Cell ｜基因组所常贺坦、王桂荣团队破解飞蝗成灾的跨代密码

飞蝗是全球重大农业害虫，聚集成群的飞蝗会把卵集中产在同一片土壤中，这种"抱团"产卵方式是蝗灾世代延续的关键。然而，卵聚得越密越容易被天敌捕食，飞蝗为何敢"抱团"产卵，长期以来缺乏了解。

9月23日，中国农科院基因组所（大鹏湾实验室）常贺坦研究员、Bill S. Hansson院士与王桂荣研究员团队联合国内外合作单位，在《细胞（Cell）》上在线发表题为"Microbial signaling coordinates group oviposition and predator defense in migratory locusts"的研究论文。研究揭示了飞蝗借助母传共生细菌实现聚集产卵与卵防御的分子机制，发现聚集产卵的飞蝗卵荚上附着一种由母蝗传给后代的共生细菌，它能合成一种特殊的挥发性信号分子，吸引同类雌蝗前来集中产卵和驱赶以蝗卵为食的天敌，该研究为理解蝗灾世代延续提供全新理论框架，为重大迁飞害虫监测预警与绿色防控提供分子靶标。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.08.050

爱扎堆的蝗虫，和一个两难的选择

自然界中，飞蝗随种群密度变化，在"散居"与"群居"两种形态间转换。独处时，它体色偏绿、行踪隐蔽；密度一高，它从绿色变为黄褐色，成群结队、遮天蔽日。

此前研究表明，蝗虫聚群时，后足相互摩擦的触觉刺激会让脑部多巴胺水平急剧升高。群居雌蝗把大量卵荚集中产在狭小的土壤区域，这是维系群居性状、推动蝗灾世代延续的关键一环；可卵聚得密，种内竞争加剧，天敌也更容易找上门。同步繁殖的收益与被捕食的风险如何两全，长期缺乏科学解释。

研究团队从蝗虫产卵行为入手。实验证实，群居飞蝗倾向聚集产卵，散居飞蝗的产卵位点则高度分散，而群居型的卵荚里藏着吸引同类雌蝗聚集产卵的气味密码。借助气相色谱-质谱联用技术层层分离，团队锁定了一种关键挥发物：2,4,6-三甲基吡啶（Trimethylpyridine，简称 2,4,6-TMP），该分子由群居飞蝗卵荚特异性释放，可吸引同类雌蝗集中产卵。

图1 | 群居与散居飞蝗产卵行为的差异，以及产卵聚集信号 2,4,6-TMP 的鉴定

借助果蝇空神经元异源表达体系与基因编辑技术，团队从82个受体基因中鉴定出飞蝗感知该信号的两个必需嗅觉受体LmOR34和LmOR36；敲除任一受体，飞蝗即丧失对2,4,6-TMP的嗅觉偏好，集群产卵行为随之被破坏。

图2 | 从 82 个候选受体中锁定介导飞蝗感知2，4，6-TMP的关键受体

卵荚上的"隐形细菌"

更关键的是，研究发现2,4,6-TMP并非飞蝗自身合成，而是源于卵荚附着的共生细菌 Enterobacter roggenkampii。卵荚表面被灭菌后不再释放该挥发物；从上百株分离菌株中筛选出的 E. roggenkampii可高效合成2,4,6-TMP。通过EGFP荧光标记活体示踪，团队证实该菌为母系垂直传递共生菌，并揭示群居与散居雌蝗存在截然不同的传递模式：种群密度升高带来的后足触觉刺激，驱动群居雌蝗大量向卵荚转运该细菌，而散居雌蝗极少将细菌传递至卵表。多组学与基因敲除验证进一步阐明，E. roggenkampii 依赖赖氨酸代谢途径合成2,4,6-TMP；敲除关键基因赖氨酸脱羧酶 LDC后，细菌完全丧失合成能力，蝗虫行为响应也随之消失。

图3 | 共生菌的母系垂直传递模式与 2,4,6-TMP 的生物合成通路

一分子双功能

研究还发现，2,4,6-TMP具有“一分子双功能”的生态效应：除介导聚集产卵外，它还能驱避以及毒杀红火蚁、线蚓、步甲等多种土壤蝗卵天敌。针对入侵害虫红火蚁，团队通过AI筛选，结合果蝇空神经元异源表达体系与RNAi干扰技术，从400多个受体中鉴定出其感知该挥发物的嗅觉受体SinOR43a-1；RNAi敲降该受体，或卵荚无法产生2,4,6-TMP时，红火蚁的驱避效应均消失。半田间与野外试验进一步证实，E. roggenkampii 及其代谢产物2,4,6-TMP既可诱导飞蝗集群产卵，又能抵御天敌捕食蝗卵，且野外自然种群中的细菌载量、挥发物释放与行为响应同实验室种群高度一致。

图4 | 2,4,6-TMP 对土壤蝗卵天敌的驱避与毒杀效应，及红火蚁嗅觉受体 SinOR43a-1 的鉴定

该研究完整构建了“飞蝗宿主—母传共生菌—挥发物—天敌”的多级互作链条，创新性阐明飞蝗借助母本垂直传递的共生细菌，依靠单一挥发性分子同时实现生殖同步化与后代化学防御，巧妙化解高密度产卵带来的高捕食风险。这一发现不仅拓展了昆虫—微生物共生互作的认知边界，也为理解飞蝗两型分化、蝗灾世代延续与爆发成灾提供了全新解释，标志着害虫成灾机制研究从“宿主中心”向“宿主—微生物—环境多级互作”范式跃升。

基因组所（大鹏湾实验室）和东北林业大学联合培养博士袁进喜、基因组所（大鹏湾实验室）博士聂利萍、博士后商蕾为论文共同第一作者。基因组所（大鹏湾实验室）常贺坦研究员、Bill S. Hansson 院士、王桂荣研究员为论文共同通讯作者。基因组所（大鹏湾实验室）程旭研究员、西湖大学洪本科教授、中国农业大学张立伟教授为本研究提供重要支持。

该研究得到国家自然科学基金、深圳市杰出科技创新人才培养项目、中国农业科学院科技创新工程、中国博士后科学基金等项目资助。

专家点评

中国科学院院士 康乐

聚集产卵并实现后代保护，是蝗虫群体性状跨代传递与种群扩张的重要策略。最近一项中德科学家的合作研究将飞蝗群聚产卵、共生菌垂直传递、挥发性信号合成以及天敌防御整合至同一生态框架，构建了完整且严密的跨营养级证据链。研究结果表明，共生细菌产生的 2,4,6-TMP 既可诱导飞蝗集群产卵，又能够驱避土壤天敌，同步实现繁殖协同与后代保护的双重功能。该研究进一步建立了种群密度、触觉刺激与共生菌母系传递之间的关联，为阐释飞蝗群居性状的跨代维持与蝗灾持续暴发机制提供了新依据。上述成果不仅深化了人们对昆虫 - 微生物 - 天敌多级互作的认识，还揭示害虫成灾并非宿主单独作用的结果，有望为蝗灾精准预警与绿色防控开辟新途径。

中国工程院院士 吴孔明

该研究从昆虫—微生物—天敌多营养级互作视角出发，揭示了共生微生物协同调控飞蝗集群产卵与后代防御的新机制，拓展了害虫成灾机制的研究边界。尤为重要的是，该研究综合分析了亲代种群密度感知、共生菌母系传递、微生物化学信号与子代种群聚集等多因素，发现同一微生物信号既能促进集群繁殖，又兼具抵御天敌的功能，为阐释飞蝗高密度种群的跨世代建立与维持构建了新的机制框架。该研究涵盖从分子机理解析到田间生态验证的多个层面，表明重大农业害虫的暴发成灾不仅取决于害虫自身生物学特性，而且与宿主、共生微生物及生态环境之间的多层级互作相关。这一发现深化了对害虫成灾机制的认识，也为研发基于微生物及化学通讯的害虫监测预警与绿色防控新策略提供了重要科学基础。

Professor Christer Löfstedt

Member of the Royal Swedish Academy of Sciences, senior scientist in synthetic biology at the Xianghu laboratory

A very elegant study showing how and why the same chemical signal, 2,4,6-TMP produced by symbiotic bacteria, aggregates locust oviposition but deters egg predators from the resulting aggregated food source because it is toxic to the egg predators.