甲虫正在摧毁美国玉米，科学家正试图攻击这种昆虫的基因

尽管名字如此，但派珀市，伊利诺伊州，并没有任何城市气息。它是一个农场小镇，天际线是谷物升降机，整洁的屋顶房屋网格，再远几条街，就是无尽的田野：玉米、大豆、玉米、大豆、玉米、玉米、玉米，完美平坦，完美方形，没有树木，没有奶牛，没有树篱，没有裸露的土地。2013 年 8 月下旬，一位名叫约瑟夫·斯宾塞的男子沿着一条玉米环绕的县道从派珀市向西北行驶，直到他的 GPS 建议他完全离开道路，转到一条砾石路。斯宾塞是一位研究农场昆虫的昆虫学家，他正在寻找一位名叫斯科特·怀利的农民。

在生长良好的年份，派珀市及其他地区的农作物玉米像装配线上滚下来的小部件一样标准化和可预测：植物的间距相同，高度相同。然而，怀利的玉米已经发展出一种个性。秸秆像鹅的脖子一样向后扭曲。斯宾塞用手腕一甩就可以从地上拉出一根；下面曾经白色的根部被啃食成棕色，像腐烂的牙齿一样。有些植物因自身重量而倾倒。空气中充满了谷粒大小的黄黑色条纹甲虫。它们在叶子上爬行、交配、排泄和啃食玉米须。斯宾塞不得不闭上嘴巴以防止昆虫进入。

这些甲虫是西部玉米根虫，正是它们的蠕虫状幼虫啃食了怀利的玉米根部，使其遭到破坏。怀利种植了 1000 英亩土地，他告诉斯宾塞，他已经尽了一切专家建议的措施来对抗这些昆虫。他每隔一年轮换玉米作物和大豆，以中断根虫的食物供应。他种植了转基因玉米种子，这些种子会释放一种有毒蛋白质，杀死饥饿的幼虫。但在那天田里，斯宾塞可以看到，这些方法——对抗这种害虫最成功和最广泛使用的策略——已经失败了。“我感到背脊发凉，”斯宾塞回忆道。“我想，‘就是这样了。最坏的情况。’”斯宾塞在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的伊利诺伊州自然历史调查局花了大部分职业生涯研究根虫行为。他知道，在他周围盘旋的昆虫不仅对怀利的作物构成威胁，而且对整个中西部玉米带也构成威胁。

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根虫——Diabrotica virgifera virgifera——是美国农业中最昂贵和最重要的害虫。它被称为“十亿美元的虫子”——但实际上，它可能每年给美国造成的损失接近 20 亿美元。这种甲虫的生命周期在玉米上度过，而玉米是美国迄今为止最大的农作物。它经常覆盖 8000 万英亩，有时甚至更多。该作物每年带来 500 亿美元的销售额。农民花费数亿美元购买化学品、种子和劳动力来对抗它。农业公司花费数亿美元开发产品来帮助他们这样做。

结果是一场进化军备竞赛：甲虫破坏农民的庄稼；种子公司创造一种产品来杀死它；甲虫进化出抵抗该产品的能力；玉米再次受到侵扰。然后，“恰好及时，白帽子好人骑马进城，”斯宾塞说，带着一种新的杀甲虫武器。在过去的十年里，首选武器是臭名昭著的转基因玉米植物，它会产生化学物质来杀死根虫幼虫。但斯宾塞在怀利的田地里看到，根虫正在获胜。

今天，农民和科学家将希望寄托在一种新的改良方法上——一种掺有特殊基因分子的玉米，这些分子在根虫细胞核内起作用，以关闭关键基因。这项新技术应该在本十年末之前进入田间。但环保主义者担心，基因改造可能会伤害瓢虫等有益昆虫。科学家和农民都知道，根虫进化出抵抗新玉米只是时间问题。“你无法阻止抗性，”斯宾塞说。“你只能减缓它。”

行为改变

斯宾塞在伊利诺伊州自然历史调查局的办公室里堆满了玉米相关的物品：玉米主题的标志、杯子、瓶子和他在 eBay 上买来的银器。他的同事们在那里称他为“玉米男孩”，尽管斯宾塞去年十月满 53 岁，但他确实带有一些孩子气，从他“丹尼斯惹麻烦”式的笑容到他对所有与玉米和根虫相关的事物的顽皮热情。（他办公椅上披着一件他自己制作的 T 恤：两只交配的根虫，标题是“我们喜欢观看。”）

他的使命诞生于灾难。1987 年，自然历史调查局的一位昆虫学家伊莱·莱文接到派珀市一家谷物升降机农艺师的电话，说他在与大豆轮作的玉米中看到了损害。科学家们认为这是不可能的。因为西部玉米根虫只以玉米为食并在那里产卵，所以农民可以通过每年轮换玉米和大豆田来简单地控制甲虫——当幼虫在第二年春天出现在大豆中时，它们无物可食。莱文开车前往派珀市寻找另一种解释。没有其他解释。“甲虫在大豆中产卵，”他说。

这并不是根虫第一次改变其行为。当昆虫学家约翰·劳伦斯·勒孔特于 1868 年首次在堪萨斯州撰写关于这种甲虫的文章时，它是一种来自中美洲的无害咀嚼昆虫，在西部大平原的低种群中发现。成年甲虫在初夏从地下出现，以玉米、南瓜和草原草为食，交配，在土壤缝隙中产卵，并在第一次霜冻前死亡。在春天，卵孵化成微小的白色蛆状幼虫，在地下以根为食，直到可以出现。

直到 1950 年代高效的中心枢轴灌溉出现，才使得玉米的连续大规模生产成为可能，根虫才从科罗拉多州和堪萨斯州向东蔓延，穿过已经转化为玉米田的草原土地。到 1964 年，当甲虫到达伊利诺伊州时，它们已经对农民用来抵御它们的许多杀虫剂产生了抗药性。在莱文访问派珀市之前的某个时候，一些突变雌性做了一些它们以前从未做过的事情：一些不安分的雌性飞入一片大豆田，发现它们的肠道可以忍受大豆叶子足够长的时间在那里产卵。第二年，它们的后代出现，享用了一顿玉米盛宴。这是一种极具优势的适应。甲虫找到了抵抗现代农药和现代耕作方法的方法。

1996 年，在伊利诺伊州和印第安纳州的种植者遭受了这些新型根虫造成的巨大损失之后——虫害非常严重，以至于芝加哥西尔斯大厦的擦窗工报告说，大量风媒甲虫袭击了他们的平台——调查局聘请斯宾塞来研究根虫令人不安的新行为。斯宾塞在洋葱蝇方面完成了他的研究生工作，他关于这种默默无闻的昆虫的演讲最多只吸引了几百人。然而，当他第一次就根虫发表演讲时，有超过 1500 名农民和研究人员参加了。人群鸦雀无声，全神贯注。“我当时想，‘哇，这是一种很酷的昆虫。人们关心它，’”他说。

靶向杀虫剂

随着抗药性甲虫继续从伊利诺伊州蔓延到爱荷华州、密歇根州、密苏里州、俄亥俄州、安大略省和威斯康星州，农民们发现自己陷入困境。他们的生计依赖于健康的玉米，他们觉得自己别无选择，只能用高浓度的有毒广谱杀虫剂浸泡一英亩又一英亩的种子。没有人——农民、昆虫学家，尤其是环境保护署——对此感到高兴。

这就是为什么，在 2003 年，当农业综合企业巨头孟山都公司推出一种经过基因改造的杂交玉米，可以产生一种杀死根虫的蛋白质时，农民们蜂拥而至将其投入田间。该公司（资助了斯宾塞的一些研究）已经生产出一种杂交玉米植物，其中添加了一种来自土壤细菌苏云金芽孢杆菌 (Bt) 的基因，这种基因对一种叫做欧洲玉米螟的蛾子有毒。该产品被证明非常有效：斯宾塞说，现在玉米螟很少，以至于他现在的研究生从未在实验室外见过这种蛾子。孟山都公司使用了一种不同的 Bt 菌株来改造新的抗根虫毒素，称为 Cry3Bb1，它与根虫幼虫的肠道结合，在蠕虫的消化道内壁上形成孔洞并杀死它们。

大约五年时间里，种植新型杀根虫种子的农民取得了与玉米螟相同的喜人结果。但在 2009 年，爱荷华州的农民开始再次看到损害，很快就清楚地表明，一些根虫种群已经产生了抗药性。事实上，怀利田地里的甲虫被证明对轮作和至少两种类型的 Bt 毒素都具有免疫力。斯宾塞说，它们是“周围最坏的根虫”。去年夏天，科学家们记录了对第三种毒素的抗药性；第四种毒素在田间坚持了下来，但实验室测试表明，一些种群对该毒素的敏感性也在降低。

由于抗药性似乎不可避免，斯宾塞正在更仔细地研究根虫的行为，希望弄清楚哪些根虫最有可能四处移动并传播麻烦的特性——并非所有昆虫都以相同的速度扩散。他说，这种知识可能有助于控制害虫，通过帮助农业公司设计和部署“下一件最好的东西，使其与昆虫的能力现实相符”。

去年七月一个潮湿的下午，他和一群学生助手前往“迷失 40 英亩”，这是一个位于自然历史调查局实验室附近的试验田，那里有四个黄色的 30 英尺高的脚手架耸立在田野上。斯宾塞拿起一个捕虫网和一个装满小瓶和干冰的冷却器，将它们钩在一个登山扣上，然后爬上一个脚手架。“我们上去吧！”他说，“去欣赏伊利诺伊州最好的景色！”三名助手前往其他三个平台——两个在玉米地里，另一个高耸于纵横交错的灯芯绒大豆地之上。其他学生则移动到田地之间条状地带的地面位置。“大家打开对讲机，”斯宾塞说。他是极客探险家：蒂莉帽、卡其色头巾、可拆卸裤子、秒表、老花镜、口袋里装着多支笔。他高高挥舞着他的网。“40 秒后，我们将开始 6:17 的采集，”他宣布。

团队计划进行八个采集期，每个采集期 10 分钟，在此期间他们将尽可能多地捕捉根虫。通过这样做，斯宾塞希望更好地了解“离开的种群和不离开的种群”——以及抵抗 Bt 玉米和轮作的甲虫是否更可能离开它们的家园。一些根虫是出色的长途旅行者。他说，一旦昆虫升到脚手架下方湍流空气层之上，“它们将走很长的路。”如果遇到雷暴的对流上升气流，它们可以迁移到 100 英里以外的地方。斯宾塞有旧照片，显示在一次这样的风暴之后，数十亿只根虫堆积在密歇根湖岸边，厚度达两到三英寸。

从上方看，玉米看起来像一支非常庞大的军乐队，戴着缨穗的帽子拥挤得难以置信——斯宾塞说，“密密麻麻的人群”。当他刚到伊利诺伊州时，他有时一分钟能捕捉到 15 只甲虫。“根虫像雪花一样飘落。”但在后 Bt 时代，甲虫种群数量一直很低，2015 年春季的洪水淹死了地里许多幼虫，进一步抑制了种群数量。那个夏天，他整个季节只抓到九只甲虫。他计算出，考虑到劳动力和材料成本，他的实验室每盎司根虫花费约 89,400 美元。这比黄金价格高出 80 多倍。（现在每年春天他都会给他的学生提供一个奖品：如果他们抓到本季第一只成年根虫，就奖励 10 美元金币。然后斯宾塞吃掉这只昆虫。“它们一点也不美味，”他说。翅鞘会卡在他的牙齿里。）

太阳在玉米丛林上方落下。斯宾塞在远处看到了什么。他穿过脚手架，身体向外倾斜越过护栏，上下挥舞着他的网。“哇呼！我抓到一只根虫了！”他仔细检查了网深处的甲虫——“我的心在狂跳！”——然后打开冷却器并将其速冻——“把它放进一个小瓶里，眨眼间！太棒了。”这是当晚团队将捕获的九只甲虫之一。

第二天，他和他的团队在实验室里解剖了这些昆虫，将每一只研磨成一小瓶“甲虫浆”，并测试它们的肠道内容物。脚手架周围的田地里种植着两种类型的玉米，每种玉米都经过基因改造，具有不同的 Bt 特性。斯宾塞将基因检测棒——看起来像验孕棒——浸入虫子冰沙中，“审问甲虫的消化系统”，以确定它们的肠道中含有哪些蛋白质，从而确定甲虫在前 24 小时内在哪里觅食。如果一只昆虫对他的田地里不存在的特性或两种不同的特性呈阳性反应，他就知道这只甲虫是“移动者”。该团队还在玉米田内设置帐篷，用“吸虫器”（改装后的车间吸尘器，看起来像《捉鬼敢死队》中的质子背包）吸走甲虫。如果这些甲虫来自种植杀根虫 Bt 玉米的田地，他就知道它们已经产生了抗药性。

斯宾塞戴上放大“书呆子护目镜”，并将一只幼虫放在显微镜下——它是一个微小的、摸索着的“新生儿”，长约两到三毫米，白色，刚孵化。正是在这个生命阶段，根虫找到了玉米根，并在玉米根上造成了数十亿美元的损害。“这个小东西，”他说，“是咆哮的蠕虫。”接下来，他将六只黄黑色成年甲虫放在显微镜下；它们在透明塑料笼子的侧面上下跑动。一只交配后的雌性甲虫将自己安置在一个角落里，那里有一根玉米须。一瞬间，她将细丝狼吞虎咽地吃光。她肿胀的油性腹部在进食时蠕动，泡沫蔓延到她的脸上。我敢说，这几乎有点可爱。但她的饥饿——她为生存和繁殖而不顾一切的进化动力——绝非如此。

基因攻击

当然，农业公司并没有放弃驯服这种饥饿感。孟山都、杜邦先锋、先正达和陶氏益农都销售杀死根虫的转基因种子，而且它们也随着昆虫对其产品的抗药性日益增强而不断发展。2009 年，他们开始将不同的针对根虫的 Bt 毒素组合到一种玉米植物中。这些“堆叠”产品提供了一种更有效的策略来延迟抗药性，从不同的角度发挥作用，就像多药“鸡尾酒”疗法控制人类艾滋病一样。在怀利 2013 年糟糕的夏天之后，他转而种植堆叠 Bt 玉米，现在他的甲虫得到了控制。但随着市场上四种特性中的三种失效，未来几年可能没有什么可以堆叠的了。“如果你有一种已经受到损害的特性，并将其与另一种效果良好的特性结合起来，”斯宾塞说，“它在功能上就像一种单药鸡尾酒”，在没有第二种有效特性的保护下，使良好的特性更容易产生抗药性。农民需要新的成分添加到鸡尾酒中。杜邦先锋的研究人员最近宣布发现了一种新的细菌基因，可以杀死根虫，但由于将一种新的转基因特性通过监管程序大约需要 12 年和 1.36 亿美元，因此它在短期内不会提供给农民。

然而，有一种新的成分可能会更快地加入鸡尾酒中。孟山都公司正在寻求监管部门批准一种玉米种子，该种子将两种较旧的 Bt 毒素与一种称为 RNA 干扰或 RNAi 的新技术结合起来。该技术使用靶向 RNA——普遍存在的分子，它传递遗传密码并帮助组装蛋白质——来关闭或降低特定基因。当根虫幼虫吃掉玉米时，在实验室中创建并掺入植物中的双链 RNA 片段与昆虫基因结合并干扰该基因，该基因产生对根虫细胞内废物储存和处理至关重要的蛋白质。没有这些蛋白质，昆虫就会死亡。

RNAi 特性已获得美国农业部和环境保护署的初步监管批准，孟山都公司希望最终的 Bt-RNAi 玉米种子能在本十年末之前获得 EPA 的批准。如果获得批准，这将是 RNA 干扰技术在玉米农业中的首次大规模应用。（孟山都公司目前拥有实验用途许可，可以在户外地块上测试该产品。）

这是一项很有前景的技术。传统的农药很像燃烧弹，摧毁预定目标，例如根虫，但在有益昆虫、水生生物、鸟类和哺乳动物中造成巨大的附带损害。相反，RNAi 的工作方式就像忍者，使用独特的合成遗传密码序列仅消灭其预定受害者，然后消失（RNA 在环境中迅速降解）。“它是理想的农药，”孟山都公司毒理学家斯蒂芬·莱文说。“它是特异性的。它能完成它应该做的事情。然后它就消失了。”

无论如何，这就是理论。然而，在 2012 年的一篇论文中，一个中国研究团队报告说，他们在食用这些植物的小鼠肝脏中发现了来自食用植物的 RNA 片段。RNA 影响了一种在人类中也发现的胆固醇调节基因。这种“跨界效应”令人惊讶，因为这些类型的 RNA 被认为无法在哺乳动物肠道的恶劣环境中存活；如果属实，结果引发了一种可能性，即植物中的 RNAi 可能会影响人类。2013 年在一次会议上发表的一项研究发现，为杀死根虫而创建的 RNA 也可能杀死瓢虫，这是一种人们喜爱的有益昆虫。同年，时任美国农业部北部中央农业研究实验室（位于南达科他州布鲁金斯）的昆虫学家乔纳森·伦德格伦发表了一篇论文，表明 RNAi 可能会以意想不到的方式影响非目标生物。他还说，美国农业部阻碍了他撰写的另一篇关于 RNAi 和蜜蜂基因组的论文的发表。伦德格伦此后辞职并提起联邦举报人诉讼。“我并不反对 RNAi，”他说，“但玉米产品的潜在暴露量太大了。”

食品安全中心的玛莎·克劳奇说，RNAi 是“新兴技术的混乱”的完美例子，这种技术似乎只承诺进步，直到“当意外和有害的事情发生时的糟糕时刻”——例如臭氧空洞、致癌儿童睡衣、老鼠大小的根虫。“存在，”伦德格伦补充说，“太多的知识空白。”

但许多科学家认为有充分的证据表明它是安全的。尽管有人努力这样做，但其他研究人员一直无法重现啮齿动物的发现。在考虑批准孟山都公司的 RNAi 转基因玉米植物时，EPA 专家组得出结论，“没有令人信服的证据”表明双链 RNA 以造成危害的形式被人或其他哺乳动物的肠道吸收。“它影响人类的几率是多少？基本上为零，”马萨诸塞大学医学院的分子生物学家克雷格·梅洛说，他于 1998 年共同发现了 RNAi，并因此发现于 2006 年获得了诺贝尔奖。孟山都公司毒理学家帕梅拉·巴赫曼补充说，RNAi 非常具有生物体特异性。根虫确实与其他昆虫共享一些基因序列，包括 2013 年研究中杀死瓢虫的基因序列。但孟山都公司的产品针对的是瓢虫或其他在玉米田中发现的有益昆虫不共享的序列。“序列很重要，”她说。

遏制

在派珀市郊外的大卫·马辛的 2300 英亩农场里，斯宾塞会见了一群玉米种植者，怀利也在其中。他们坐在一间看起来更像机库的谷仓里的一张桌子旁，谷仓的天花板高耸，可以容纳马辛令人印象深刻的农用机器收藏。

种植者戴着棒球帽、工作靴、T 恤。没有人的农场少于 1000 英亩，而且所有人都独自耕种自己的土地，只有一些家人和季节性帮助。即便如此，利润也很微薄。当 2012 年玉米价格接近每蒲式耳 7 美元时，伊利诺伊州北部的一位玉米种植者在支付种子、肥料、燃料、租金和作物处理费用后，每英亩可以净赚超过 300 美元。但玉米价格在 2015 年暴跌，种植者每种植一英亩土地就损失 65 美元。“你可以理解，”斯宾塞的退休同事迈克尔·格雷说，他也加入了斯宾塞在马辛谷仓的行列，“为什么生产者不愿意冒险使用根虫。”

就此而言，也不愿意使用其他生物。在去派珀市的路上，斯宾塞指着一架作物喷粉飞机，飞机上装载着“混合罐”的广谱杀菌剂和拟除虫菊酯杀虫剂，在田野上方俯冲和倾斜。在伊利诺伊州大多数农民耕种的玉米田中，你不太可能看到虫子。“对于一位昆虫学家来说，走进玉米田却看不到昆虫，这令人感到不安，”斯宾塞说。“地面是无菌的。这就是农民想要的。”

农民想要安全保障，无论是通过转基因种子交付，还是通过作物喷粉飞机从空中投放——即使正如斯宾塞所描述的那样，这种“保险心态”加速了化学品和抗药性的恶性循环。农民想要可预测性。曾经种植玉米、小麦、苜蓿、高粱和燕麦的种植者，现在又种植玉米和大豆，玉米和大豆。根虫在可预测性中茁壮成长。单一栽培使一位孤独的种植者可以轻松耕种 2000 英亩土地。但也使得根虫可以轻松摧毁这些英亩土地。“我们创造了这种害虫，”格雷说。“我们给了它美好的生活，”斯宾塞补充道。

在欧洲，根虫的生活并没有那么美好，这种昆虫在 1990 年代初出现在欧洲；它似乎是从芝加哥搭乘飞机前往塞尔维亚，并从那里蔓延开来。甲虫的跨大西洋之旅促使欧洲农民担心美国所见的同样程度的破坏。但欧洲的农场规模较小，其经营者种植的玉米较少，并且与更多种类的植物轮作。这种昆虫在农民连续种植玉米的地区造成了一些损害，但总体种群数量仍然受到控制。“根虫在欧洲不是问题，”德国哥廷根大学的研究员斯特凡·维达尔说，他帮助协调了欧盟资助的应对根虫入侵的行动。欧洲农民得出的结论是，多样性是最好的防御。

在美国玉米带，农民们感觉自己没有这种选择。他们规模太大，不能倒闭，被束缚在从地平线到地平线的规模经济以及技术投资中，这些投资使他们能够在美国高度专业化的商品市场中谋生：40 万美元的联合收割机、机库大小的谷仓、农药、转基因种子和双链 RNA。它已成为不断升级的银弹武库，这些银弹不可避免地会错过它们不断变化的目标。

根虫的大脑非常小，你几乎无法解剖它们。但进化有它自己的智慧。“这是一个我们一次又一次未能吸取的教训，”斯宾塞说。“自然选择永远会获胜。

披露：2014 年，诺德豪斯在一次环境会议上主持了由孟山都公司组织的关于蜜蜂的小组会议。孟山都公司支付了她的差旅费.