左圖為褐飛虱短翅型，右圖為褐飛虱長翅型，昆蟲原長3mm左右
每年春夏之交，在北緯25°以南過冬的一種昆蟲——褐飛虱將成群結(jié)隊地向北遷飛，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，長翅型的飛，短翅型的不飛?？刂七@種翅型分化的“分子開關(guān)”，第一次被浙江大學農(nóng)學院張傳溪教授課題組清晰地揭示出來，相關(guān)論文3月18日（當?shù)貢r間）發(fā)表在《自然》雜志。
殺傷力之源：翅型分化
褐飛虱是水稻的超級大敵。明朝起，關(guān)于它的“惡名”就在文獻中出現(xiàn)：“七月有蟲生苗間，若浮塵子，千百為群……捕之不得，驅(qū)之不去，卒莫知所以治之術(shù)。”“一經(jīng)聚食，稻即枯萎，遂致秋收大減。”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100到200萬噸。
論文共同通訊作者張傳溪教授說，褐飛虱很有“個性”，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)，同時它們抗藥性極強，很難對付。但是，這種昆蟲耐寒性很差，在中國福建及以北地區(qū)，褐飛虱不能過冬，冬天它們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“長”得很不一樣，例如蜂后和工蜂的分化?？茖W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、爆發(fā)性、毀滅性的”大害蟲的主要原因。
找到“分子開關(guān)”
翅膀的長短究竟誰說了算呢？半個世紀以來，昆蟲翅多型一直是昆蟲學的研究熱點?？茖W家們相繼拿蚜蟲、果蠅、蟋蟀來研究，但對于其中的分子機制一直沒有清晰的揭示。“我們以褐飛虱為模型，自主設(shè)計和研究，發(fā)現(xiàn)了昆蟲長短翅型可塑性發(fā)育的分子機制，兩個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。”張傳溪說。
“之前，有很多科學家做了關(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。
課題組在研究中發(fā)現(xiàn)了兩個同源性很高的胰島素受體（受體1和受體2），當受體2的含量低時，胰島素信號轉(zhuǎn)導通路就會開啟，褐飛虱就能生成長翅型，而當受體2的含量高時，轉(zhuǎn)導信號就會關(guān)閉，褐飛虱就能生成短翅型。“褐飛虱中有四種不同的胰島素，我們進一步研究發(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行了實驗，發(fā)現(xiàn)這個“分子開關(guān)”對于它們也同樣有效。
或可誕生治蟲新策略
在論文《Two insulin receptors determine alternative wing morphs in planthoppers》中，課題組繪制了一張兩個胰島素受體調(diào)控翅型分化的信號通路模型。該項結(jié)果在進化發(fā)育生物學和昆蟲翅型可塑性發(fā)育上具有重要意義。Nature評審專家指出，“該研究代表了多型現(xiàn)象分子機理研究的一個里程碑（This study represents a milestone in the molecular understanding of a polyphenic trait）”。
不僅如此，該研究發(fā)現(xiàn)了2個胰島素受體具有完全相反的正負向調(diào)節(jié)功能，這挑戰(zhàn)了人們對胰島素受體傳統(tǒng)功能的認知，擴展了人們對生物胰島素信號途徑調(diào)控的認識。同時，該項研究對于當下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有現(xiàn)實意義，它為褐飛虱的測報預(yù)警提供了的理論依據(jù)，也對開發(fā)新型稻飛虱治理技術(shù)具有重要價值。
“比如有一個大膽的設(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。
該研究得到了國家973項目“稻飛虱災(zāi)變機理和可持續(xù)治理的基礎(chǔ)研究”（2010CB126205）和國家自然科學基金項目（31201509、31471765）等項目的支持。
（周煒）
