佛蒙特大学 原产于落基山脉的科罗拉多马铃薯甲虫现在已经传播到世界上的许多地方，吞食马铃薯叶子，花费农民数百万美元——并且很快克服了扔在路上的大多数杀虫剂
一项新的UVM研究揭示了这些昆虫是如何快速变得有抵抗力的
信用:莉莉·夏皮罗 科罗拉多马铃薯甲虫是一种臭名昭著的害虫——也是一种不可阻挡的天才
现代杀虫剂时代始于19世纪60年代，当时中西部农民开始通过向甲虫喷洒一种叫做巴黎绿的含有砷酸铜的油漆来杀死它们
甲虫很快克服了这种毒素以及砷酸铅、汞滴滴涕和狄氏剂——以及超过50种其他杀虫剂
起初，任何新的化学物质都会杀死许多甲虫——但没有一种能持续很久
甲虫通常在几年内产生抵抗力，并在世界各地的农场和花园里愉快地啃食着大片的土豆
科学家对这种生物如何变戏法知之甚少
目前的进化理论，集中于脱氧核糖核酸，不足以解释农药抗性的快速发展
尽管甲虫表现出大量的遗传变异，但新的基因突变可能不会频繁出现，以至于让它们一次又一次地快速进化出对如此多种杀虫剂的抗性
但是现在，一项同类研究中的第一项研究戏剧性地向一个解释靠近
由教授领导的一组研究人员
佛蒙特大学的约兰达·琴指出，即使是小剂量的新烟碱类杀虫剂吡虫啉也能改变甲虫管理其基因的方式
新的研究表明，为了避开杀虫剂，甲虫可能不需要改变其潜在的遗传密码
相反，研究小组发现甲虫的反应是改变它们的基因调控，在一个叫做“脱氧核糖核酸甲基化”的过程中打开或关闭某些基因
“这些所谓的表观遗传变化使甲虫能够迅速增强生物防御机制——也许会使已经存在的让甲虫能够耐受在马铃薯植物中发现的各种毒素的基因超速运转
酶的激增或更快的排泄速度可能会让昆虫用它用来战胜某些天然植物防御的古老生化工具来阻止每一种新农药，而不是依赖关键基因随机突变的笨重进化过程，这将慢慢导致农药变得不那么有效
最重要的是，新的研究表明，这些变化——即使是由小剂量的杀虫剂引发的——也可以通过至少两代人传给后代
“我们在孙辈中发现了相同的脱氧核糖核酸甲基化模式
这令人惊讶，因为他们没有接触杀虫剂，”陈说
在其他几个昆虫物种中，暴露在杀虫剂下会改变脱氧核糖核酸甲基化
据观察，一些表观遗传的变化会传递给无性繁殖物种的后代——比如微小的甲壳类动物大型水蚤
“但长期以来，人们一直认为表观遗传学在有性生殖过程中重置，”这项新研究的主要作者克里斯蒂安·布雷维克(Kristian Brevik)说，他在陈的实验室完成了博士学位
“这些变化可以通过多轮有性生殖传递给后代昆虫——这是新的
" 这项研究发表在12月版的《进化应用》杂志上
离开跑步机？ 在过去的半个世纪里，农业研究人员和化学公司花费了数百万美元开发创新的化合物，试图杀死这种造成数亿美元损失的甲虫，但几乎所有的努力最终都失败了
“也许是时候摆脱试图引入越来越多有毒化学物质的农药跑步机了——认识到不管我们向它们扔什么，进化都会发生，”约兰达·琴说
“我们可以更具战略性地理解进化过程是如何工作的，并投资于更生态的方法，使农业更加可持续
" 进化中的革命 表观遗传学是一个日益热门的领域
基本上，它是研究环境压力——从饥饿到空气污染再到杀虫剂——如何在生物体的DNA上添加或移除化学标签——通过基因开关改变其健康和行为
1983年，DNA甲基化首次出现在人类癌症中，自21世纪初以来，生物学中的表观遗传学革命开始揭示环境变化是如何开启或关闭某些基因的，从而在不改变DNA的情况下导致生物体的深刻变化
众所周知，农业区的许多昆虫会产生抗药性；不仅仅是科罗拉多马铃薯甲虫
600多个物种对300多种杀虫剂产生了抗药性，世界各地有成千上万的报道
越来越多的研究表明，其中许多涉及表观遗传机制
在他们的实验中，UVM科学家和威斯康星大学的一位同事从佛蒙特州的有机农场收集了成年甲虫
他们将后代分开，用不同剂量的杀虫剂吡虫啉处理它们——一些高，一些低，一些类似于吡虫啉的毒性较低的化学物质——还有一些只是水
两代人之后，祖父母接受过任何程度杀虫剂处理的甲虫显示出整体甲基化水平下降——而暴露在水中的甲虫则没有
科学家发现甲基化变化的许多位点都与杀虫剂抗性相关的基因有关
所有杀虫剂处理的平行反应表明，“仅仅接触杀虫剂就能对甲虫的表观遗传产生持久的影响，”陈说
认为压力会改变一个特定的有机体是一回事，认为它通过压力或行为获得的身体特征会代代相传是另一回事
一个铁匠在一生的辛勤劳动中变得强壮，她不应该期望她的孩子也异常强壮
那么为什么一些压力会导致持久的变化呢？ 表观遗传学的基础仍然深陷争议之中，部分原因是它与基本上不可信的“后天特征遗传”理论联系在一起——这是一个可以追溯到阿里·斯托特尔的古老观点，与十九世纪法国博物学家让-巴蒂斯特·拉马克(Jean-Baptiste Lamarck)联系最紧密，他提出生物将被使用或废弃的特征传递给后代
尽管拉马克的想法以前被进化生物学家怀疑，表观遗传学革命清楚地表明，自然选择的进化不仅仅依赖于遗传密码中出现的随机有利突变
以在UVM研究的科罗拉多马铃薯甲虫为例，这项研究表明，杀虫剂可能会翻转一系列表观遗传开关，其中一些开关可以增加对毒素的现有防御能力——而脱氧核糖核酸甲基化的变化可以释放部分称为转座因子的脱氧核糖核酸
“这些元素也被称为‘跳跃基因’，与病毒关系最为密切，”大学植物与土壤科学系教授、冈德环境研究所研究员陈说
“由于它们对宿主基因组的有害影响，它们通常被DNA甲基化抑制
“但是新的研究表明，接触农药可能会让它们变得松散，从而产生更多与农药抗性相关的突变
简而言之，表观遗传学和遗传学之间的动态相互作用指向了对快速进化和农药抗性这一大部分无法解释的现实的解释
这些变化是如何通过多代性重组传递的仍然是个谜——但新的研究强烈表明它们确实如此
“关于人类如何更好地管理进化，我们还有很多东西要学，”陈说
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