一文了解群居蝗虫和苯乙腈到底有什么关系

　　中国自古就是一个蝗灾频发的国家，受灾范围、受灾程度堪称世界之最。蝗虫可以形成大群，并具有群居警示性反捕食策略，是研究群体防御的模式系统。群居有利于提高觅食效率、避难、配偶选择以及团体防御，同时群居又会使个体暴露于捕食者的风险提高。因此，群居动物会使用显著和复杂的警示信号进行防御【1-3】。飞蝗(Locusta migratoria)等寡食性蝗虫更多依赖自身保护色以及毒性物质。警示信号与毒素可诱发恶心等相关反应，以引发捕食者的拒食行为【2,4,5】。警示信号可以指示个体动物的毒性水平【6】，并与种群密度正相关【7】。然而，群居动物如何协调警报信号和有毒物质水平以优化对捕食者的防御机制仍有待阐明。

沙漠蝗虫在产卵，图片来自Wikipedia

　　苯乙腈(PAN； benzyl cyanide, )是蝗虫中主要的密度依赖型挥发性化合物，可在种群中作为通信信号。在多数生物体内，PAN及其衍生物的生物合成来在于苯丙氨酸代谢途径。苯丙氨酸通过N-单加氧酶和脱羧酶转化为苯乙醛肟[(E/Z)-phenylacetaldoxime, (E/Z)-PAOx]，随后(Z)-PAOx在脱水酶作用下脱水形成PAN【8】。然而，动物体内PAN生物合成的酶学证据仍然未知。已有研究表明PAN在微生物-微生物互作中作为生长抑制信号，在植物-昆虫互作中作为驱避信号等。本文前期研究表明：飞蝗群居若虫和成年雄性可以释放大量的PAN，而散居的蝗虫不能释放【9】，但PAN在东亚飞蝗种间互作中的作用仍需进一步阐明。

　　日前，中科院动物所康乐院士团队在Science Advances在线发表的文章Phenylacetonitrile in locusts facilitates an antipredator defense by acting as an olfactory aposematic signal and cyanide precursor为我们解开了这个谜团。

　　本文研究发现：群居蝗虫中编码CytP450氧化酶的基因CYP305M2催化PAN的生物合成，抑制CYP305M2活性会降低群居蝗虫对鸟类捕食的防御能力；相比之下，补充PAN水平增加了散居蝗虫对捕食的抵抗力；当蝗虫被鸟类攻击时，PAN会转化为HCN，导致鸟类中毒。本文研究结果表明，群居蝗虫形成了一种防御机制，其释放PAN作为嗅觉警示信号和高毒性氰化氢的前体来抵御天敌的捕食(下图)。

　　本文研究证明，PAN既无性别依赖性也并非聚集信息素。作者借助GC-MS/MS等手段发现苯丙氨酸在体表经酶促转化为(E/Z)-PAOx，是群居蝗虫参与PAN生物合成的特异性化学物质。通过RNA-seq数据分析，发现在122个已鉴定的CYP基因中，4个在群居蝗虫中持续上调。随后通过RNAi敲低4个候选基因，发现CYP305M2 敲低情况下(Z)-PAOx 和 PAN含量下降。结合免疫组化分析发现CYP305M2仅在群居蝗虫头部的绛色细胞中表达。并发现CYP305M2是一种限速和密度依赖性酶。

　　群居蝗虫的体色和挥发性混合物组成与散居蝗虫明显不同(下图)。 研究人员发现在蝗虫对大型山雀(Parus major)的捕食防御实验中发现，除了体色之外还有其他特征影响大山雀对群居蝗虫的捕食。鉴于PAN是重要的挥发性成分，研究人员推测PAN可能在蝗虫中充当嗅觉的警示信号。随后研究人员设计一系列实验：首先，研究人员用合成的PAN处理散居蝗虫，发现山雀对其很抗拒；其次，利用敲低的dsCYP305M2和dsGFP处理群居蝗虫，通过敲除实验证实PAN在选择和捕食中的特殊作用；此外，研究人员观察到山雀对PAN处理的粉虱(Tenebrio molitor, 山雀主要食物来源)的取食行为降低了90％。以上一系列结果表明，由群居蝗虫产生的PAN减少了鸟类的捕食并且在蝗虫防御中起到嗅觉信号的作用。

　　HCN是一种抗脊椎动物和无脊椎动物的常见毒素，PAN是HCN的前体。为了确定PAN在群居蝗虫中的作用是否为PAN转化为有毒的HCN，研究人员设计实验并进行GC-MS分析发现：当受到山雀袭击时或者摇晃时，群居蝗虫释放的HCN含量比自然状态下群居蝗虫高11或 14倍；注射dsCYP305M2的蝗虫比注入dsGFP的蝗虫释放出更少量的HCN；注入PAN的散居蝗虫也比对照蝗虫释放出更多的HCN。结果表明：当蝗虫被鸟类攻击或受到摇晃等干扰时，PAN可以转化为有毒的HCN并向掠食者发出来自HCN的毒性警告。

　　综上，PAN作为一种嗅觉警示信号以及HCN毒性的指标，在昆虫防御中具有双重作用。 PAN的双重作用增强了群居蝗虫对捕食的抵抗力。反之，蝗虫的防御能力增加可能有助于蝗虫群体的发展。蝗灾是世界性的灾变，在蝗虫种群防控中，利用基因工程策略可以靶向编码PAN生物合成中的限速酶及其相关基因。消除群居蝗虫的防御机制是，嗯，这是一个很棒很值得研究的问题。

　　参考文献

　　1. J. L. Gittleman, P. H. Harvey, Why are distasteful prey not cryptic? Nature 286, 149–150 (1980).

　　2. G. D. Ruxton, T. N. Sherratt, Aggregation, defence and warning signals: The evolutionary relationship. Proc. Biol. Sci. 273, 2417–2424 (2006).

　　3. B. Sillen-Tullberg, O. Leimar, The evolution of gregariousness in distasteful insects as a defense against predators. Am. Nat. 132, 723–734 (1988).

　　4. G. D. Ruxton, T. N. Sherratt, M. P. Speed, Avoiding Attack: The Evolutionary Ecology of Camouflage, Warning Signals and Mimicry (Oxford Univ. Press Inc., 2004).

　　5. J. D. Blount, M. P. Speed, G. D. Ruxton, P. A. Stephens, Warning displays may function as honest signals of toxicity. Proc. Biol. Sci. 276, 871–877 (2009).

　　6. E. Despland, Diet breadth and anti-predator strategies in desert locusts and other orthopterans. J. Orthop. Res. 14, 227–233 (2005).

　　7. G. A. Sword, S. J. Simpson, O. T. M. El Hadi, H. Wilps, Density–dependent aposematism in the desert locust. Proc. Biol. Sci. 267, 63–68 (2000).

　　8. Y. Asano, Y. Kato, Z-phenylacetaldoxime degradation by a novel aldoxime dehydratase from Bacillus sp. strain OxB-1. FEMS Microbiol. Lett. 158, 185–190 (1998).

　　9. J. Wei, W. Shao, X. Wang, J. Ge, X. Chen, D. Yu, L. Kang, Composition and emission dynamics of migratory locust volatiles in response to changes in developmental stages and population density. Insect Sci. 24, 60–72 (2017).