这位国科大学子,致力破译蝗虫“集合密语”!

  • 文/脱畅 图/于俏俏 (党委宣传部/新闻中心)
  • 创建于 2021-09-16
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  编者按:“在中国科协生命科学学会联合体发布的2020年度“中国生命科学十大进展”中,中国科学院大学(简称“国科大”)生命科学学院院长康乐院士团队的研究成果——“蝗虫聚群成灾的奥秘:4-乙烯基苯甲醚是蝗虫的群聚信息素”位列其中。相关成果发表于Nature,F1000Prime评价推荐系统也给予了最高推荐,国内外多家媒体也相继报道了这一重大发现。在该团队中,国科大2015级硕博连读生于俏俏参与了选题立题、实验设计及实施、数据分析、文章撰写和最终发表所有环节。本期,跟国晓薇一起,看看她如何一步步寻觅飞蝗语言世界的蛛丝马迹,如何在这过程中获得成长。”

  在人类发展史上,蝗灾与旱灾、洪灾并称三大自然灾害。据记载,我国近2000年来发生过800多次大规模的蝗灾。尽管蝗灾与人类发展历史相伴已久,但人类对蝗灾成因的科学认识,不足百年。

  “蝗灾发生时,每平方公里至少有4000万甚至8000万只。在密度如此高的蝗群内,它们之间是如何进行信息交流的?在进化和适应性上有什么作用?这对于蝗灾的防治和认识其他聚集性昆虫能否提供新思路和策略?”这一连串问题指引着于俏俏不断寻觅飞蝗语言世界的蛛丝马迹。

  于俏俏每天的早晨“打卡”,是去温室饲喂飞蝗。除了计划中的实验、数据分析总结和文献阅读,更多的时间,于俏俏会在神经电生理试验台前进行漫长的神经记录。利用EAG(触角电位记录)、SSR(单感器记录)平台,她探索着手中飞蝗挥发的各种气味化合物,有时察觉不到有人靠近。

  刚加入国科大生命科学学院院长康乐院士“揭示蝗虫聚群成灾的奥秘”项目时,于俏俏是团队中唯一的硕士研究生。她参与了课题的选题立题、实验设计及实施、数据分析、文章撰写和最终发表所有环节。

  2021年1月13日,该项目入选中国科协生命科学学会联合体发布的2020年度“中国生命科学十大进展”。相关成果发表在Nature并配发编者按和专门评述文章,F1000Prime评价推荐系统也给予了最高推荐,国内外多家媒体也相继报道了这一重大发现。

  项目团队利用行为仪、质谱分析仪、触角及单感器神经电位记录仪一点点“破译”飞蝗体表和粪便挥发物中蕴藏的“气味密码”,最终在35种化合物中鉴定到了群居型蝗虫特异性挥发的气味。这是一种释放量低但生物活性非常高的化合物——4-vinylanisole(4VA,4-乙烯基苯甲醚)。

  通过一系列行为实验,项目团队发现,4VA对群居型和散居型飞蝗的不同发育阶段和性别都有很强的吸引力,有力解释了蝗虫聚群成灾的奥秘。

  “我非常幸运能够完整参与到这一国家重大项目,在理论与实践的结合中培养、训练自己的科研逻辑思维和实验能力,在这个过程中也让我真正体会到科研的意义。”于俏俏说。

兴趣指引 开启与昆虫的不解之缘

  于俏俏的实验室每个细细小小的试剂瓶里,藏着动物们向这个世界发出的“独家信号”。这些“神秘莫测”的信号元素中,或传递生命的无限魅力,或解答人类前行的疑问与难题。

  于俏俏的科研之旅,从研究动物兴趣开始。

  本科时期的生理实验课,打开了她探索动物世界的大门。直到现在,她仍能准确记起第一节课观察解剖的对象是一只龙虾,之后又观察学习了爪蟾、兔子等动物的生理结构。

  那时候起,她萌生了报考动物学的想法。

  2015年春天,于俏俏来到国科大培养单位——中科院动物研究所,参加农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室与膜生物学国家重点实验室联合开展的研究生面试:“面试的地点我到现在还印象深刻,是动物所C座101。虽然当时是第一次进入这个科研气息浓厚的‘圣地’,但似乎是‘阔别已久’,特别有归属感。”

  于俏俏第一次接触飞蝗,是在学习飞蝗生理结构的第一节实验课上。老师手把手指导大家解剖飞蝗,再将其小心地固定到神经记录实验台上,观察不同气味下飞蝗的神经反应。最初接触实验时,一无所获是科研的常态,每天重复的同样操作成为生活的节律,但对倾心各种小动物的于俏俏而言,丝毫不觉得无聊。

  “坐在实验台前,我们一待就是几小时,但只要有耐心,不放过每一个细节,总会有收获。”历经两个多月的摸索,于俏俏终于收获第一个飞蝗对气味的动作神经电位。从那时起,她便知,做自己感兴趣的研究,要有点吃苦精神,更要有耐心。

  于俏俏所言非虚。有一次,她跟随中科院动物所助理研究员郭晓娇老师赴内蒙古锡林郭勒盟附近的草原上,进行野外考察。

  每天,她们要先搭车到很远的草原保护站,再顶着烈日,徒步十几公里,去调查保护区内的蝗虫分布及种类数量,路途颇为周折。但正是那段汗水浇灌的步履艰程,她们收获颇丰:统计到当地草原的蝗虫类别和丰度,并成功带回不同种类的蝗虫样本。

  “于俏俏埋得下头、能钻研,有很强的求知欲、上进心和责任感,而且执行力很强。”康乐院士评价到。起初进组,于俏俏曾深忧自己知识储备量及实验经验的不足,但导师的信任,给了她坚定兴趣之路的底气和韧劲。

  “在我第一次组会汇报中,康老师给予了很大的肯定。他认为我能灵活运用有关理论,深入分析实验现象和相关结果,并能对所做工作进行阶段总结归纳。”于俏俏回忆到。

致力寻找 飞蝗聚集的关键“信息素”

  在课题方向选择上,康乐院士充分尊重学生的兴趣。于俏俏对嗅觉及神经电生理方向感兴趣,于是参与到“飞蝗群聚信息素的鉴定”课题研究。

  其实对于蝗虫群聚信息素的研究,在上个世纪六十年代就开始了。但早期研究中,鉴定出的化合物没有一个能符合群聚信息素的所有标准。同时,对于聚集信息素的鉴定和功能验证也缺乏有力的证据,特别是缺少野外种群验证的证据。

  最让于俏俏印象最深的一次野外实验经历,要数在大港自然保护区开展的野外飞蝗种群诱捕实验经历。

  “保护区的条件特别艰苦,蚊虫也多,每天都需要乘坐拖拉机颠簸一个多小时,才能到达飞蝗栖息地。同行的老师同学每天都晒到脱水,身上全是密密麻麻被蚊虫叮咬的包,但是在结果出来后感觉一切都有了最好的回报。”实验室鉴定到的聚集信息素在飞蝗的自然生境中是否对野生种群也有吸引力,是课题组面临一大考验。

  为解决这一问题,课题组设计了两种粘板。一种粘板上能够缓慢挥发鉴定到的聚集信息素,另外一种粘板释放的则是对照气味。在布置粘板24小时后,信息素粘板上粘到的飞蝗数量显著高于对战粘板,有力地证实了这款4VA“群聚信息素”的准确性和有效性。

课题组调查所在的区域飞蝗的背景密度

  野外实验的成功,让于俏俏真切感受到此信息素在蝗灾防治中的前景,也让她更加笃定沿着这一研究思路前行的脚步。“我想,对每个科研人来说,最激动、最向往的就是科研成果能够转化到对社会有益的实际应用中去。”

  翻过寻找信息素这第一座“山”之后,紧接的另一个难题就是寻找飞蝗的“鼻子”——嗅觉受体。飞蝗对于气味的反应是通过特异嗅觉受体与气味化合物结合来实现的,但是飞蝗存在141个嗅觉受体,因此对4VA嗅觉受体的寻找鉴定,无疑是一项艰巨的任务。

  团队将有序列的所有受体都克隆到了爪蟾卵母系统中进行了检测,每个受体都用28种飞蝗体表挥发物作为气味刺激。在巨大的工作量中,团队终于找到了4VA特异的嗅觉受体——OR35。

  “这部分工作的体量之大、程序之复杂是个人无法完成的,团队的每位老师、学生都倾力参与其中,作为团队最小的一员,大家在工作上给予了我太多的指导和鼓励。”

左起:郭晓娇老师、王宪辉老师、于俏俏、魏佳宁老师

  “这种研究范式在此之前绝无仅有。”于俏俏所在的课题组,首次从化学分析、行为验证、神经电生理记录、嗅觉受体鉴定、基因敲除、野外验证等多个层面,对飞蝗群居信息素进行了全面而有力的鉴定和验证,结束了50多年来关于飞蝗群聚信息素的争议,是昆虫学研究的一个重要里程碑。

  于俏俏说,更重要的是,团队研究建立了一整套科学研究模式和方法,从飞蝗延伸到其他昆虫种内关系,以及种群动态变化的监测和防治研究具有普适性。

持续深耕 作飞蝗奥妙的“知无涯者”

  “我印象最深的电影作品应该是《知无涯者》。这部电影中的直觉和灵感、理性和严谨交织的科学之美给了我很大震撼。”读研的六个年头,于俏俏参与了“信息流编码和传递的调控机制”、“飞蝗嗅觉行为的神经分子机制研究”等数个国家项目,在学期间获得了“国家奖学金”及所级最高奖学金“秉志奖学金”……

  此间付出的日夜辛劳不是项目与荣誉能够简单概括的,可正如电影名称所意,持续耕耘是科研的常态,亦成为于俏俏选择沉浸的生活底色。如今,于俏俏已经决定留在动物所继续进行博士后深造。与飞蝗相伴的日子未完待续,她希望助力更多成果精准落地社会生产。

  此项飞蝗4VA信息素研究的成果,将从多个方面改变人们控制蝗灾的理念和方法:监测蝗虫种群动态,为预测预报服务;诱集蝗虫进行集中消灭,减少化学农药的使用;设计拮抗剂,阻止蝗虫的聚集;使用基因编辑技术建立4VA反应缺失的突变体,将环境保护与害虫控制有机结合……

  该成果也为于俏俏未来的研究方向开启了新篇章。

  她考虑将视野投向深入解析蝗虫聚集过程中种群内个体之间的信息交流神经机制研究,试图勾勒出飞蝗群聚时潜在的“神经路线图”。“这对我来说,是一个很有意思也很有挑战的方向。关于飞蝗这方面的研究还有很大的空白,这也意味着我需要海量阅读其他昆虫动物相关研究的文献,再从中找规律、找可能解决问题的方法。”于俏俏说。

  与于俏俏同窗三年的杨景感叹,于俏俏的知识储备量非常大,而且她经常能从杂乱的实验结果中抓住重点,发现其中隐藏的问题。相同的科研兴趣下,杨景和于俏俏经常并肩奋战,等待当天的计划完成后再一起回宿舍休息。现在,一旦在课题中遇到坎儿,杨景时常会与于俏俏请教讨论:“学姐会耐心教我实验,帮我出主意,而且她的工作效率特别高。”

  回首在国科大深耕项目的日子,于俏俏感慨自己在这里接受了全面、完整且系统的昆虫行为学、化学生态学和神经生物学理论和技术的培训,并进行了全面的掌握和较透彻的归纳。

  理论学习与重大项目参与实践的结合方式,使得课题组成员们熟练地掌握了昆虫行为学测定、化合物分析和神经电生理记录分析技术。

  “生物学领域的每一个科研项目都是一个创新的、完整的生物学故事。把握住故事的主题,不断地积淀升华才能讲好故事。人生也是如此,明确的目标、坚持不懈的努力,才会有所收获。”于俏俏用“讲故事”作比,寄语学弟学妹。

责任编辑:张婧睿