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致力于解析害虫分子密码的人--记第六届中国林科院杰出青年张苏芳


      林业作为具有生态、经济和社会三大功能的公益性、基础性产业,在我国经济可持续发展和粮食安全保障中发挥着重要作用。森林害虫作为“无烟的森林火灾”给我国林业建设造成了严重的危害和极大的经济损失。我国森林害虫可持续控制相关基础研究储备的严重不足,缺乏对森林生态系统调控害虫机理的探索,造成年年防治年年成灾的被动局面。因此,如何摆脱控制重大森林害虫的盲目性,达到可持续控灾,关键在于从其本身的遗传和基因组角度深入挖掘,探究成灾机制,才能形成可持续控制理论体系。

      因此,张苏芳的研究从林业害虫基因组解析-关键基因功能分析-害虫防治方法构建三个层面逐渐展开。

      一、重要林业害虫基因组测序及成灾机制分析。

      我国森林害虫的控制亟待基础理论的支撑。而基因组作为生物遗传信息最全面的载体,其信息的获得将有助于我们深入了解昆虫生命活动的本质和规律,从而带来害虫防治的革命。目前,昆虫基因组研究已经获得了相当的成就,但是,已完成基因组测序的昆虫大部分都是资源昆虫、卫生害虫或者农业害虫,而森林害虫基因组研究工作还比较薄弱。

      张苏芳及其合作人员开展了我国重要林业鳞翅目害虫的基因组测序和分析工作,包括入侵害虫代表美国白蛾和本土重要害虫松毛虫。目前,美国白蛾的测序分析已经完成,并利用CRISPR/Cas9等技术手段,构建了高质量的美国白蛾基因组和高效的基因编辑平台,并分析了美国白蛾在我国环渤海地区多个发生地点的群体遗传学特征、味觉受体和糖代谢通路变异调节的代谢可塑性在美国白蛾快速适应新生境过程中的重要作用、以及美国白蛾吐丝结网的分子机制。松毛虫作为针叶林食叶害虫的代表,其基因组三代测序工作已经完成,并对其免疫、解毒和松脂类消化机制进行了分析。

      二、阐明嗅觉识别机制,为松毛虫嗅觉分子调控提供基础

      松毛虫是我国最重要的针叶林食叶害虫。作为一种蛾类昆虫,松毛虫在成虫期有一个显著的特点,即其嗅觉识别系统极其灵敏。雌蛾释放的信息素能够被雄蛾远距离识别并引导其交配产卵活动。因此,阐明松毛虫信息素嗅觉识别机制,能够以此为切入点进一步开展害虫种群高效调控。

      张苏芳对松毛虫的嗅觉识别机制进行了系统深入的分析。首先解析了松毛虫嗅觉识别的结构基础,发现松毛虫雄虫触角上具有极其发达的信息素感受孔,外界的气味分子通过这些微孔进入触角内部并激活其神经元。第二,有至少五类多成员、高变异的基因家族中松毛虫嗅觉识别中起到了关键作用,张苏芳鉴定了比较完整的松毛虫嗅觉基因谱,共包含近两百个基因。并在研究过程中,发现松毛虫和其他蛾类昆虫的信息素受体区别很大,一度无法鉴定;最终通过新的思路,将行为过程和基因表达印证,成功解锁了松毛虫信息素受体成员。第三,对松毛虫重要嗅觉基因进行了功能分析,阐明了我国几种松毛虫的嗅觉识别机制。最后,通过系统分析发现,我国从南到北分布的多种松毛虫,他们的雌蛾释放的信息素结构变异,与雄蛾识别信息素的基因变异之间高度吻合。

      三、森林害虫分子调控方法的初步构建

      不管是基因组测序,还是基因功能的研究,最终都是为了给害虫防治打下坚实基础。害虫分子防治方法的构建,是把理论研究向实际应用推进的桥梁。

      利用RNA干扰技术,展开了松毛虫嗅觉分子调控研究。对一种重要的嗅觉受体进行分子干扰后,发现松毛虫嗅觉系统呈现可恢复性失灵。对美国白蛾进行RNA干扰也成功影响力其蜕皮和羽化。为了克服RNA干扰技术的高成本等瓶颈,张苏芳还利用突变的细菌体系表达RNA干扰过程中最重要的dsRNA,有望解决其存储和大量快速产生的问题,为防治提供基础。

      然而,路漫漫其修远兮,害虫分子调控的道路还很漫长。从基础理论的解析到生产实践的运用,还需要长期机制探索和技术攻坚。未来,张苏芳将向着森林害虫分子调控的目标逐步迈进,期望新的害虫防治技术早日落地,为我国森保事业添砖加瓦。