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國際超級害蟲「蟲」死誰手?

科羅拉多金花蟲(Colorado potato beetle,Leptinotarsa decemlineata)。
圖片來源:wiki
科羅拉多金花蟲(如上圖),看起來還頗為美麗,卻有著「國際超級害蟲」的稱號;原來這種甲蟲雖然源自科羅拉多,由於在許多地區都沒有牠的天敵,使得牠在第一次與第二次世界大戰後,幾乎已經蔓延到全歐(英國除外)。

科羅拉多金花蟲的雌蟲一次大約可產800個卵,不論是幼蟲或是成蟲,都以茄科(solanaceous)植物為食。不只是馬鈴薯的葉片、蕃茄、茄子牠們都很愛,可以把葉子啃到只剩葉柄!糟糕的事是,從二十世紀中葉以後,科羅拉多金花蟲已經對大部分的殺蟲劑發展出抗藥性,也就是說,一旦牠拜訪您家的田園,就要有大損失的心理建設了。臺灣目前似乎尚無牠的「蟲」蹤現跡,希望可以繼續維持下去。

由於天敵甚少加上發展出抗藥性,各地的研究團隊無不想方設法,希望能發展出更好的滅蟲良方;最近,德國普朗克研究所(Max Planck Institute)的研究團隊,發展出了以干擾RNA(siRNA)做為殺蟲劑的方法,希望可以發展出專門對付一種害蟲的殺蟲劑。

siRNA的技術並不是什麼新花樣;簡單來說,就是要讓一段雙股的RNA在目標物種體內出現。由於高等生物細胞內通常不會出現雙股RNA,除非受到RNA病毒感染!因此,一旦雙股RNA出現以後,很快便會被辨認出來,並以Dicer蛋白質複合體修整後,選取大約21個核苷酸長短的片段,做為細胞的「病毒手冊」。下次有任何RNA出現在細胞裡,Dicer便會拿出這本「病毒手冊」加以辨認,只要序列相同,便會立刻被分解掉,那段RNA所代表的基因,也就無從表現起了。

而人類利用這個機制,將我們想要研究的基因,以siRNA的技術使它不表現,觀察該生物有什麼性狀,也早已不是新鮮事了。但是,要把這個技術用在殺蟲上,普朗克研究所的團隊,還真是傷了一番腦筋。

原來,要讓雙股RNA進入蟲的體內,最簡便的方法當然是讓蟲把雙股RNA自己吃下去;所以,如果能夠讓馬鈴薯表現這段雙股RNA,那麼蟲兒們用餐時便一併把毒藥給吃下肚去,豈不美哉?

但是這件事說來容易作來難。首先,雙股RNA通過蟲兒的中腸(midgut)時,如果全體馬上就嗚呼哀哉了,那就什麼都不用想了;還好雙股RNA的確可以經由中腸吸收,並不會全部陣亡。接著,要讓植物可以表達雙股RNA;過去在玉米的實驗中完全沒有問題,但是到了馬鈴薯卻踢到了鐵板。雖然表現雙股RNA的轉殖基因的確進入了馬鈴薯,但是馬鈴薯細胞內的Dicer卻馬上認出了它,並將它的表現給關掉了。

怎麼辦呢?研究團隊想到,如果能在葉綠體裡面表現這段雙股RNA,應該就不會有問題。為什麼呢?因為葉綠體源自於藍綠菌(cyanobacteria)這種原核生物,而原核生物不具有辨識雙股RNA的機制。

因此,研究團隊便將可以同時或個別表現兩個基因的雙股RNA的轉殖基因,轉入馬鈴薯的葉綠體中;這兩個基因都是所謂的必需基因(essential gene),如果它們不表現,蟲兒便會死掉。其中一個是細胞骨架(cytoskeleton)的β-肌動蛋白(β-actin),另一個則是與液泡輸送相關的Shrub基因(另名Vps32或Snf7)。最後,研究團隊發現,單獨干擾β-肌動蛋白的植物,殺蟲的效果非常好,在第五天,一齡幼蟲就全部都死光了;而干擾Shrub基因、或是同時干擾β-肌動蛋白與Shrub基因的植物,殺蟲的效果反而不理想,同時干擾兩個基因的植物,殺蟲的效果比干擾Shrub基因的更差;感覺上,干擾RNA用在殺蟲上,似乎並不是多多益善呢!

雖然這個發現,似乎提供了未來發展殺蟲劑的另一條路;但是以科羅拉多金花蟲這樣善於演化出抗藥性的蟲兒來說,究竟這個方法,會不會讓科羅拉多金花蟲再次獲取另一種新能力呢?這種能力,是否會使牠們改變β-肌動蛋白的序列呢?只能說,生物的世界,永遠都會讓我們驚奇,所以「就讓我們看下去」~

(台大科教中心擁有此文版權,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

Jiang Zhang, Sher Afzal Khan, Claudia Hasse, Stephanie Ruf, David G. Heckel, Ralph Bock. 2015. Full crop protection from aninsect pest by expression of longdouble-stranded RNAs in plastids. Science. 347: 991-994.

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在哥倫布把鳳梨引進歐洲以後,因為它的香甜好滋味讓它大受歡迎;但是身為熱帶水果的鳳梨,在溫帶的歐洲長得並不好!為了要讓王公貴族們吃到鳳梨,十六世紀的園丁們發明了「鳳梨暖爐」:把單顆鳳梨放在由馬糞堆肥做的暖床上的木製棚架,並升起爐火來保持溫暖,好讓鳳梨這熱帶植物可以在溫帶的歐洲開花結果;世界上第一個溫室就這樣誕生了,並由此開啟了歐洲建造溫室的熱潮!

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