Nature子刊揭示害蟲生存策略：讓水稻更美味、更營養

撰文 | 《環球科學》特約記者 周煒

五羥色胺是一種讓人的大腦產生愉悅感的化合物，浙江大學農學院舒慶堯及其合作者最新的研究發現：害蟲也喜歡五羥色胺。害蟲啃食水稻時，植株體內的五羥色胺含量會增加，對害蟲來說，這使水稻的「口感」和「營養」都提升了。這是科學界第一次揭示五羥色胺與水稻抗蟲性之間的關係，將對下一步培養更優抗性的水稻和發展防蟲治蟲策略提供新的思路。

相關論文Resistance of Rice to Insect Pests Mediated by Suppression of Serotonin Biosynthesis （基於五羥色胺生物合成抑制的水稻抗蟲性）2018年5月7日發表在Nature Plants上。

進入5月，田間的水稻們將迎來新一輪考驗：褐飛虱們已陸續出發，從南方陸續向北遷徙到稻田中吸取葉鞘的汁液；螟蟲則常年盤踞睡到田間，經過一個冬天的冬眠，很快就要鑽進稻株的莖桿取食最幼嫩的稻葉（蛀心蟲—二化螟）。這是稻田中兩種破壞性最大的害蟲。

「在遭到害蟲侵害時，植物機體會分泌出不同的化學物質。」通訊所者之一，昆蟲所的婁永根教授長期關注植物化合物與昆蟲的互動機制。他說，植物雖然看起來不會說話不會動，但它們也有自己的語言和「武器」，這主要就是靠化合物來完成的。

研究發現，害蟲在侵食水稻時，水稻體內的五羥色胺含量升高了。它主要由一個叫CYP71A1的基因負責合成。「當害蟲侵食水稻時，這個合成五羥色胺的『開關』就被打開了。」舒慶堯說。

為了探究五羥色胺對害蟲的影響，博士生羅婷要承擔一項「數蟲子」的工作。先數出15隻褐飛虱，放到裝有兩株水稻的容器中：一株水稻是自然野生型水稻，另一株是敲除了CYP71A1基因的水稻。羅婷每隔一小時觀察水稻上褐飛虱的數量。「我們發現了一個很有趣的現象：剛開始分布均勻的褐飛虱，一段時間後會表現出明顯的分離。」羅婷說：「大部分的褐飛虱選擇去自然野生型水稻。」差距的峰值是：12:3。

顯然，被敲除了CYP71A1基因的水稻，被害蟲「嫌棄」了。因為它無法調高五羥色胺的分泌。接下來的困惑是：害蟲為什麼喜歡五羥色胺？

圖：左邊是自然自然野生型水稻；右邊是敲除了CYP71A1基因的水稻

研究發現，攝入更多的五羥色胺之後，蟲子的生長發育加快了，身軀也更加「壯碩」了，這在螟蟲的身上表現特別明顯。「蟲子很聰明，它不但懂得『吃』，還能把食物變得更加『營養美味』。」舒慶堯說，這是害蟲的智慧。

原來，五羥色胺，不是水稻表達的「憤怒」或「防禦」，而更接於水稻體內的「背叛」者，提升了害蟲的戰鬥力。但從人類的需求看，培養出蟲子不愛的水稻才是關鍵，才意味著提高水稻的抗性，維護糧食產量和品質。

對此，課題組做了進一步探究後發現：在植物體內，五羥色胺和水楊酸的合成有一個共同的源頭物質——分支酸。「兩者的合成過程存在相互負調控，」婁永根說，「就像源自同一個水管的兩個水龍頭，水量一致的情況下，一個水龍頭的出水量大，另一個的出水量就小了。」另一方面，本文第一作者蘆海平博士還發現，這兩個化合物本身又可以主動抑制對方的合成基因的活性，如水楊酸可以抑制CYP71A1基因的開啟，從減少五羥色胺的含量。

水楊酸是一種已知的能夠提高水稻抗病性的化合物。「過去的研究認為水楊酸具有獨立的抗病作用，但我們在研究中發現了它與五羥色胺之間的調控關係，」婁永根說，當害蟲開啟製造五羥色胺的流水線時，原本可以幫助抗病的水楊酸的「產量」減少了。「這是害蟲侵犯水稻的另一項『心機』。」

舒慶堯介紹，很多植物中都存在五羥色胺和水楊酸合成代謝通路，這項研究將對水稻及其它作物的抗蟲育種帶來啟發意義。「例如，我們可以通過控制小麥五羥色胺的合成增加其對蚜蟲的抗性。」舒慶堯說。

圖：左起分別為：蘆海平、婁永根、羅婷、舒慶堯。

本項研究由浙江大學農學院/水稻生物學國家重點實驗室舒慶堯教授（作物所）、婁永根教授（昆蟲所）、葉恭銀教授（昆蟲所）合作，並聯合嘉興市農科院、無錫哈勃生物種業技術研究院有限公司、英國紐卡斯爾大學（New Castle University, UK）共同完成。

本項目得到國家重點研發計劃、浙江省重大農業（糧食）品種選育專項、國家公益性行業（農業）專項、浙江大學大北農教育基金、浙江大學水稻及主要經濟作物育種科技聯盟等項目的資助。浙江大學博士後蘆海平、博士生羅婷和嘉興市農科院富昊偉研究員為共同第一作者，浙江大學舒慶堯教授、婁永根教授和英國紐卡斯爾Gatehouse AMR教授為共同通信作者。

論文鏈接：

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