虫对植物的适应性都是相对的，没有一种植物可以抵抗所有的植食性昆虫，也没有一种昆虫能耐受所有的植物毒素。两者在不断地竞争和较量中协同演化，越来越多样化和复杂化。对植物和昆虫攻防互作的研究，不仅助力我们了解物种的多样性，也帮助我们研发更先进的技术手段去保护农作物不受虫害的侵扰。
文/毛颖波 陈雪莹
本文来自《科学画报》
