中國自古就是一個蝗災頻發的國家，受災范圍、受災程度堪稱世界之最。蝗蟲可以形成大群，并具有群居警示性反捕食策略，是研究群體防御的模式系統。群居有利于提高覓食效率、避難、配偶選擇以及團體防御，同時群居又會使個體暴露于捕食者的風險提高。因此，群居動物會使用顯著和復雜的警示信號進行防御【1-3】。飛蝗(Locusta migratoria)等寡食性蝗蟲更多依賴自身保護色以及毒性物質。警示信號與毒素可誘發惡心等相關反應，以引發捕食者的拒食行為【2,4,5】。警示信號可以指示個體動物的毒性水平【6】，并與種群密度正相關【7】。然而，群居動物如何協調警報信號和有毒物質水平以優化對捕食者的防御機制仍有待闡明。
沙漠蝗蟲在產卵，圖片來自Wikipedia
苯乙腈(PAN； benzyl cyanide, )是蝗蟲中主要的密度依賴型揮發性化合物，可在種群中作為通信信號。在多數生物體內，PAN及其衍生物的生物合成來在于苯丙氨酸代謝途徑。苯丙氨酸通過N-單加氧酶和脫羧酶轉化為苯乙醛肟[(E/Z)-phenylacetaldoxime, (E/Z)-PAOx]，隨后(Z)-PAOx在脫水酶作用下脫水形成PAN【8】。然而，動物體內PAN生物合成的酶學證據仍然未知。已有研究表明PAN在微生物-微生物互作中作為生長抑制信號，在植物-昆蟲互作中作為驅避信號等。本文前期研究表明：飛蝗群居若蟲和成年雄性可以釋放大量的PAN，而散居的蝗蟲不能釋放【9】，但PAN在東亞飛蝗種間互作中的作用仍需進一步闡明。
日前，中科院動物所康樂院士團隊在Science Advances在線發表的文章Phenylacetonitrile in locusts facilitates an antipredator defense by acting as an olfactory aposematic signal and cyanide precursor為我們解開了這個謎團。
本文研究發現：群居蝗蟲中編碼CytP450氧化酶的基因CYP305M2催化PAN的生物合成，抑制CYP305M2活性會降低群居蝗蟲對鳥類捕食的防御能力；相比之下，補充PAN水平增加了散居蝗蟲對捕食的抵抗力；當蝗蟲被鳥類攻擊時，PAN會轉化為HCN，導致鳥類中毒。本文研究結果表明，群居蝗蟲形成了一種防御機制，其釋放PAN作為嗅覺警示信號和高毒性氰化氫的前體來抵御天敵的捕食(下圖)。
群居與散居型蝗蟲抵御鳥類捕食者模型
本文研究證明，PAN既無性別依賴性也并非聚集信息素。作者借助GC-MS/MS等手段發現苯丙氨酸在體表經酶促轉化為(E/Z)-PAOx，是群居蝗蟲參與PAN生物合成的特異性化學物質。通過RNA-seq數據分析，發現在122個已鑒定的CYP基因中，4個在群居蝗蟲中持續上調。隨后通過RNAi敲低4個候選基因，發現CYP305M2 敲低情況下(Z)-PAOx 和 PAN含量下降。結合免疫組化分析發現CYP305M2僅在群居蝗蟲頭部的絳色細胞中表達。并發現CYP305M2是一種限速和密度依賴性酶。
關鍵酶CYP305M2的表征，以及飛蝗體內(Z) -PAOx的合成。(群居G；散居S；(Z)-PAOx標品stds)
群居蝗蟲的體色和揮發性混合物組成與散居蝗蟲明顯不同(下圖)。 研究人員發現在蝗蟲對大型山雀(Parus major)的捕食防御實驗中發現，除了體色之外還有其他特征影響大山雀對群居蝗蟲的捕食。鑒于PAN是重要的揮發性成分，研究人員推測PAN可能在蝗蟲中充當嗅覺的警示信號。隨后研究人員設計一系列實驗：首先，研究人員用合成的PAN處理散居蝗蟲，發現山雀對其很抗拒；其次，利用敲低的dsCYP305M2和dsGFP處理群居蝗蟲，通過敲除實驗證實PAN在選擇和捕食中的特殊作用；此外，研究人員觀察到山雀對PAN處理的粉虱(Tenebrio molitor, 山雀主要食物來源)的取食行為降低了90％。以上一系列結果表明，由群居蝗蟲產生的PAN減少了鳥類的捕食并且在蝗蟲防御中起到嗅覺信號的作用。
HCN是一種抗脊椎動物和無脊椎動物的常見毒素，PAN是HCN的前體。為了確定PAN在群居蝗蟲中的作用是否為PAN轉化為有毒的HCN，研究人員設計實驗并進行GC-MS分析發現：當受到山雀襲擊時或者搖晃時，群居蝗蟲釋放的HCN含量比自然狀態下群居蝗蟲高11或 14倍；注射dsCYP305M2的蝗蟲比注入dsGFP的蝗蟲釋放出更少量的HCN；注入PAN的散居蝗蟲也比對照蝗蟲釋放出更多的HCN。結果表明：當蝗蟲被鳥類攻擊或受到搖晃等干擾時，PAN可以轉化為有毒的HCN并向掠食者發出來自HCN的毒性警告。
綜上，PAN作為一種嗅覺警示信號以及HCN毒性的指標，在昆蟲防御中具有雙重作用。 PAN的雙重作用增強了群居蝗蟲對捕食的抵抗力。反之，蝗蟲的防御能力增加可能有助于蝗蟲群體的發展。蝗災是世界性的災變，在蝗蟲種群防控中，利用基因工程策略可以靶向編碼PAN生物合成中的限速酶及其相關基因。消除群居蝗蟲的防御機制是，嗯，這是一個很棒很值得研究的問題。