出品：科普中国

作者：小小博（生物学博士）

监制：中国科普博览

大家对蝗灾可能都有一定了解，大量飞蝗聚集形成庞大的种群，这有利于它们觅食、寻找栖息地和选择配偶等。蝗灾危害极大，大规模蝗灾形成后，所过之处，寸草不生。

但如此大规模聚集势必引起天敌的注意，增加被捕食的风险，那么大量飞蝗聚集后，为什么没有成为各种捕食者的“自助餐”而被消灭掉？飞蝗又是采取了什么样的策略来避免被天敌捕食呢？

蝗灾

（图片来源：veer图库）

中国科学院动物研究所康乐院士研究团队对此进行了深入研究，解开了飞蝗群体防御的奥秘。

飞蝗队，开大会，开完大会换马甲

飞蝗聚集后由原来的散居型转变为群居型，伴随着它们长期进化出来的防御策略，身体也开始发生改变。从外观上看，最为明显的改变就是体色的变化，未群聚之前，飞蝗以绿色体色为天然保护色，隐藏在周围植物中“低调”生活，防止暴露被天敌捕食。

随着群聚的发生，大量个体聚集在一起，就很难像之前那样隐藏，飞蝗的体色也逐步向黑棕色转变，这样显眼的体色被称为警戒色。

（关于飞蝗的体色转变，详见文章《蝗虫：怎么，换个马甲你就不认识我了？》

http://www.kepu.net.cn/kpqykj/all/2022/202211/t20221130_503347.html）

散居型和群居型飞蝗

（图片来源：参考文献）

飞蝗：哥们身上难闻，都给我离远点！

除了体色的差别，研究团队还发现了飞蝗气味上的差异，群居型飞蝗相对散居型飞蝗额外特异地释放了苯乙腈这种挥发物，苯乙腈在气味上具有刺激性，吸入过量后可能会出现头晕、呕吐等不良反应，该挥发物对种群密度变化响应十分灵敏，种群密度越大，产生苯乙腈越多。而苯乙腈是生物体内苯丙氨酸代谢途径的一个中间产物，最终会合成剧毒化合物氢氰酸。

据此，研究团队提出科学假说：群居飞蝗挥发的苯乙腈可能是嗅觉警戒化合物，可进一步合成毒物氢氰酸来防御捕食者。

为了验证这个科学假说，研究团队首先对飞蝗如何合成苯乙腈进行了探究。发现只有群居飞蝗能产生苯乙腈的前体化合物苯乙醛肟，并只存在于表皮中，散居飞蝗不能产生，而苯乙腈生物合成往往涉及细胞色素P450家族的基因。通过对群散居飞蝗差异的P450基因筛选并通过功能验证，证明了名为CYP305M2的基因是苯乙腈合成的关键酶。

这个基因随着种群密度的增加，表达上调，散居飞蝗中该基因不表达使得苯乙腈及其前体化合物苯乙醛肟不能在散居飞蝗中合成。同时利用同位素标记的苯丙氨酸和苯乙醛肟通过药物动力学研究证实了CYP305M2是催化苯丙氨酸代谢途径第一步的限速酶，正是这个基因在群散居飞蝗之间的表达差异，使得只有群居飞蝗才能产生苯乙腈。

所以说，捕食者要想对群居的飞蝗下嘴，就得先克服这难闻的味道。

大山雀：我讨厌它身上的味道

为了进一步证明苯乙腈在群体防御中起到嗅觉警戒的作用，研究团队利用飞蝗天敌捕食者——大山雀，开展了两者的互作研究。发现在有选择的情况下，大山雀优先选择和喜食散居飞蝗，而不是群居飞蝗。通过在散居飞蝗身上人工涂抹苯乙腈，发现大山雀拒绝攻击和取食苯乙腈处理后的散居飞蝗。

相反的，通过RNA干扰技术敲低CYP305M2表达，可以使群居飞蝗特异性不能产生苯乙腈，而不会影响其他化学和体色特征，这使得操作后的群居飞蝗更频繁地被攻击，并优先被大山雀取食。所以研究结果表明了群居飞蝗产生的苯乙腈减少了鸟类的捕食，并在群体防御中作为嗅觉预警信号。

苯丙氨酸合成苯乙腈和氢氰酸以及鸟类捕食者对群散居飞蝗的反应

（图片来源：参考文献）

飞蝗：别惹我，不然我可放毒了啊！

前面有提到，苯乙腈是动物界常见毒素氢氰酸的化学前体，为了确定苯乙基在群居蝗虫中的警戒作用是否可以归因于苯乙腈转化为剧毒的氢氰酸，研究团队对飞蝗的氢氰酸测定发现，在散居飞蝗及未受到扰动的群居飞蝗中释放的氢氰酸浓度相对较低。

然而，在大山雀攻击下的群居飞蝗释放的氢氰酸比未受扰动的群居飞蝗释放的氢氰酸高11倍。同时，当给散居飞蝗人工补充苯乙腈后，受扰动的散居飞蝗也释放了氢氰酸。总之，当群居飞蝗受到鸟类攻击或受到扰动时，苯乙腈可转化为剧毒的氢氰酸，表明飞蝗可以利用苯乙腈来警告捕食者不要轻举妄动。

这项研究充分地说明了飞蝗的群体防御机制。大量飞蝗聚集体色转变为黑棕色的警戒色，同时群居飞蝗释放难闻且是毒物前体的苯乙腈，它可以作为嗅觉警告信号。当受到攻击时，飞蝗就将苯乙腈转化为毒物氢氰酸，有效抵御捕食者。

飞蝗利用这种群体防御机制来应对捕食者，这就解释了蝗灾爆发时没有大量的捕食者把他们消灭掉的原因。

这么看来，靠吃来对付蝗灾的心愿确实不好实现呀！

编辑：孙晨宇

参考文献：

【1】J. Wei et al., Phenylacetonitrile in locusts facilitates an antipredator defense by acting as an olfactory aposematic signal and cyanide precursor. Sci. Adv. 5, eaav5495(2019).

来源: 中国科普博览

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