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用心“刨地”收获一流研究成果

来源:人民日报2023-01-16 10:42

  郭兆将在观察番茄上烟粉虱的防治情况。

  韩昊霖摄

  人物简介:

  郭兆将,1985年3月生,现为中国农业科学院蔬菜花卉研究所植物保护研究室主任,博士生导师,主要从事蔬菜害虫灾变机理与绿色防控研究。

  郭兆将是中国农业科学院蔬菜花卉研究所(以下简称“蔬菜花卉所”)的学术新星。去年底,凭借一系列出色的研究成果,这位“地里刨食”的85后青年科学家荣获第十七届中国青年科技奖。

  “学农业就是‘刨地’,‘刨地’也能刨出国际一流成果。”郭兆将认为,接地气的农业科研,同样有广阔的前景。

  阐释科学机理,揭开“超级害虫”多食性奥秘

  烟粉虱成虫不足1毫米,看上去很不起眼,却是让农民头疼的“超级害虫”。

  根据其寄主范围的差异,害虫一般分为单食性、寡食性和多食性三大类,烟粉虱是典型的多食性害虫。它能吃包括许多重要蔬菜作物在内的600余种寄主植物,是名副其实的害虫“冠军”。更可怕的是,它不仅通过口器刺吸取食蔬菜叶片汁液,还能传播300多种植物病毒,给蔬菜造成二次伤害。联合国粮农组织将烟粉虱列为全球第二大害虫,是目前唯一被冠以“超级害虫”的农业害虫,也是我国设施蔬菜最主要的害虫。

  用化学农药防治“超级害虫”,虽然效果不错,但存在导致农药残留超标的隐患。郭兆将认为,实现绿色防控,关键要在深入研究蔬菜害虫发生危害规律和灾变机制的基础上,开发新一代高效安全的蔬菜害虫绿色精准防控技术。

  早在本世纪初,郭兆将的导师、蔬菜花卉所张友军研究员就开展烟粉虱多食性研究。近10年来,得益于基因组测序技术的突飞猛进,张友军团队率先完成了烟粉虱全基因组测序工作,为解决烟粉虱的多食性问题奠定了基础。

  然而,面对浩如烟海的基因序列信息,如何开展下一步研究,团队一时没有思路。“如果将基因组比作研究的金库,谁先找到金库的钥匙,谁就能获得宝贵的财富。” 郭兆将介绍,他结合老师的工作,带领团队持续攻关,终于找到了打开“金库”的钥匙。

  2021年,郭兆将团队首次在国际上阐明了“超级害虫”烟粉虱能为害600余种寄主植物的多食性奥秘,相关成果以封面文章发表在国际顶级期刊《细胞》上。这是我国农业昆虫领域的研究成果首次发表在《细胞》上,入选当年由两院院士评选的中国十大科技进展新闻。业界专家评价,这项从0到1的开创性研究,在降服“超级害虫”的道路上迈出了一大步。

  郭兆将团队的研究发现,当蔬菜遭受害虫侵害时会产生一种抗虫次生代谢物酚糖,这种化学物质具有很强的抗虫作用,但积累过多时就不利于蔬菜的自身生长发育。所以,当害虫离开蔬菜不再为害时,蔬菜就会利用自身的解毒基因PMaT1代谢体内的抗虫次生代谢物酚糖,保证自己不受危害。这是蔬菜自己的一种生化防御机制。

  郭兆将向记者解释烟粉虱多食性的“秘密”:在烟粉虱与蔬菜等寄主植物长期的共进化过程中,大约在3500万到8600万年前,竟然神奇地从寄主植物“偷盗”了这个解毒基因PMaT1并成功在自己的肠道细胞内表达,使其也能像植物一样代谢抗虫次生代谢物酚糖,导致植物的生化防御机制失效,从而使取食范围扩大到惊人的600余种寄主植物。

  聚焦基础研究,为破解小菜蛾抗药性提供科学支撑

  人们打农药防治害虫,害虫也会进化、产生抗药性抵御。科学家一直在想办法解决害虫抗药性,从而延长农药的使用寿命。

  小菜蛾就是这样一个具有抗药性的害虫,别看它小,每年在全球造成的经济损失高达数十亿美元。在我国,小菜蛾专挑消费者喜欢的白菜、甘蓝、花椰菜、西蓝花、萝卜、油菜等十字花科蔬菜下手,每年给菜农带来很大的经济损失。

  科学家此前的研究发现,自然界存在一种叫做苏云金芽孢杆菌(以下简称“Bt”)的昆虫病原细菌,它产生的杀虫蛋白可以杀死包括小菜蛾在内的多种害虫,而且对人畜无害,是化学农药的理想替代品。目前,Bt农药已成为全球用量最大的微生物杀虫剂,在控制害虫危害、减少作物产量损失、降低化学农药环境污染等方面发挥了重要作用。

  科学家们没有想到的是,在使用Bt生物农药防治小菜蛾后,狡猾的小菜蛾也随之进化,居然对Bt生物农药产生了抗药性。

  小菜蛾为何不再怕Bt的威力?已有的研究发现,Bt被小菜蛾取食并进入其中肠后,Bt杀虫蛋白能与中肠细胞膜表面的受体蛋白结合,造成细胞膜穿孔和细胞内外渗透压失衡,并杀死小菜蛾。而小菜蛾能形成Bt抗性的关键在于,中肠细胞膜表面的受体蛋白发生变化而阻断其与Bt杀虫蛋白结合,最终使其存活下来。

  “过去的研究多集中于小菜蛾中肠细胞膜表面的Bt杀虫蛋白的受体变化开展,而没有深入研究中肠细胞内的深层次根本性变化。”郭兆将说。经过10多年的攻关,他带领团队揭示小菜蛾对Bt抗性的层级调控模式,深入揭示了小菜蛾对Bt生物农药产生抗药性的原因,为小菜蛾Bt抗性治理提供全新途径,并推动害虫抗药性研究进入基因网络调控时代。2021年,相关研究结果发表于《自然·通讯》等国际期刊上,被国际同行评为“里程碑意义研究成果”,并入选农业农村部评选的“2021中国农业科学十大进展”。

  “未来我将努力让Bt生物农药恢复对小菜蛾的防治效果,实现绿色防治。”郭兆将表示。

  致力成果转化,把实验室研究与农业生产紧密结合

  郭兆将从小就想当科学家。2006年,他以高分考入了山东农业大学植物保护学院。村里的乡亲们对此很不解:“学农业不是和刨地差不多吗,考那么高的分,学个啥不行?”

  进入大学后,郭兆将慢慢体会到,学好农业科技还真离不开刨地。但是,不要小瞧了刨地。“发展现代农业,少了农业科技支撑行吗?”

  大学毕业后,郭兆将考取了张友军的研究生。老师看中他的科研潜力和干劲,给了他不少鼓励和支持。郭兆将也不负老师的期望,全身心投入科研中。从研究生阶段开始,他不一定是每天到实验室最早的,但肯定是走得最晚的,做实验到凌晨两三点也是家常便饭,一年到头几乎没休过节假日。

  “耐得住寂寞,才可能出好成果。”回顾自己的科研生涯,郭兆将如是感慨。

  他告诉记者,一个优秀的农业科学家既要有“顶天”的视野、力争在原始创新实现突破,又要有“立地”的情怀,把研究成果应用到农业生产中去。他把对烟粉虱和小菜蛾的相关研究成果申报了国家发明专利,获得10多项授权。一些大型跨国公司给他开出了诱人的合作条件,但郭兆将不为所动。“我希望自己的成果首先帮助中国农业发展。”他说。

  郭兆将团队和北京大北农集团签订了《生物育种技术合作意向协议书》,联合研发新一代作物害虫绿色防控产品。

  让郭兆将高兴的是,基于小菜蛾Bt抗性机制研究成果,他和团队成员研发的实时荧光定量聚合酶链反应的小菜蛾Bt抗性快速高效检测预警技术,已经在我国10余个省份开展田间示范推广应用,在蔬菜害虫绿色防控上迈出了重要一步。

  “当年选学‘刨地’,看来是对的。”郭兆将笑着说。

  记者 蒋建科

[ 责编:涂子怡 ]
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