自以为吃定棉花的棉铃虫，却发现美味成了穿肠毒药︱走近科学
编者按
“世界科学”联合“赛先生”等微信公众号，在上海市科学技术委员会资助下，开辟“走近科学”栏目，对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。
本篇报道围绕2017年上海市自然科学奖一等奖“植物次生代谢与抗虫”项目展开，该奖项由中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所陈晓亚院士领衔的团队获得。
蝶恋花、蜂采蜜，植物与昆虫大约是地球上关系密切程度最高的配对之一。不过，在物竞天择、适者生存的大自然里，植物与昆虫之间的关系，并非总如诗人描绘的那么和谐美妙：有时昆虫为植物传粉、植物为昆虫提供食物，互惠互利；有时在昆虫贪婪无情的啃啮下，植物不得不奋起反抗，以牙还牙。
地球上大约有35万种植物和80万种昆虫，它们之间的相互作用、协同进化，演绎出了一幕幕世界上最复杂有趣的生命现象，也成为生物多样性形成的重要动力。
自从人类将一些植物驯化成了农作物之后，深入了解昆虫与植物之间的恩恩怨怨，并以“四两拨千斤”的巧妙手段加以利用，由此为人类带来更丰富的物产就成了科学家们的一大重任。随着21世纪生命科学的发展深入到分子细胞水平，进入基因组时代，植物与昆虫博弈的故事溯源与解剖，也开始在微观世界中展开。
植物与昆虫的共进化博弈
据统计，全世界约80万种昆虫中，有45%左右以植物为食，而所有的植物都会被至少一种虫类所取食。
有化石证据表明，昆虫对植物的取食行为最早发生在大约3.5亿年前。如果没有抵抗病虫害的“十八般武艺”，植物是难以发展到今天的规模的，在漫长的自然选择与协同进化过程中，植物进化出了一套复杂的防御系统，以及多种多样的抗虫策略。
目前，已知的植物“抗虫秘籍”主要有以下几种。
“速生”大概可以算得最笨的抗虫办法。为了抵御害虫的侵袭，植物自身会尽可能地加快生长速度——即被虫子吃掉一片叶子，植物会很快再长一两片出来进行补偿，这样就不会影响植物正常的生长和产量。这用来对付个别偶尔“打秋风”的昆虫，颇为有用，有时还会促进植物生长。比如，在一定的条件下，虫害损伤了棉花植株的一些叶片或个别棉蕾之后，反而会促使那些没被吃掉的棉桃长得更大。
“坚壁清野”也是一些植物常用的手段，即植物通过形态、组织和生长特性，来对昆虫的取食、侵袭行为产生“拖累”作用。比如，有些植物会在叶片上“涂”满厚厚的蜡质，甚至生长出或坚硬、或光滑、或布满绒毛的外表层，使得昆虫难以在植株上“落脚”，即使“站稳”了也无从下口。比如：有的水稻品种因其植株硬度高，就具有更强的抗螟虫能力；而有些茸毛多的棉花品种，就会少受蚜虫的侵扰。
不过，更让人惊叹的是，很多植物通过自身的次生代谢物，炼就了“用毒”的能耐——用化学物质、激素等让昆虫“望植兴叹”，铩羽而归。比如：
烟草植株所产生的烟碱、十字花科的植物产生的芥子油苷、除虫菊产生的除虫菊酯，都因为它们强大的抗虫性，现在已经作为无污染的农业杀虫剂被广泛应用；
而有些植物则能产生丹宁、棉酚等酚类化合物，使蛋白质变得不易消化，从而使昆虫“吃得下，用不上”，出现营养缺乏的饥饿症状；
有些植物则能产生激素，让昆虫吃了之后不知不觉地发育异常，并丧失繁殖能力。
然而，昆虫也不是等闲之辈，决不轻易放弃植物这一世界上最重要的食物来源。在漫长的协同进化过程中，针对植物进化产生的一系列次生代谢物（即上文提到的那一类并非植物生长发育所必需的小分子有机化合物），昆虫种群又通过进化，重新适应产生次生代谢物的植物，于是造成了昆虫食性的专化。
比如，含有毒素棉酚的棉花，令大多数其他昆虫都避而远之，可棉铃虫却不怕，敢于对棉花植株大快朵颐，就是因为它体内能自产“解药”。
棉铃虫美食变“穿肠毒药”
对于被人类选为重要农作物的植物来说，如果有“克星”昆虫的存在，显然对于农业生产十分不利。虫害严重影响农业，每年造成的损失约占总产量的15%。因此，科学家抓住植物与昆虫协同进化的关键环节，深入研究昆虫对植物次生代谢的适应机制，由此发展新一代抗虫技术。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所研究员、中国科学院院士陈晓亚深入研究棉花-棉铃虫模式，巧妙地通过转基因手段，让棉花从棉铃虫的美食变成了“毒药”。
萜类是植物次生代谢物种最丰富的的一类化学物质，包括单萜、倍半萜和二萜等。它们具有重要的生理与生态功能：有些具有挥发性，可以吸引昆虫前来协助传粉，或是向害虫的天敌释放信号，来帮助自身“解围”；有些则具有药用价值，比如紫杉醇具有抗肿瘤活性，青蒿素可以抗疟疾，等等。
棉酚就是一种倍半萜衍生物，具有广谱毒性，是很多昆虫的毒药，这使得棉花免遭很多虫害的侵袭。然而，棉铃虫却不怕，这是为什么？（据统计，棉铃虫对我国棉花生产造成的经济损失每年高达数十亿元。）
陈晓亚院士为了探索其中的奥秘，从2000年起，就带领博士生毛颖波开始了艰苦的探索。
原来，棉铃虫体内有一些神奇的“解药基因”，能抵消棉酚的毒性。正因为如此，别的虫儿望而生畏的棉叶棉桃，却成为棉铃虫的美味佳肴。这个“解药”就是P450基因。
科研人员找到这个棉铃虫P450基因（CYP6AE14）之后，就把一种可以抑制该基因的双链RNA转进植物中，当棉铃虫把含有这种双链RNA的植物叶子吃下肚后，双链RNA就会深入细胞，让P450基因生产不出“解药”。这釜底抽薪的一招，立刻将棉花变成了棉铃虫的“毒药”。
这个想法实现的关键在于“如何实现双链RNA抑制P450基因的作用”。当时，RNA干扰（RNAi）技术刚刚兴起，大家都处于摸索阶段。一开始，研究组想把这种基因的双链RNA直接注射到棉铃虫体内，但怎么也成功不了。接着，他们又想通过基因技术直接敲除棉铃虫身上的P450基因，但也不成功。研究进入了山重水复疑无路的困境。
棉铃虫正在啃噬田间棉花（上海松江农场基地）
不过，柳暗花明的惊喜就在科学家灵感乍现的那一刻到来——能不能让棉铃虫把双链RNA吃下去，也就说，让棉花表达昆虫基因的双链RNA？
于是，研究组开始尝试促进棉花产生双链RNA。果然，转入该P450基因的棉花体内所产生的双链RNA，降解了棉铃虫体内的棉酚“解药”——喂了这种转基因叶子后，“解药工厂”果然“产量”大减。再喂棉铃虫这种棉花叶片，棉铃虫显得难以下咽，最终营养不良、生长缓慢，甚至死亡。
2007年11月12日，《自然 · 生物技术》（Nature Biotechnology）刊登了这项成果，并为此配发长篇评论，认为“这项技术为开发新一代安全有效的转基因抗虫植物（如抗虫棉）奠定了基础”。
《自然》（Nature）杂志在评论中对这一重要突破给予高度评价：“第一次成功报道利用植物自身表达昆虫基因的双链RNA来抑制植食性昆虫防御基因的论文。”
《科学》（Science）更是形象地将其比喻为“农场里种植RNA”。
又经过多年研究，如今研究组已获得稳定的转基因棉花材料，目前正在与相关科研单位合作，进行育种工作。
其实，我国早在1997年就批准了转Bt基因抗虫棉的生产，并开始推广种植，是继美国之后拥有自主知识产权、独立研制成功转基因抗虫棉的第二个国家。2019年，我国国产抗虫棉的自有率已达99%以上。而且，Bt转基因抗虫棉的推广普及已基本解决了棉铃虫影响棉花生产的问题，为何这一利用植物表达抑制害虫的RNA方法，会得到如此高的荣誉褒奖呢？
原来，由于Bt转基因作物的长期大面积种植，田间已开始出现对Bt具有抗性的害虫，并有蔓延的趋势。而且，Bt转基因作物主要针对鳞翅目昆虫，那些非鳞翅目昆虫，由于喷洒农药减少，逐步成为棉田里的优势害虫，如绿盲蝽。因此，寻找新型高效的作物抗虫技术对农业可持续发展具有重要意义。
而陈晓亚研究组探索出的利用植物表达抑制害虫的RNA方法，则为培育新的抗虫棉品种另辟蹊径。更重要的是，这一发现使我国在利用以RNA干扰为基础的核酸技术防控病虫害上有了长足的进步，进入了国际先进行列。
陈晓亚院士（左）和课题组成员王凌健副研究员（右）在转基因棉花培育实验室里
RNA干扰为基础的核酸技术使病虫害防控进入新时期
RNA干扰是近年来最重要的生物学发现之一，2006年的诺贝尔生理学或医学奖就颁给了发现RNAi干扰机制的两位美国科学家。
美国马萨诸塞州大学教授克雷格·梅洛（Craig C. Mello，左)与斯坦福医学院教授安德鲁·法尔（AndrewZ. Fire，右）因发现RNA干扰现象而共同获得2006年诺贝尔生理学或医学奖
由于RNAi是真核生物中保守的调控机制，基于这种机制开发的抗虫技术具有普适性，还可弥补Bt抗虫技术的不足。同时，RNAi依赖于序列特异性，可针对特定害虫进行防治，专一性强，更有利于环境安全。
经历了化学农药、蛋白质农药（主要是BT）两代技术，以RNA干扰为基础的核酸技术使病虫害防控进入新时期。
在RNAi转基因作物开发上，国际竞争相当激烈。
例如，孟山都已经研发成功的转基因玉米，能够表达玉米根虫DvSnf7基因的dsRNA，同时还表达3个苏云金杆菌来源的Cry蛋白，可以在增加Bt耐受的同时，加快RNA干扰效果。该转基因玉米SmartStax PRO已在美国、巴西、日本等8个国家和地区通过转基因安全评价，于2017年6月获得了美国环境署（US-EPA）的种植许可，并已向我国申请转基因生物安全证书。
别国已经带着产品在我国“敲门”，我国在该领域的产品在哪里？陈晓亚研究组的这一进展，促进了我国在植物介导RNA干扰抗虫技术的发展。
近年来，在我国转基因重大专项的支持下，该领域持续获得突破，研制了RNAi抗盲蝽棉花、RNAi抗黄萎病棉花以及RNAi Bt的聚合抗虫棉花，显示出克服棉铃虫对Bt棉产生耐受性的前景。
触类旁通拓展应用
植物次生代谢受各种因子的精确调控，当科学家了解清楚背后的一整套机制，就能展开各种应用，为人类造福。
陈晓亚研究人员发现，环境因子、防御激素茉莉素和生长发育信号，可共同调控次生代谢的分子机理。他们发现，棉花WRKY1蛋白能结合杜松烯合酶基因启动子，通过激活基因转录来控制棉酚合成。
在破解棉铃虫体内“解药基因”的同时，陈晓亚研究组还根据植物中的棉酚合成途径培育出低酚转基因棉花。
其实，棉酚虽然是棉花的“护体神药”，可那杠杠的毒性也限制了棉籽的应用。棉籽富含油脂和蛋白质，古代中国人和印度人就曾用原始方法提取棉籽油，用于医药和照明；在现代工业中，棉籽油可加工制成食用油、动物饲料。然而，除去毒素棉酚却一直是件麻烦事，这限制了棉副产品的充分利用。
既不耽误棉花抗虫，又让棉籽毒性降低，能否培育出种子中棉酚含量低、植株中棉酚含量正常的棉花新种质呢？
陈晓亚研究组在研究过程中，对棉酚的生物合成途径开展了系统深入的研究，先后克隆鉴定了法尼基二磷酸合酶（FPS）、杜松烯合酶（CAD）和杜松烯羟化酶（CYP706B1），催化三步连续的反应。利用种子特异启动子表达CYP706B1基因的双链RNA，创制了种子低酚、植株棉酚含量正常的转基因棉花新种质，提供给中国农科院棉花所、浙江大学等单位培育新品种。
另外，在研究过程中，他们还发现，棉花在棉酚合成过程中会分泌一种酶——分泌型漆酶，可以有效分解土壤中的酚类污染物。由此，研究组首次提出了土壤污染的植物体外修复，被《自然· 生物技术》称为“展示了一项有生命力的植物修复策略”。
正因为以上多方面研究成果及取得的影响力，“植物次生代谢与抗虫”系列研究成果获得了2017年度上海市自然科学奖一等奖。
项目成果促进了我国植物代谢等学科的发展，带动了新一代抗虫作物的研制，取得了重要的国际影响和学术地位。
本文选自《世界科学》杂志2020年第10期“走近科学”栏目。