研究人員揭秘苯乙腈與蝗蟲之間的聯系

　　動物聚集（animal aggregations）在自然界十分普遍。這種聚集行為的利弊和得失一直以來是進化生物學家和生態學家爭議的焦點。特別是聚集如何有效防御天敵的捕食，以及它們采取什么樣的防御策略？

　　人們發現群居動物個體從形態、顏色和行為等方面表現得更加容易暴露自己，如具有更鮮亮的色彩等。這種現象被稱為“警告”信號（Aposematism），如顏色、氣味、味道和聲音等信號往往與它們含有的有毒物質關聯，誘發捕食者學習回避特定信號的行為，甚至有些捕食者進化出天生就回避某些警告信號的行為。

　　迄今，群居動物如何獲得警告信號、警告信號與毒物如何相互協調防御天敵捕食是懸而未決的科學問題。蝗災暴發的最關鍵原因是蝗蟲從散居型到群居型的轉變，其中也包括它們長期進化出來的防御策略轉變。

　　盡管蝗蟲有很多天敵，同時也是人類喜食的昆蟲種類，但人們觀察到蝗蟲大發生時很少有天敵喜歡捕食群居型蝗蟲。用群居蝗蟲飼喂家禽也會導致家禽的不適反應。群居蝗蟲難吃背后的機制仍然是未解之謎。

　　中國科學院科學家團隊——中科院院士、動物研究所研究員康樂率領的飛蝗（Locusta migratoria）研究團隊結合生物化學、分子生物學和行為生態學的研究方法對群居飛蝗防御天敵的機制進行了深入研究。研究團隊發現群居型飛蝗大量釋放揮發物性化合物苯乙腈（Phenylacetonitrile），而散居型幾乎不合成苯乙腈，它是兩型飛蝗差別最大的信息化合物。該化合物對種群密度變化響應十分靈敏，群居散居化處理后釋放量大幅下降，而散居群居化處理后會急劇產生苯乙腈。

　　苯乙腈在沙漠蝗（Schistocerca gregaria）中被認為是種內交流的聚集素（Aggregation pheromone）或性信息素（Sex pheromone），但長期以來存在很大的爭議。動物所的科學家通過行為測定并沒有發現飛蝗對不同濃度苯乙腈表現出趨化性，否認了苯乙腈在飛蝗中是聚集信息素的可能性。因為苯乙腈是苯丙氨酸代謝途徑的一個中間化合物，最終生物合成劇毒化合氫氰酸（Hydrogen cyanide）。因此，他們提出科學假說：苯乙腈可能是一種嗅覺警戒化合物，可進一步合成氫氰酸達到防御天敵的目的。

　　為了驗證這個科學假說，他們首先對苯乙腈在飛蝗體內的生物合成途徑進行了研究。他們在群居飛蝗體內發現了苯乙腈的前體化合物苯乙醛肟（Z-Phenylacetaldoxime）。但苯乙腈合成的分子機制在動物界還沒有報道。他們發現細胞色素P450家族（CYPs）的一個基因CYPLM16181參與苯乙腈的合成，干擾CYPLM16181群居飛蝗的苯乙腈和苯乙醛肟釋放量明顯受到抑制。因此，他們首次在動物中發現了苯乙腈合成的關鍵酶，并將其命名為CYP305M2。

　　他們進一步通過藥物動力學研究了同位素標記的苯丙氨酸和苯乙醛肟在GFP、RNAi和散居飛蝗體內的代謝過程，確認CYP305M2是催化苯丙氨酸代謝途徑第一步的限速酶，而散居型不能產生苯乙腈是這個關鍵酶失活造成的。

　　在此基礎上，利用警告研究的模式食蟲鳥—大山雀開展了飛蝗與天敵互作的研究。在雙選擇實驗中，大山雀顯著攻擊和取食散居型飛蝗，而不喜歡群居個體或者說群居飛蝗不好吃。為了明確是否苯乙腈是大山雀不喜歡群居飛蝗的主要原因，他們通過在散居飛蝗添加苯乙腈，群居飛蝗干擾苯乙腈合成酶和群居RNAi飛蝗涂抹苯乙腈等一系列實驗證明了群居飛蝗不好吃的確是其含有苯乙腈引起的。

　　為了進一步明確苯乙腈對鳥的趨避作用是由于苯乙腈可以轉化為氫氰酸造成的，他們測定了群居和散居飛蝗揮發物中的氫氰酸的含量。結果顯示健康的飛蝗并不釋放氫氰酸，但受到鳥攻擊后的群居型飛蝗釋放大量氫氰酸。當給散居飛蝗補充苯乙腈后，受擾動的散居型飛蝗也可以產生氫氰酸。

　　這些結果充分證明他們提出的科學假說，蝗蟲好吃，但是味道難聞，如果鳥類執意要吃，蝗蟲立即將苯乙腈轉化為毒物氫氰酸。蝗蟲沒有天敵威脅的情況下，其體內的苯乙腈就不會轉化為毒物氫氰酸。苯乙腈作為嗅覺警告信號的確可以提示捕食者飛蝗潛在含有的劇毒物質氫氰酸的風險性。因此，捕食者可能進化出了回避氫氰酸風險而對苯乙腈產生了天生的拒避反應。

　　這項研究在國際上首次報道了動物巧妙的化學防御策略，即它同時利用一種化合物警告天敵，又能將其進一步轉化為劇毒物質，進而達到有效抵抗天敵捕食的作用。這種機制代表了飛蝗在自然界中應對多種天敵和捕食者的普遍防御策略，這可能是飛蝗成災的一個重要原因。苯乙腈關鍵合成酶也將成為良好的遺傳防治該害蟲的靶點，同時也為降低飛蝗食品有毒物質含量提供了解決途徑。

　　相關成果于1月24日在線發表于國際期刊《科學進展》（Science Advances）。動物所副研究員魏佳寧為論文第一作者，康樂和研究員王憲輝為論文的通訊作者。該研究受到中科院戰略科技先導B類專項及國家基金委項目的資助。

　　研究模式圖解：群居飛蝗（Gregarious locusts）在高密度（Crowding）刺激下起動CYP305M2基因將苯丙氨酸（L-Phenylalanine）轉化為苯乙醛肟（Z-Phenylacetaldoxime），苯乙醛肟快速水解為苯乙腈（Phenylacetonitrile，PAN）。苯乙腈作為嗅覺警告信號（Warning signal）對天敵大山雀產生強烈的排斥性。當群居飛蝗受到大山雀攻擊時PAN會轉化為劇毒氫氰酸（HCN）。這樣群居飛蝗利用PAN的警告和轉化為HCN的雙重功能實現了化學防御天敵的作用。散居狀態的飛蝗（Solitary locust）CYP305M2基因失活，化學防御被阻斷，采用色彩擬態（Camouflage）防止被天敵發現來保護自己。一旦暴露給天敵便會成為美食。