昆虫,是动物界中最大的一个类群,它们通过嗅觉等感官来感受外界环境,能精确嗅到周围环境中气味物质的细微变化,它们在长期进化过程中,形成了高度特化、极其灵敏的嗅觉系统。昆虫的嗅觉是行为感觉的一种重要信号输入来源,灵敏的嗅觉对昆虫的生活习性有着直接或间接的影响,在一定距离内,昆虫利用嗅觉感器识别环境中各种不同的气味分子,包括寄主植物、异性、天敌等释放的化学信号来确定飞行方向,从而定位寄主植物、寻找配偶、控制交尾、选择产卵场所、警惕和躲避天敌等,因此,嗅觉系统对昆虫生存和繁衍后代尤为关键。
中国农业科学院农业基因组研究所的常贺坦研究员,作为农科院“青年英才”、“国家高层次引进人才”,就从事昆虫嗅觉识别机理研究,他的主要研究聚焦于探究昆虫社会行为与其对化学信号的复杂关联,特别关注嗅觉途径对这些行为的调控机制,以及筛选鉴定调控飞蝗嗅觉行为的关键气味物质,深入解析其嗅觉感受的分子和神经机制,筛选出高效的飞蝗行为调控分子,开发基于嗅觉的高效飞蝗控制技术。他的研究对于有害昆虫的防治起到了重要作用,对控制农作物虫害,促进我国农业发展,做出了重要贡献。
逐梦而行 科研喜结硕果
前苏联作家尼古拉·奥斯特洛夫斯基曾经说过,“人的一生应当这样度过,当回忆往事的时候,不会因为虚度年华而悔恨,也不会因为碌碌无为而羞愧。”作为一名青年科研人员,常贺坦在求学时期就热爱科学、渴求知识,他富有一种探索求知、求真务实的精神,而且这种精神始终伴随着他的求学和科研生涯。
2008年,常贺坦靠近安徽农业大学 学习植物保护专业,2012年本科毕业后,他以优异的成绩进入南京农业大学硕博连读;2017年获得南京农业大学博士学位后,他又前往美国Stowers Institute for Medical Research进行博士后研究;2018年到2023年期间,他在马克斯·普朗克化学生态学研究所继续博士后研究,海外的学习和研究拓宽了他的视野,为他回国的科研打下了坚实基础。
2023年9月,常贺坦学成归来,进入中国农业科学院农业基因组研究所,在研究所和各级领导、同事的支持下建立了实验室。目前,他已经负责主持海外优青项目1项,参与基金项目3项。
据常贺坦介绍,许多昆虫物种使用多组分性信息素来区分潜在的交配伴侣。在蛾类中,信息素混合物往往由一种或两种主要成分主导,但行为反应通常通过包含不太丰富的次要成分来优化。越来越多的研究表明,雌性昆虫使用这些化学物质将其交配的可能性传达给雄性,雄性可以评估雌性的成熟度,从而决定何时交配。然而,人们对使雄性能够评估雌性生殖状况的生物学机制知之甚少。在“棉铃虫性信息素对其交配行为的调控”研究中,他首次揭示了性信息素拮抗剂参与调控棉铃虫最优交配时间并阐明了其作用的分子机制,并在Current Biology上发表了相关研究论文A Pheromone Antagonist Regulates Optimal Mating Time in the Moth Helicoverpa armigera。
目前,常贺坦已经以第一作者或共同作者身份在Science、Current Biology、Nature Communications、Elife等国际知名期刊上发表论文8篇,包括:《化学防御阻止迁徙蝗虫的自相残杀》《一种信息素拮抗剂调节棉铃虫的最佳交配时间》《臭氧暴露会破坏昆虫的性交流》《果蝇侧角的高级嗅觉神经元支持气味效价和气味身份编码》《蝗虫中的非冗余气味检测》等等,这些理论成果为昆虫的习性研究提供了重要参考。
开拓创新 防治蝗虫灾害
生活赋予人们一种巨大的和无限高贵的礼品,这就是青春,充满着力量、充满着期待,充满着信心,充满着希望。在科研中,常贺坦作为一名青年科研人员,为了实现科研梦想,燃烧着自己的青春、奉献自己的科研力量。
前文说过,常贺坦目前主要以蝗虫为研究对象,研究昆虫社会行为的嗅觉神经行为学、嗅觉通路可塑性,昆虫的肠道-微生物组-大脑相互作用。关于这一点,据他介绍说,我国是一个农业大国,农业中生物性灾害种类多、分布广,对农作物的生产发展威胁较大。比如,我国从古至今都经常出现蝗虫泛滥成灾,大量飞蝗聚集形成庞大的种群,这有利于它们觅食、寻找栖息地和选择配偶等。蝗灾危害极大,大规模蝗灾形成后,所过之处寸草不生。
究其主要原因之一就是蝗虫惊人的繁殖能力,此外“同类相食”也是其中重要的原因之一。粗看同类相食似乎等同于蝗虫的自相残杀,类似于在抑制蝗灾蔓延,但实际上,在高密度种群下,飞蝗为争夺食物和生存空间,会疯狂捕食同类,同时,来自后方个体的捕食威胁会迫使蝗虫不停的向前行进,最终诱发蝗虫形成步调一致的聚集行为。换言之,“同类相食”为飞蝗成灾推波助澜。
新中国成立以来,本着“早发现早治理”的原则,积极建立检测站,在历史重灾区和旱灾区开展积极防控,利用化学防治和生物防治双管齐下,基本抑制了蝗灾的可怕威力。随着时代的发展,原有的治理方法面临不能适应现状的问题。因此,再此通过探寻蝗虫嗅觉识别机制来解决飞蝗成灾的问题。即研究嗅觉刺激时如何被蝗虫神经系统感知和传递、蝗虫的脑又是如何处理外周传入的嗅觉信息并最终指导行为的变化。
对此,常贺坦在东亚飞蝗嗅觉行为的研究中,攻坚克难、创新突破,经过不断深入研究,揭示了嗅觉气味抑制同类相食的现象,从防御信号的化学感受及生物合成层面阐明了其作用机理。而且,他还首次系统鉴定了飞蝗及其寄主植物的挥发性物质,建立了飞蝗的气味分布图库,为发展绿色环保的飞蝗防治策略提供了新思路和新方法,相关成果在Science、Current Biology等期刊上发表研究论文。
在常贺坦的带领下,课题组以飞蝗和红火蚁为研究对象,结合传统化学生态学、分子生物学、单细胞转录组学、神经学和遗传学等跨学科手段深入探讨嗅觉调控同类相残、交配和群落运动行为的分子与神经机制,深化对昆虫嗅觉的分子及神经生物学基础理论,为科学防治害虫提供理论依据和技术指导。
与此同时,常贺坦和课题组还开展研究昆虫肠道微生物参与调控行为的作用机理,他们以蝗虫为研究对象,以生物互作为主线,综合运用分子生物学、神经学、遗传学、单细胞转录组以及微生物组学等多学科交叉研究手段,探索肠道微生物参与调控蝗虫的重要生态行为的分子与神经机制,为有效防治蝗虫提供理论依据和技术指导。
深耕科研结硕果,砥砺前行再扬帆。作为昆虫学科一颗冉冉升起的新星,常贺坦的研究正在如火如荼的进行中。让我们期待他继续秉承严谨求实、勤奋刻苦、勇于创新的科研精神,在有害昆虫防治科研事业上攻关克难、砥砺前行,为农作物种植和生产保驾护航。(文/张丽丽)
