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害虫有抗性 关键在内脏

经过几十年的努力,科学家们终于搞清楚了昆虫是怎么针对环境友好型的耕作方式如轮作产生抗性的,而设计这些耕作方式的目的恰恰是杀死它们。科研人员称,他们的新见解将有助于开发更具可持续性的农业实践方式。

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科研人员在发表于《进化应用》 (Evolutionary Applications)杂志的文章中表示,至少对西部玉米根虫来说,耐轮作性的关键在于其内脏。

由伊利诺伊大学生态病理学家Manfredo Seufferheld主持的科研团队,在之前的研究中发现,蛋白降解酶的高度活性和内脏微生物群落的变化让耐轮作根甲虫比其他根甲虫能忍受更长时间的以大豆叶为食。


这就给了它们一种优势,不管在哪里轮作作物,雌根甲虫如果在大豆地里逗留足够长的时间,它就可以在那里产卵。第二年春天在这块土地上种玉米的时候,幼虫会孵化出来,以玉米根为食,长为成虫后再循环这个模式。而在大豆地里出现的任何幼虫都会死。


Seufferheld团队的新研究着眼于昆虫内脏的基因表达,并发现了耐轮作根甲虫和善感型(也称野生型)根甲虫之间的显著差异。在基因表达中的差异可能会帮助科研人员开发分子标记去鉴定耐轮作根甲虫,并提高根虫管理策略。


“我们发现耐轮作和野生型根甲虫之间有超过3000个基因的差异表达。”Seufferheld说道,其中一些蛋白质的基因编码参与了免疫调节和抗菌功能。这可能有助于解释在耐轮作和野生型根甲虫的消化系统微生物群落中看到的差异:同一类型的微生物都出现了,但以不同的比例出现。


在早前的研究中,Seufferheld团队发现,耐轮作根甲虫有更具活性的蛋白质——组织蛋白酶L。这种酶帮助虫子消化大豆叶,而且它不断增强的活性让耐轮作根甲虫超越了野生型根甲虫。当科研人员用抗生素来抗虫时,耐轮作根甲虫中组织蛋白酶L的活性降到其在野生型根甲虫中的水平。这导致耐轮作根甲虫和同样以大豆叶为食的野生型根甲虫死得一样快。


“从某种意义上说,微生物群落帮助根虫提高组织蛋白酶水平。”Seufferheld说,“但我们尚不知道确切是怎么进行的。”


“我们也发现差异表达基因参与解毒,参与新陈代谢产品、脂类、甾醇类、药物在细胞内外的传输。”他补充道,其中一些基因与昆虫抗毒性有关。


新的研究加深了科研人员对提高耐轮作性的各股力量之间复杂作用的理解。“昆虫抗性的演变是复杂的,人类活动、昆虫演进史、寄主和非寄主植物、微生物群落、基因,都在其中扮演了角色。”


他表示,所有的因素都存在于一个环境语境中。在玉米和大豆为主的区域里,耐轮作性更为普遍。而其他包含玉米和大豆的更多样化的农业景观生态中,就没有耐轮作性的问题。


“当我们破坏了农业景观的生态,即使采用最生态、最良性的方式,如轮作,都将出现一些后果。”Seufferheld说,“理解了生态和进化的相互作用,可以让我们进行更具可持续性的农业实践,并最大限度地减少不良后果。”


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