可发生毒素防范天敌科学,动物研究所开采飞蝗体色的转移符合物管理学三原色规则

表明β胡萝卜素结合蛋白和β-胡萝卜素与群居型黑色体色直接相关,但蝗灾发生时很少有天敌喜欢捕食群居型蝗虫,群居型飞蝗有远距离迁飞的习性

科学 4

动物的体色绚丽多彩,许多动物通过身体颜色的变化来适应不断变化的环境和躲避天敌的捕食。飞蝗(Locusta
migratoria
)在散居和群居个体之间表现出体色多型性,散居型飞蝗呈现均匀的绿色,群居型飞蝗呈现黑色背板和棕色腹面。当蝗灾发生时,人们总是用黑压压一片来形容蝗群,实际上就是指这样体色的蝗群。反之,绿色个体的散居型蝗虫并不成灾。

食虫鸟见到单个的蝗虫后一定会捕食。但是在蝗灾发生时,食虫鸟却未聚集过去捕食。科学家发现,原来群居的蝗虫会产生一种毒素让食虫鸟不愿意吃。相关成果于1月24日发表在国际期刊《科学进展》上。

东亚飞蝗属于蝗虫种类的一种,是目前中国最常见的蝗虫。在我国农业种植历史上,发生过多起因东亚飞蝗的泛滥而引起的蝗灾。像我国的山东、河南、河北和天津等地区均爆发过大规模的蝗灾。那么,东亚飞蝗的生活习性是怎样的呢?东亚飞蝗具有怎样的生活特点呢?下面我们就来了解一下吧。

这两种体色的蝗虫能够随着密度的改变而发生互变,然而,蝗虫体色随密度变化的分子机制仍不清楚。最近,中国科学院康乐研究组发现了蝗虫是如何通过改变身体颜色来适应不同环境的。该研究揭示了蝗虫体内一种新的“调色板效应”机制,即群居型黑色的体色并不是黑色素形成的,而是一种携红色素的蛋白形成复合体,扮演开关角色来协调昆虫“绿色和黑色”的转变。也就是说,群居型的黑色体色是在散居型绿色基础上,增加红色形成的。这样一种物理学上的三原色配色规则在蝗虫的体色变化中得到了完美的诠释。

蝗虫有很多天敌。但蝗灾发生时很少有天敌喜欢捕食群居型蝗虫。用群居蝗虫饲喂家禽也会导致家禽的不适反应。

科学 1
东亚飞蝗

散居蝗虫的绿色是由于黄色和蓝色素的组合形成,有助于在绿色植物背景中隐藏,使其免受捕食者的侵害。群居型蝗虫背部黑色的成因长期得不到解释,许多科学家认为就是黑色素的沉积。但是,他们发现的黑色素并不能响应种群密度的变化,这说明他们所发现的黑色素与密度制约的体色变化无关。康乐提出了蝗虫体色变化是否在散居虫的绿色背景中加入了额外的红色素后形成的假说。为了阐明此问题,他们发现群居和散居型蝗虫中有一种β胡萝卜素结合蛋白起着关键色彩转变的作用。群居型蝗虫和散居型蝗虫β胡萝卜素结合蛋白表达差异巨大,而且随着种群密度的增加呈正相关变化。随着群居型蝗虫龄期增长,发现其逐渐加深的黑色与β胡萝卜素结合蛋白表达水平直接相关,而散居型蝗虫则保持不变。β胡萝卜素结合蛋白在体内能特异性绑定β-胡萝卜素(β-carotene)。研究人员发现群居型蝗虫的β-胡萝卜素含量高出散居型近三分之一的量,表明β胡萝卜素结合蛋白和β-胡萝卜素与群居型黑色体色直接相关。当将散居蝗虫饲喂β胡萝卜素后进行群居饲养,体内β胡萝卜素结合蛋白水平显著增加,几乎一半虫子体色由绿色转变成黑色背板/棕色腹面,而其余虫子转变为类似于群居的体色。RNA干扰群居型β胡萝卜素结合蛋白基因则产生体色由黑色转变成绿色。体外和群居虫体内β胡萝卜素结合蛋白的免疫共沉淀实验证明了βCBP与β-carotene形成的复合体是红色的。同时,通过免疫电镜实验发现β胡萝卜素结合蛋白定位于黑色素颗粒,共同证明了β胡萝卜素结合蛋白在体内确实通过绑定红色的β-胡萝卜素来调控黑色体色的形成。β胡萝卜素结合蛋白与β胡萝卜素(β-carotene)的结合与分离受到种群密度的调控,高密度时相互结合呈现红色导致黑色体色的形成,低密度时相互分离,不显红色从而体现本地的绿色。

中科院动物所康乐院士率领的飞蝗研究团队,结合生物化学、分子生物学和行为生态学的研究方法对群居飞蝗防御天敌的机制做了深入研究。他们发现群居型飞蝗大量释放挥发物化合物苯乙腈,而散居型飞蝗几乎不合成苯乙腈。苯乙腈对种群密度变化响应十分灵敏,群居型飞蝗作散居化处理后苯乙腈释放量大幅下降,而散居型飞蝗作群居化处理后则会急剧产生苯乙腈。

东亚飞蝗的生活习性

蝗虫从绿色变成黑色是种群密度依赖的适应性反映。群居黑色背板/棕色腹面呈现警戒色,既可以使同种相互识别形成庞大的种群,又可以对天敌发出警戒信号抵御捕食。这两种体色可以在野外根据密度变化实现互变。这种灵活的体色变化对蝗虫的生存具有重要意义。绿色个体主要依靠植物来隐藏自己,黑色/棕色的群居型个体主要依靠群体防御机制来达到保护自己的目的。康乐研究组首次证明飞蝗的黑色/棕色是由红色的色素复合体所决定的,而且这种体色变化能够响应种群密度的改变。这项研究揭示了动物通过巧妙利用物理的三原色配色来形成群居体色的一种适应性进化机制。这种体色适应的进化机制可能在其他昆虫和动物中也存在。该研究的意义还在于可以合理地推测,动物斑斓的体色都是由三原色的组合实现的。

苯乙腈是苯丙氨酸代谢途径的一个中间化合物,最终合成剧毒化合物氢氰酸。康乐团队提出假说:苯乙腈可能是一种嗅觉警戒化合物,可进一步合成氢氰酸防御天敌。

飞蝗密度小时为散居型,密度大了以后,个体间相互接触,可逐渐聚集成群居型。群居型飞蝗有远距离迁飞的习性,迁飞多发生在羽化后5—10天、性器官成熟之前。迁飞时可在空中持续1—3天。至于散居型飞蝗,当每平方米有虫多于10只时,有时也会出现迁飞现象。

该研究结果已于2019年1月在eLife上在线发表。eLife还对此文进行了专文评述。该研究论文的第一作者是动物所副研究员杨美玲,得到国家基金委和中科院的资助。

团队利用食虫鸟大山雀开展了飞蝗与天敌互作的研究。实验中,大山雀显著攻击和取食散居型飞蝗,而不喜欢群居个体。为了明确苯乙腈是否是大山雀不喜欢群居飞蝗的主要原因,他们通过给散居飞蝗添加苯乙腈、群居飞蝗干扰苯乙腈合成等一系列实验,证明了群居飞蝗不好吃的确是因含有苯乙腈引起的。

群居型飞蝗体内含脂肪量多、水分少,活动力强,但卵巢管数少,产卵量低。而散居型则相反。

论文信息:Meiling Yang, Yanli Wang, Qing Liu, Zhikang Liu, Feng Jiang,
Huimin Wang, Xiaojiao Guo, Jianzhen Zhang, Le Kang. A
β-carotene-binding protein carrying a red pigment regulates body-color
transition between green and black in locusts. eLife
, 2019; 8:e41362.

团队测定了群居和散居飞蝗挥发物中的氢氰酸的含量,发现健康的飞蝗并不释放氢氰酸,但受到鸟攻击后的群居型飞蝗释放大量氢氰酸。当给散居飞蝗补充苯乙腈后,受扰动的散居型飞蝗也可以产生氢氰酸。

飞蝗喜欢栖息在地势低洼、易涝易旱或水位不稳定的海滩或湖滩及大面积荒滩或耕作粗放的夹荒地上、生有低矮芦苇、茅草或盐篙、莎草等嗜食的植物。遇有干旱年份,这种荒地随天气干旱水面缩小而增大时,利于蝗虫生育,宜蝗面积增加,容易酿成蝗灾,因此每遇大旱年份,要注意防治蝗虫。

论文链接

这是国际上首次介绍动物巧妙的化学防御策略。

天敌有寄生蜂、寄生蝇、鸟类、蛙类等。喜食玉米等禾本科作物及杂草,饥饿时也取食大豆等阔叶作物。地形低洼、沿海盐碱荒地、
泛区、内涝区都易成为飞蝗的繁殖基地。

评述链接

(原载于《科技日报》 2019-01-28 04版)

以上就是关于东亚飞蝗的生活习性介绍,东亚飞蝗是一种生命力比较顽强的昆虫种类,它们多是散居型的生活方式,当密度变大时,又会玩群居型生活方式发展。此外,飞蝗还喜欢生活在地势低洼的荒地以及芦苇地等植物分布较多的地区,这些地区特别适合蝗虫的生长需求。以上内容由第一农经网小编为您整理,希望对您有所帮助。

科学 2

喜欢群居的群居虫和喜欢独居的散居虫

科学 3

喜欢群居的群居虫和喜欢独居的散居虫

科学 4

β-carotene结合蛋白携带红色素调节飞蝗绿色和黑色体色之间的转变