美国科学家最近用蜘蛛毒素基因改造一种喜欢感染疟蚊的真菌绿僵菌，可以在短时间内将试验区内传播疟疾且含有杀虫剂抗性的疟蚊数量减少99%，有望开发出强大的灭蚊新武器。差不多在同时，英国一家公司也推出了第二代抗登革热转基因伊蚊，灭蚊效果也非常不错。
转基因的真菌琼脂在白板上。(IC photo/图)
夏天已经来临，人们免不了受到越来越多蚊子的骚扰，但很多人可能不曾想到，对人类来说，小小的蚊子竟然位列世界上最致命的动物之首。
世界上每年有约20亿人受到蚊子叮咬，因其传播疟疾、登革热、寨卡病毒等致命性传染病，每年造成超过60万人死亡。据世界卫生组织报告，2017年全球仅疟疾死亡人数就高达43.5万，以非洲儿童居多。科学家一直在寻找安全有效的大规模灭蚊方法，以大幅降低蚊媒传染病的发生率和死亡率。
2019年5月31日，美国马里兰大学和布基纳法索健康科学研究所的研究人员在国际顶级学术期刊《科学》上报道称，他们用蜘蛛毒素基因改造一种喜欢感染疟蚊的真菌——绿僵菌，可以在短时间内将试验区内传播疟疾且含有杀虫剂抗性的疟蚊数量减少99%，有望开发成一种新的灭蚊武器。与此同时，英国牛津大学和Oxitec公司也推出了第二代抗登革热转基因伊蚊，灭蚊效果也非常不错。
转基因真菌如何工作
目前常用的灭蚊方法是在蚊帐或房屋墙壁上喷洒拟除虫菊酯等化学杀虫剂，不仅对环境造成污染，而且越来越多的蚊子开始表现出杀虫剂抗性，大大降低了化学杀虫剂预防疟疾的效果。于是，科学家们开始将目光转向绿僵菌等生物杀虫剂。
绿僵菌是一种特异性感染节肢昆虫的真菌。早在140年前，科学家就发现绿僵菌能感染并杀死小麦金龟子和甜菜象鼻虫等害虫，之后又陆续发现不同的绿僵菌可攻击五十多个种属的约两百多种昆虫，因此绿僵菌也被开发成防治害虫的常见生物农药。天然的绿僵菌同样能感染传播疟疾的疟蚊，但是对疟蚊缺乏杀伤力，往往需要较长时间和大量的真菌孢子，而且持续效果不佳。
为了增强绿僵菌对疟蚊的杀伤效果，美国马里兰大学和布基纳法索健康科学研究所的研究人员展开合作，将表达蜘蛛和蝎子致命毒素的基因转入一种叫平沙绿僵菌的体内，同时转入的还有绿色荧光蛋白基因，以便通过绿色荧光观察基因转染效果及后续感染疟蚊的效果。考虑到这种毒素的安全性，研究人员在上述毒素基因前面加入了一种特殊的启动子，使其只能在疟蚊身上特异性表达，对人类、哺乳动物和蜜蜂等其它昆虫都不起作用。
在前期研究中，研究人员发现，与天然绿僵菌相比，这种转入蜘蛛毒素基因的绿僵菌在实验室能杀死80%以上的疟蚊，所需的真菌孢子数量可减少40%，而且在5天内即可将疟蚊的疟疾传播能力降低95%以上，也就是说基本丧失传染疟疾的能力。更为重要的是，转基因绿僵菌对有化学杀虫剂抗性的疟蚊同样有效。
为了验证这种转蜘蛛毒素基因的绿僵菌灭蚊效果，在布基纳法索西部一个疟疾流行的村庄，研究人员用两层蚊帐围建成一个大约600平方米的封闭式空间，并将其分隔成不同的小隔间，在每个隔间中尽量模拟疟蚊野外生活环境，含有植物、供雌蚊产卵繁殖的水池，同时定期牵入小牛供雌蚊吸血。研究人员在其中三个实验隔间中分别投放1500只有化学杀虫剂抗性的当地疟蚊，包括1000只雄蚊和500只雌蚊。在每个小实验隔间的一面墙上，研究人员放置了一块涂有芝麻油的黑布，以便雌蚊吸血后休息之用，因为先前的研究表明，芝麻油有助于提高绿僵菌的感染效率。其中两个实验隔间的黑布上，研究人员分别放置转蜘蛛毒素基因和绿色荧光蛋白基因的转基因绿僵菌以及只含有绿色荧光蛋白基因的转基因绿僵菌，另一个实验隔间的黑布则不含绿僵菌，作为空白对照。
研究人员用两层蚊帐建成模拟蚊虫野外生活环境的封闭式空间。(资料图/图)
经过45天的试验，每个隔间的蚊子都繁殖了两代，研究人员发现在没有绿僵菌的隔间里，每代蚊子数量呈增长趋势，很快就超过了原有种群数量;在含有转绿色荧光蛋白基因绿僵菌的隔间中，每代蚊子数量有所减少，但是仍有足够数量能繁殖后代;而在含有转蜘蛛毒素基因绿僵菌的隔间中，蚊子的数量不断减少，最后只有13只蚊子成活，基本丧失继续繁殖种群的能力。重复三次，结果都类似。进一步研究发现，经过含蜘蛛毒素的转基因绿僵菌感染，雌蚊的产卵数量和质量、吸血欲望都急剧降低。另外，与只表达绿色荧光蛋白的转基因绿僵菌相比，含蜘蛛毒素的转基因绿僵菌感染期持续更长。这表明转基因绿僵菌释放的蜘蛛毒素对有杀虫剂抗性的疟蚊具有较强的杀伤力，能在短时间内消灭蚊子种群，有望开发出预防疟疾的新一代生物灭蚊农药。
研究人员希望下一步进行更大规模的野外试验，以进一步验证转基因绿僵菌的有效性和安全性。研究人员同时对转基因绿僵菌的应用抱有信心，因为绿僵菌已作为生物农药在许多非洲国家注册并广泛使用，而且转基因微生物作为生物农药已被美国和加拿大等国家批准用于农业用途。
研究人员在模拟野外环境的蚊帐隔间里观察蚊子的繁殖情况。(资料图/图)
友好型转基因蚊子推陈出新
与转基因不育蚊子相比，马里兰大学的研究人员认为转基因绿僵菌具有更加广谱的灭蚊效果，不过转基因不育蚊子也是一项值得关注的灭蚊新技术。目前国际上已培育出抗登革热、抗疟疾的转基因蚊子，其中要属英国牛津大学及其旗下Oxitec公司研究人员培育的抗登革热转基因埃及伊蚊最为成熟，最近更是推出了第二代友好型转基因蚊子。
埃及伊蚊能传播登革热病毒、寨卡病毒和黄热病毒等病毒，是危害最大的蚊子之一。2007年，牛津大学卢克·阿尔菲博士团队培育出第一代能有效控制野生蚊子数量的转基因雄性伊蚊。这种转基因伊蚊含有一种受四环素调控的自限性致死基因，即在实验室中，因为饲喂蚊子的食物含四环素，该致死基因受到四环素的抑制，不能合成毒素，转基因伊蚊得以正常繁育，但是在野外环境中，蚊子的食物中缺乏四环素，该致死基因则会慢慢产生毒素，将转基因伊蚊幼虫杀死。将在实验室培育的转基因雄蚊放飞到野外与野生雌蚊交配，可使其后代不断夭折，从而逐渐减少野外埃及伊蚊的种群数量。
随后，Oxitec公司在英属开曼群岛、巴西、哥伦比亚、印度、巴拿马等地开展了野外放飞试验，结果均表明这种转基因不育伊蚊能将试验区的野生伊蚊种群数量减少80%以上。巴西和美国等国家的政府机构也相继出具评估报告，认为Oxitec公司转基因伊蚊不会对人和环境产生安全风险，其中巴西成为世界上第一个批准转基因伊蚊进行商业化生产的国家，美国也计划在佛罗里达州开展转基因伊蚊的野外试验。
2018年5月，已被美国生物技术巨头Introxon公司以1.6亿美元收购的Oxitec公司正式推出第二代友好型转基因蚊子。与第一代转基因伊蚊相比，第二代转基因伊蚊引入性别控制技术，能自动区分雌雄，防止工作人员在人工辨别雌雄时被叮咬而染病，而且致死基因只在转基因雌蚊体内表达，导致转基因雌蚊幼虫无法长大成“蚊”，转基因雄蚊虽然含有致死基因，但不会合成毒素，从而能存活至成年，并能将致死基因传递给后代，当然转基因雄蚊会在与野生雌蚊交配后死亡。这样不用像第一代技术那样反复投放大量转基因雄蚊，从而大幅降低转基因雄蚊的生产和投放成本，同时也提高了转基因伊蚊灭蚊技术的可操作性。
最为重要的是，第二代转基因伊蚊在控制蚊子种群数量方面表现更为出色。据Oxitec公司网站2019年6月3日报道，经过巴西国家生物安全局批准，Oxitec公司已在巴西东南部城市坎布纳斯市的四个社区开展了为期一年的第二代转基因伊蚊野外放飞试验。与未释放转基因伊蚊的对照社区相比，在低密度释放第二代转基因伊蚊的实验区域里，野生伊蚊数量减少89%，而高密度释放区域则减少93%，最高可达96%，均优于第一代技术的野生伊蚊种群控制效果。另外，第二代技术发挥作用时间更短，第二代技术达到上述效果只需要一个月，而第一代技术则需要六个月。Oxitec公司计划在今后两年继续在巴西其它地区开展更多的野外试验，以评估第二代转基因伊蚊的安全性和控蚊效果。
值得一提的是，Oxitec公司开发的这种自限性转基因技术也已应用于其他农业害虫防治上，如危害蔬菜的小菜蛾、危害水果的斑点果蝇和地中海果蝇、危害大豆的尺蠖以及危害玉米、水稻等禾本科植物的草地贪夜蛾。据Oxitec公司研究人员最新公开发布的论文显示，该公司培育的转基因地中海果蝇能显著控制野生地中海果蝇数量，苹果也不再受地中海果蝇的侵害，显著提高了苹果品质，显示自限性转基因技术在农业害虫防治方面具有较高的应用价值。
草地贪夜蛾原产于美洲，2016年传播到非洲。据我国农业部数据，2019年1月在我国云南首次发现草地贪夜蛾，目前已肆虐我国18个省，尚缺乏有效的防控手段，可能对我国玉米等粮食生产造成巨大影响。2019年4月，Oxitec公司宣布将与英国牛津大学开展为期三年的合作，重点研发与转基因伊蚊类似的转基因草地贪夜蛾，以达到快速防控贪夜蛾灾情爆发的目的。
由此可见，转基因技术不仅能培育食用转基因农业动植物，而且还能用于农业害虫的防治，将对农业生产和人类健康产生积极影响。
南方周末特约撰稿 汤波
