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以下文章来源于格致论道讲坛 ，作者赵莉蔺比起森林生态系统被一步步毁坏的心痛，自己的辛苦微不足道。赵莉蔺 · 中国科学院动物研究所研究员格致论道第 71 期 | 2021 年 8 月 28 日 北京大家好，我是赵莉蔺，来自中国科学院动物研究所，今天给大家讲一个关于小小线虫的故事。松树生病了下面是一张健康的松林生态系统的照片，透过这张照片，我们似乎可以闻到清新的空气。松林生态系统为我们付出了很多，它保护了生态环境，为我们提供了新鲜的空气。当然，它也能给我们带来美味的松子，有非常重要的经济价值。所以，提高像松林这样的森林的覆盖率也是各个国家治理发展的目标。很难想象如果我们的森林生态系统都遭受威胁，生活会是什么样子的。上面这张照片和前一张有很大不同，我们可以看出有很多斑斑点点的红色部分，它到底是怎么了？这种现象最早发生于 1982 年的南京中山陵，引发了大家的巨大关注。科学家们投入到了调查当中，他们首先从死树上寻找元凶。死树上有很多生物，包括各种大小蠹、白蚁、天牛等昆虫，同时还发生了蓝变，又分离了很多蓝变菌。所以，我们从昆虫和病原菌两个方面都分离到了很多嫌犯。 在死树上发现的各种生物但是我们发现，当把这些嫌犯再次接种到松树上的时候，并没有造成那么大的危害。所以大家的思维就发生了变化，也就是要从刚刚发生症状的树上去寻找元凶。松材线虫结果在这种树的木质部，我们分离到了大量的线虫，它们堵塞了松树的营养输送。经过鉴定，这种线虫就是松材线虫。它是一种外来入侵种，是对松树的一种巨大的威胁。自从在我们国家发现之后，它一直都在传播扩散。尤其是上图中的绿色部分，这是我们国家重要的森林分布区域。除了南方已经被松材线虫覆盖之外，这两年在辽宁也发现了，所以它的扩张蔓延是非常快的。它每年给我们带来的经济损失高达 71 个亿，这意味着防控任务非常艰巨，大家都在想如何防控的办法。比如上图是一棵死树，它是一个传播源，必须对它进行砍伐，但我们发现这很艰难。如果是一棵在路边的树，我们砍伐起来可能还比较容易；但是如果在森林里面发现一棵红色的树，去砍伐它就需要跋山涉水。一般情况下五六个人用一整天的时间才能砍伐一棵树，再运送到山下。所以，一线的森林工作人员付出了巨大的艰辛。这些是砍伐下来的松树。其实每一棵松树都是非常珍贵的，甚至有一些是有上百年历史的古树，所以非常让人惋惜。松材线虫不仅对我们国家的松林造成了巨大威胁，世界上其他的国家，像日本、韩国以及欧洲的西班牙、葡萄牙的一些区域也遭受到了很大危害。所以，它被称为松树的毁灭性病害。但是，这里有一个很有意思的现象。在原产地北美，即上图中的绿色区域，它的危害并不严重。这就让我们很好奇，原来并不严重的病害，为什么在周游列国的时候变得那么厉害了呢？带着这样一个科学问题，我们从 2004 年开始进入到了这样的研究当中。松材线虫在中国出现了什么变化？我们首先要比较各个国家松树的区别，松材线虫在北美主要危害欧洲赤松、雪松、落叶松等松树。北美寄主松树但是来到中国之后，情况完全不同了。松材线虫在我国南方主要危害黑松和马尾松，在北方危害华山松和油松，到东北又变成了红松。中国寄主松树这样一个改变的过程，实际上是松材线虫在经历压力的选择。因为松树本身有抵抗病虫害的能力，尤其会分泌一些松脂以及防御物质对自己进行保护。但是，这样的过程并没有把松材线虫吓倒。松材线虫在入侵我国的时候，肯定是很小的一个种群，而且它的个体是非常小的，不到一毫米。这样一个小小的线虫，为什么能够在这样强大的压力之下变得如此厉害呢？我们在实验室里，对线虫在我们国家的入侵过程进行了模拟。我们发现，相比北美的线虫而言，中国线虫的繁殖率真的变高了，而且它在不同松树中进行转移的时候繁殖率变得最高。但是我们可以从右图看出来，实际上美国线虫的种群数量一直在比较低的位置。所以，这个线虫强大的地方就在于把压力变成了自己强大繁盛的动力。携带松材线虫的天牛感染松树在变压力为动力的过程中，它也要不断去寻找新的媒介，也就是它要把自己从一棵树转移到另外一棵树。我们发现，它实际上是通过天牛这种媒介昆虫来进行传播的。松墨天牛这个传播过程中有很奇怪的一点：它并不是时时刻刻都会被传播，而是要寻找到刚羽化的天牛，刚羽化的天牛的身体是很柔软的。松材线虫怎么找到处于特殊时期的天牛的呢？而且对于天牛而言，线虫是外来物，天牛并不是随便想进就能到天牛气管。线虫发生了什么样的改变，导致它能够通过天牛传播呢？我们通过调查，想要对比一下天牛体内和天牛体外的线虫有什么区别。我们发现在上图中间展示的气管系统中，这个线虫是非常干净的，身上没有什么细菌，也没有什么真菌等微生物。但是，原来它在树体里的时候，周围有各种各样的微生物。我们就想到一点：线虫在进入天牛体内的时候需要蜕一层皮，它在蜕皮的过程中一定发生了一些事，导致它在蜕皮之后能被携带传播。我们用显微镜观察可以发现，它在传播的虫态中，即蜕皮之后，身上携带的细菌、真菌以及分泌的一些物质都没有了，变得很干净。而且它头部的口针部分，即取食的部位也没有了，就是把整个嘴巴封起来了。松材线虫的传播扩散依靠天牛的携带完成这个状态似乎在告诉它的媒介——天牛——它很干净。所以，天牛会认为它是安全的，和它在一起变成了一种协同共生的关系。这对松材线虫的传播扩散确实起到非常重要的作用。松材线虫的 " 十八般武艺 "在这样一个携带传播的过程中，松材线虫精确的定位以及蜕皮的时机变得非常重要。怎么获得这种时机的精确度呢？我们对此展开了研究。松材线虫生活在黑暗的环境当中，它是看不见的，无法依靠视觉获得时机的精确度。那我们就会想它是不是依靠嗅觉。结果发现它的嗅觉系统非常强大，能够对寄主天牛各个时期的味道进行准确的识别。松材线虫基因组我们在进行它的基因组研究的时候发现，这个物种在形成的过程中就拥有了这样一种能力。在它的基因组形成的时候发生了两次基因家族扩张的事件，事件中最关键的就是它的化感受体、即它闻东西要用到的一些受体的敏感性增加了，家族变得非常大。扩增的化感受体敏感性增加上图中就是三个化感受体的基因家族，红色区域表示它入侵的过程中还在不停地扩张。也就是说，这些基因家族在不断扩张的过程中变得更加敏锐了。那这到底起什么作用呢？我们用松材线虫的分泌物作为化学信号进行刺激，来对比中国和北美的线虫的差异。松材线虫入侵的化感适应性进化我们可以看到，上图中红色区域就是指中国的线虫种群，另外一部分是北美的线虫种群，图中展示的 Srab、Srh 和 Srd 是三个不同的基因。在我们进行化学物质刺激的时候，红色的这些基因就会大量地在中国种群上表达。这表明中国种群的这些化感受体在起作用，它起作用的时候就会表达。所以原来闻不到的地方它能闻到了。北美的松材线虫的表达为什么比较低呢？我们用化合物给它刺激的时候，需要高浓度它才能有反应。这就像糖对人一样，有的人喜欢糖，会觉得很甜；有些人可能一尝就会觉得很苦，因为他很敏锐，糖到了一定浓度就接受不了。所以美国的线虫也是如此，它不喜欢这种味道不喜欢，就会觉得不需要繁殖，维持在小康水平就够了。松材线虫繁殖力增强的关键但是，中国的线虫种群并不这么认为，它发生了很大的变化，开始喜欢这个味道并且产卵，于是种群数量就变得非常之大，而整棵松树也会死的很快。另外，我们小时候喜欢吃的东西，长大了也很喜欢吃。松材线虫也是一样的，它认为中国的松树不好吃，特别硬，然后它就利用中国本地的一些蓝变菌来帮助它。死亡的松树上有很多蓝变现象，我们通过分离得到了其中的蓝变菌。这是一种真菌，会让松树变得松软，对于松材线虫来讲就变成很好吃的美味了。所以，它觉得在中国生活还是蛮好的，于是就开始大量扩张。只在一棵树也不行，松材线虫还想到别的树上去串一串。在它串的过程中，它还喜欢把天牛作为一种像飞机的交通工具，利用天牛进行传播和旅游。松材线虫释放信号，促进松墨天牛发育在这个过程当中，它希望有更多的 " 飞机 " 来为它服务。然后它就利用了它的化学武器，促使中国的天牛进行一个快速羽化的过程。而且天牛的产卵量也是增加的，它把一两架 " 飞机 " 变成了整个 " 机队 "。在松材线虫入侵中国之前，中国天牛是很少的，我们很难找着。但是松材线虫入侵之后，中国天牛的量变得非常大。松材线虫和天牛共同致死松树，它们的共生体系建立得非常好。左：未携带松材线虫的天牛气管右：携带松材线虫的天牛气管松材线虫不仅把天牛作为 " 飞机 " 进行登机转移，甚至有能力把这个 " 飞机 " 的座椅变得更好。左图是一个未携带线虫的天牛气管系统，它的气管很细，气管壁非常脆、非常薄。但是线虫进入天牛体内之后，如右图所示，天牛的气管系统变粗了，同时气管壁的弹性变得很大。这就相当于把一个铁皮的座椅变成了软皮的沙发。所以，线虫在天牛的气管里非常开心，它可以把这个空间撑得更大一些，让更多的同伴进来。也就是天牛会携带很多线虫飞走，有时候在一只天牛的气管系统里会有二三十万条线虫。左边是没有携带松材线虫的天牛气管，一夹就断，特别脆弱。右边是携带松材线虫的天牛气管，它的弹性变得很大，像胶皮管一样。所以，在进行科学研究的过程中，我们发现了松材线虫为什么在中国变得这么厉害，逆袭变成一个超级线虫。当然，我们还是要不忘初心，对这个线虫进行防控。如何防控松材线虫？首先发现是非常重要的，如果我们找不着线虫，就很难对它进行防控。我们早期做研究的时候很困难，因为要在整棵树上凿几条松木段出来，还要把它砍成火柴棒大小，然后使用左图中的贝尔曼漏斗法，漏的时候线虫就会从木头里爬到水里去。这个过程非常盲目，而且也非常耗时。所以，我们想到利用它的化学通信的策略进行诱导，把松材线虫非常喜欢的化学物质滴到引诱管里，让松材线虫爬到我们想要的地方去。利用这样的技术，我们把整个松材线虫的症状，以及相对应的松材线虫所在的部位的规律搞清楚了。这也在防控中发挥了一定的作用。这是国家自然保护区的两棵树，非常珍贵，大家也很慎重。虽然它出现了发黄、发红的症状，但还是希望能保这棵树。我们必须了解清楚它里面有没有线虫，如果有松材线虫，这棵树一定是要砍掉的。我们利用了前面提到的无创手段进行取样，取样之后发现没有找到松材线虫。后来国家自然保护区的工作人员发邮件告知我们，这两棵树后面也恢复了。在发现之外，我们也一直记着防控。近些年来，我们国家的防控手段越来越多，技术也越来越高科技，我们有一个小小的策略和大家分享。我们刚才提到松材线虫和天牛产生了共生互作的关系，这能够让天牛身体里携带很多线虫。我们在调查的时候发现，并不是每一只天牛都能携带那么大的线虫量，有时候就找不着线虫。为什么在天牛气管系统会找不着松材线虫呢？气管共生免疫进一步调查后我们发现，这种不能携带松材线虫的天牛，它在幼虫期的时候就被另外一种昆虫寄生线虫寄生了。寄生之后天牛的免疫系统上调，松材线虫就进不去了。这种昆虫寄生线虫，也可以是阻断松材线虫传播的一种手段，因为松材线虫必须靠天牛去传播。松材线虫病智能监测现在我们国家从智能监测、到早期发现、再到防控手段都进行了一系列的发展，我们也很有信心保护我们的松林生态系统。这也是国际上对我们的需求，希望中国能够发展相关的中国策略。在研究的过程中，我们也得到了一线森林保护人员的支持。对于他们付出的辛苦，我也非常感动。他们认为，比起森林生态系统被一步步毁坏的心痛，自己的辛苦微不足道。这也激励我们进一步开展科学研究，为我们国家森林生态系统的保护做出贡献，这也是我们这么多年来一直在坚持的动力。我也非常感谢我们的青年人员和学生们，来到这样一个事业中贡献他们的青春。我也希望未来各位能成为我们国家的中坚力量，利用自己的学识为国家做出自己的贡献。谢谢大家！- END -如需转载请联系原作者欢迎转发到朋友圈koa12jJid0DL9adK+CJ1DK2K393LKASDad
编辑:吕文达
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