今天小編分享的科學經驗：當松林中出現豔麗的紅色，這不是美景，而是一種致命的威脅，歡迎閱讀。
以下文章來源于格致論道講壇 ，作者趙莉蔺
比起森林生态系統被一步步毀壞的心痛，自己的辛苦微不足道。
趙莉蔺 · 中國科學院動物研究所研究員
格致論道第 71 期 | 2021 年 8 月 28 日 北京
大家好，我是趙莉蔺，來自中國科學院動物研究所，今天給大家講一個關于小小線蟲的故事。
松樹生病了
下面是一張健康的松林生态系統的照片，透過這張照片，我們似乎可以聞到清新的空氣。
松林生态系統為我們付出了很多，它保護了生态環境，為我們提供了新鮮的空氣。當然，它也能給我們帶來美味的松子，有非常重要的經濟價值。所以，提高像松林這樣的森林的覆蓋率也是各個國家治理發展的目标。很難想象如果我們的森林生态系統都遭受威脅，生活會是什麼樣子的。
上面這張照片和前一張有很大不同，我們可以看出有很多斑斑點點的紅色部分，它到底是怎麼了？這種現象最早發生于 1982 年的南京中山陵，引發了大家的巨大關注。
科學家們投入到了調查當中，他們首先從死樹上尋找元兇。死樹上有很多生物，包括各種大小蠹、白蟻、天牛等昆蟲，同時還發生了藍變，又分離了很多藍變菌。所以，我們從昆蟲和病原菌兩個方面都分離到了很多嫌犯。
在死樹上發現的各種生物
但是我們發現，當把這些嫌犯再次接種到松樹上的時候，并沒有造成那麼大的危害。所以大家的思維就發生了變化，也就是要從剛剛發生症狀的樹上去尋找元兇。
松材線蟲
結果在這種樹的木質部，我們分離到了大量的線蟲，它們堵塞了松樹的營養輸送。經過鑑定，這種線蟲就是松材線蟲。它是一種外來入侵種，是對松樹的一種巨大的威脅。
自從在我們國家發現之後，它一直都在傳播擴散。尤其是上圖中的綠色部分，這是我們國家重要的森林分布區網域。除了南方已經被松材線蟲覆蓋之外，這兩年在遼寧也發現了，所以它的擴張蔓延是非常快的。它每年給我們帶來的經濟損失高達 71 個億，這意味着防控任務非常艱巨，大家都在想如何防控的辦法。
比如上圖是一棵死樹，它是一個傳播源，必須對它進行砍伐，但我們發現這很艱難。如果是一棵在路邊的樹，我們砍伐起來可能還比較容易；但是如果在森林裡面發現一棵紅色的樹，去砍伐它就需要跋山涉水。一般情況下五六個人用一整天的時間才能砍伐一棵樹，再運送到山下。所以，一線的森林工作人員付出了巨大的艱辛。
這些是砍伐下來的松樹。其實每一棵松樹都是非常珍貴的，甚至有一些是有上百年歷史的古樹，所以非常讓人惋惜。
松材線蟲不僅對我們國家的松林造成了巨大威脅，世界上其他的國家，像日本、韓國以及歐洲的西班牙、葡萄牙的一些區網域也遭受到了很大危害。所以，它被稱為松樹的毀滅性病害。
但是，這裡有一個很有意思的現象。在原產地北美，即上圖中的綠色區網域，它的危害并不嚴重。這就讓我們很好奇，原來并不嚴重的病害，為什麼在周遊列國的時候變得那麼厲害了呢？帶着這樣一個科學問題，我們從 2004 年開始進入到了這樣的研究當中。
松材線蟲在中國出現了什麼變化？
我們首先要比較各個國家松樹的區别，松材線蟲在北美主要危害歐洲赤松、雪松、落葉松等松樹。
北美寄主松樹
但是來到中國之後，情況完全不同了。松材線蟲在我國南方主要危害黑松和馬尾松，在北方危害華山松和油松，到東北又變成了紅松。
中國寄主松樹
這樣一個改變的過程，實際上是松材線蟲在經歷壓力的選擇。因為松樹本身有抵抗病蟲害的能力，尤其會分泌一些松脂以及防御物質對自己進行保護。但是，這樣的過程并沒有把松材線蟲吓倒。松材線蟲在入侵我國的時候，肯定是很小的一個種群，而且它的個體是非常小的，不到一毫米。這樣一個小小的線蟲，為什麼能夠在這樣強大的壓力之下變得如此厲害呢？我們在實驗室裡，對線蟲在我們國家的入侵過程進行了模拟。我們發現，相比北美的線蟲而言，中國線蟲的繁殖率真的變高了，而且它在不同松樹中進行轉移的時候繁殖率變得最高。
但是我們可以從右圖看出來，實際上美國線蟲的種群數量一直在比較低的位置。所以，這個線蟲強大的地方就在于把壓力變成了自己強大繁盛的動力。
攜帶松材線蟲的天牛感染松樹
在變壓力為動力的過程中，它也要不斷去尋找新的媒介，也就是它要把自己從一棵樹轉移到另外一棵樹。我們發現，它實際上是通過天牛這種媒介昆蟲來進行傳播的。
松墨天牛
這個傳播過程中有很奇怪的一點：它并不是時時刻刻都會被傳播，而是要尋找到剛羽化的天牛，剛羽化的天牛的身體是很柔軟的。松材線蟲怎麼找到處于特殊時期的天牛的呢？而且對于天牛而言，線蟲是外來物，天牛并不是随便想進就能到天牛氣管。線蟲發生了什麼樣的改變，導致它能夠通過天牛傳播呢？
我們通過調查，想要對比一下天牛體内和天牛體外的線蟲有什麼區别。我們發現在上圖中間展示的氣管系統中，這個線蟲是非常幹淨的，身上沒有什麼細菌，也沒有什麼真菌等微生物。但是，原來它在樹體裡的時候，周圍有各種各樣的微生物。我們就想到一點：線蟲在進入天牛體内的時候需要蛻一層皮，它在蛻皮的過程中一定發生了一些事，導致它在蛻皮之後能被攜帶傳播。
我們用顯微鏡觀察可以發現，它在傳播的蟲态中，即蛻皮之後，身上攜帶的細菌、真菌以及分泌的一些物質都沒有了，變得很幹淨。而且它頭部的口針部分，即取食的部位也沒有了，就是把整個嘴巴封起來了。
松材線蟲的傳播擴散依靠天牛的攜帶完成
這個狀态似乎在告訴它的媒介——天牛——它很幹淨。所以，天牛會認為它是安全的，和它在一起變成了一種協同共生的關系。這對松材線蟲的傳播擴散确實起到非常重要的作用。
松材線蟲的 " 十八般武藝 "
在這樣一個攜帶傳播的過程中，松材線蟲精确的定位以及蛻皮的時機變得非常重要。怎麼獲得這種時機的精确度呢？我們對此展開了研究。
松材線蟲生活在黑暗的環境當中，它是看不見的，無法依靠視覺獲得時機的精确度。那我們就會想它是不是依靠嗅覺。結果發現它的嗅覺系統非常強大，能夠對寄主天牛各個時期的味道進行準确的識别。
松材線蟲基因組
我們在進行它的基因組研究的時候發現，這個物種在形成的過程中就擁有了這樣一種能力。在它的基因組形成的時候發生了兩次基因家族擴張的事件，事件中最關鍵的就是它的化感受體、即它聞東西要用到的一些受體的敏感性增加了，家族變得非常大。
擴增的化感受體敏感性增加
上圖中就是三個化感受體的基因家族，紅色區網域表示它入侵的過程中還在不停地擴張。也就是說，這些基因家族在不斷擴張的過程中變得更加敏銳了。那這到底起什麼作用呢？我們用松材線蟲的分泌物作為化學信号進行刺激，來對比中國和北美的線蟲的差異。
松材線蟲入侵的化感适應性進化
我們可以看到，上圖中紅色區網域就是指中國的線蟲種群，另外一部分是北美的線蟲種群，圖中展示的 Srab、Srh 和 Srd 是三個不同的基因。在我們進行化學物質刺激的時候，紅色的這些基因就會大量地在中國種群上表達。這表明中國種群的這些化感受體在起作用，它起作用的時候就會表達。所以原來聞不到的地方它能聞到了。
北美的松材線蟲的表達為什麼比較低呢？我們用化合物給它刺激的時候，需要高濃度它才能有反應。這就像糖對人一樣，有的人喜歡糖，會覺得很甜；有些人可能一嘗就會覺得很苦，因為他很敏銳，糖到了一定濃度就接受不了。所以美國的線蟲也是如此，它不喜歡這種味道不喜歡，就會覺得不需要繁殖，維持在小康水平就夠了。
松材線蟲繁殖力增強的關鍵
但是，中國的線蟲種群并不這麼認為，它發生了很大的變化，開始喜歡這個味道并且產卵，于是種群數量就變得非常之大，而整棵松樹也會死的很快。
另外，我們小時候喜歡吃的東西，長大了也很喜歡吃。松材線蟲也是一樣的，它認為中國的松樹不好吃，特别硬，然後它就利用中國本地的一些藍變菌來幫助它。
死亡的松樹上有很多藍變現象，我們通過分離得到了其中的藍變菌。這是一種真菌，會讓松樹變得松軟，對于松材線蟲來講就變成很好吃的美味了。所以，它覺得在中國生活還是蠻好的，于是就開始大量擴張。只在一棵樹也不行，松材線蟲還想到别的樹上去串一串。在它串的過程中，它還喜歡把天牛作為一種像飛機的交通工具，利用天牛進行傳播和旅遊。
松材線蟲釋放信号，促進松墨天牛發育
在這個過程當中，它希望有更多的 " 飛機 " 來為它服務。然後它就利用了它的化學武器，促使中國的天牛進行一個快速羽化的過程。而且天牛的產卵量也是增加的，它把一兩架 " 飛機 " 變成了整個 " 機隊 "。在松材線蟲入侵中國之前，中國天牛是很少的，我們很難找着。但是松材線蟲入侵之後，中國天牛的量變得非常大。松材線蟲和天牛共同致死松樹，它們的共生體系建立得非常好。
左：未攜帶松材線蟲的天牛氣管右：攜帶松材線蟲的天牛氣管
松材線蟲不僅把天牛作為 " 飛機 " 進行登機轉移，甚至有能力把這個 " 飛機 " 的座椅變得更好。左圖是一個未攜帶線蟲的天牛氣管系統，它的氣管很細，氣管壁非常脆、非常薄。但是線蟲進入天牛體内之後，如右圖所示，天牛的氣管系統變粗了，同時氣管壁的彈性變得很大。
這就相當于把一個鐵皮的座椅變成了軟皮的沙發。所以，線蟲在天牛的氣管裡非常開心，它可以把這個空間撐得更大一些，讓更多的同伴進來。也就是天牛會攜帶很多線蟲飛走，有時候在一只天牛的氣管系統裡會有二三十萬條線蟲。
左邊是沒有攜帶松材線蟲的天牛氣管，一夾就斷，特别脆弱。右邊是攜帶松材線蟲的天牛氣管，它的彈性變得很大，像膠皮管一樣。
所以，在進行科學研究的過程中，我們發現了松材線蟲為什麼在中國變得這麼厲害，逆襲變成一個超級線蟲。當然，我們還是要不忘初心，對這個線蟲進行防控。
如何防控松材線蟲？
首先發現是非常重要的，如果我們找不着線蟲，就很難對它進行防控。
我們早期做研究的時候很困難，因為要在整棵樹上鑿幾條松木段出來，還要把它砍成火柴棒大小，然後使用左圖中的貝爾曼漏鬥法，漏的時候線蟲就會從木頭裡爬到水裡去。這個過程非常盲目，而且也非常耗時。
所以，我們想到利用它的化學通信的策略進行誘導，把松材線蟲非常喜歡的化學物質滴到引誘管裡，讓松材線蟲爬到我們想要的地方去。利用這樣的技術，我們把整個松材線蟲的症狀，以及相對應的松材線蟲所在的部位的規律搞清楚了。
這也在防控中發揮了一定的作用。這是國家自然保護區的兩棵樹，非常珍貴，大家也很慎重。雖然它出現了發黃、發紅的症狀，但還是希望能保這棵樹。我們必須了解清楚它裡面有沒有線蟲，如果有松材線蟲，這棵樹一定是要砍掉的。我們利用了前面提到的無創手段進行取樣，取樣之後發現沒有找到松材線蟲。後來國家自然保護區的工作人員發郵件告知我們，這兩棵樹後面也恢復了。在發現之外，我們也一直記着防控。近些年來，我們國家的防控手段越來越多，技術也越來越高科技，我們有一個小小的策略和大家分享。我們剛才提到松材線蟲和天牛產生了共生互作的關系，這能夠讓天牛身體裡攜帶很多線蟲。我們在調查的時候發現，并不是每一只天牛都能攜帶那麼大的線蟲量，有時候就找不着線蟲。為什麼在天牛氣管系統會找不着松材線蟲呢？
氣管共生免疫
進一步調查後我們發現，這種不能攜帶松材線蟲的天牛，它在幼蟲期的時候就被另外一種昆蟲寄生線蟲寄生了。寄生之後天牛的免疫系統上調，松材線蟲就進不去了。這種昆蟲寄生線蟲，也可以是阻斷松材線蟲傳播的一種手段，因為松材線蟲必須靠天牛去傳播。
松材線蟲病智能監測
現在我們國家從智能監測、到早期發現、再到防控手段都進行了一系列的發展，我們也很有信心保護我們的松林生态系統。這也是國際上對我們的需求，希望中國能夠發展相關的中國策略。
在研究的過程中，我們也得到了一線森林保護人員的支持。對于他們付出的辛苦，我也非常感動。他們認為，比起森林生态系統被一步步毀壞的心痛，自己的辛苦微不足道。這也激勵我們進一步開展科學研究，為我們國家森林生态系統的保護做出貢獻，這也是我們這麼多年來一直在堅持的動力。
我也非常感謝我們的青年人員和學生們，來到這樣一個事業中貢獻他們的青春。我也希望未來各位能成為我們國家的中堅力量，利用自己的學識為國家做出自己的貢獻。謝謝大家！
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