本栏目由 “世界科学” 和 “赛先生”联合出品
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[植物是生命的主要形态之一，并包含了如树木、灌木、藤类、青草、蕨类、地衣及绿藻等熟悉的生物。]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[1955年出生于江苏扬州。]院士领衔的团队获得。
蝶恋花、蜂采蜜，植物与昆虫[昆虫种类繁多、形态各异，是地球上数量最多的动物群体，在所有生物种类（包括细菌、真菌、病毒）中占了超过50%，它们的踪迹几乎遍布世界的每一个角落。]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[科学家是指专门从事科学研究的人士，包括自然科学家和社会科学家这两大类。]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[基因（遗传因子）是产生一条多肽链或功能RNA所需的全部核苷酸序列。]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[棉花，是锦葵科棉属植物的种子纤维，原产于亚热带。]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[棉酚（gossypol）是一种黄色多酚羟基双萘醛类化合物，主要存在于锦葵植物棉花的根、茎、叶和种子内，棉籽仁中含量最高。]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[棉铃虫，Helicoverpa armigera （Hübner），鳞翅目，夜蛾科，广泛分布在中国及世界各地，中国棉区和蔬菜种植区均有发生。]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[转基因就是指将人工分离和修饰过的基因导入到目的生物体的基因组中，从而达到改造生物的目的。]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[抗虫棉目前分为转基因单价抗虫棉和转基因双价抗虫棉。]）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。
END
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