不起眼的細菌，主導了一場農業革命

07-03

在歐洲，麵粉是最主要的食品原材料，但是兩百多來，麵粉商人都為一種大肉蟲子而頭疼。它們是地中海粉螟的幼蟲，足有兩厘米大，悄咪咪地躲在儲存麵粉的倉庫里，毫無節制地吞噬著麵粉。它們在溫暖的麵粉倉庫和麵包房裡拚命繁殖，然後羽化，迅速交配留下下一代，然後死去——只需要7周就能繁殖一代，每一隻雌蟲都能產下將近600顆卵。

吃掉麵粉，留下死皮、屍體、排泄物，這些都沒所謂。對於麵粉商來說，真正的麻煩在於，在加工麵粉的時候，它們肥碩的身子跟著麵粉一起裝進機器，然後卡住零件，導致機器損壞或者工廠停工——在工業社會裡，影響生產這件事真的是最讓人頭疼的了。

別以為生產麵粉是個小生意，這是上世紀初的一座麵粉工廠。圖片：The book of wheat - an economic history and practical manual of the wheat industry (1908)

從1879年開始，這些昆蟲就開始困擾整個歐洲，令麵粉商人們束手無策。1927年，人類終於成功從死於非命的地中海粉螟幼蟲屍體上分離出了蘇雲金芽孢桿菌。這次成功，讓人類真正意識到了蘇雲金芽孢桿菌的重要作用，人類終於沒再像前幾次那樣，讓這種細菌從手指間溜走。

1000倍光學顯微鏡下，革蘭氏染色的蘇雲金芽孢桿菌。圖片：Dr. Sahay / wiki commons

差點被錯過的厚禮

19世紀末，日本人就和這種細菌打過交道了。那時候，日本的蠶養殖業面臨前所未有的巨大打擊——看上去健康的家蠶突然前半身抬起，停止繼續吃桑葉，胸部膨大，一邊痙攣一邊吐出液體，就好像隨時要有一隻異形破胸而出一樣。最長只要幾小時，這些蠶就全身麻痹一下子倒下死亡，死沒多久屍體就變得柔軟，迅速腐爛，體內流出大量的黑褐色液體。就算十分幸運沒死掉的蠶，發育也變得十分遲緩。一時間，日本的絲綢產業被蒙上了一層死亡的陰影。

19世紀20世紀之交的日本桑蠶養殖廠，工人正在給準備吐絲的蠶準備結繭場。圖片：Boston Public Library

1901年，細菌學家石渡繁胤從病死的家蠶體內分離出了一種棒狀的細菌，根據病症，他給這種細菌起了個名字，叫猝倒桿菌（Bacillus sotto）。沒人知道石渡繁胤為什麼地把這件事給放在一邊沒有繼續研究，他的發現也就再也沒人提起。

10年之後，德國微生物學家恩斯特·貝爾林納在德意志帝國圖林根地區重新發現了這種細菌。1915年，貝爾林納重新發表了這個物種，他用發現地命名了這個物種，把它叫做圖靈根芽胞桿菌（B.thuringiensis），一直沿用至今。

1915年，圖靈根地區最大城市埃爾富特的街景。圖片：Public domain / wiki commons

不過我很懷疑當年擬定這個物種中文名的人沒有意識到種加詞其實是個地名，於是就自顧自地按照thu-run-gien的英式讀音，把它擬成「蘇雲金芽胞桿菌」了。

然而不幸的是，儘管貝爾林納十分細緻地描述了蘇雲金芽孢桿菌，甚至指出這些芽孢桿菌內有許多蛋白質晶體結構——這些晶體就像規則的菱形一樣，被命名為伴孢晶體，然而，他居然把培養基弄丟了。這次事故導致這次蘇雲金芽孢桿菌再次被束諸高閣，一拖又是10年。

電子顯微鏡下的蘇雲金芽孢桿菌。圖A中的c對應的就是細胞內的晶體。圖片：Swiecicka I et al.(2008)Appl. Environ. Microbiol.74(4):923-930

安全的毒藥

隨著1927年取得的成功，人類對蘇雲金芽孢桿菌的研究終於進入了快車道。很快，人們就發現蘇雲金芽孢桿菌有很強的特異性——鱗翅目昆蟲被它們針對了。

那時候，美國森林裡的舞毒蛾正在肆虐，美國政府自然而然地就成了最早吃螃蟹的人，結果效果拔群。歐洲人一看，也開心地把這種細菌拿去商業化使用了。

羊血瓊脂培養基上的蘇雲金芽孢桿菌。圖片：PHIL / CDC / wiki commons

1938年，法國推出了第一款商業應用的蘇雲金芽孢桿菌農藥Sporine，這款農藥就是專門用來對付那些破壞麵粉產業的大肉蟲子的。用今天的眼光來看，這種農藥簡直可以用「簡陋」來形容，它不過就把蘇雲金芽孢桿菌溶進水裡而已。

雖然簡陋，但是好用，蘇雲金芽孢桿菌的水溶性製劑作為一種重要的農藥，一直到上世紀五十年代。和化學殺蟲劑相比，蘇雲金芽孢桿菌不僅容易降解，對除了鱗翅目昆蟲以外的其他動植物都近乎絕對的安全。直到今天，這東西被廣泛應用在轉基因技術上時，一些激進的「環保組織」也才勉強找到當「大劑量」，「長時間」地用蘇雲金芽孢桿菌蛋白餵食小鼠的時候，會有肝損傷的風險。

1998年，美國俄勒岡州，飛機正在針葉林上撒布蘇雲金芽孢桿菌，以應對蟲害。圖片：public domain

然而成也蕭何敗也蕭何，Bt蛋白的缺點也在容易降解這件事上。太陽大一點，紫外線一照，這些農藥里的活性成分就失效了。在更持久、更便宜的化學殺蟲劑面前，除了少數堅持所謂「綠色有機」，以期待獲取更高產品價格的農戶外，其他農戶基本都轉投化學殺蟲劑去了。

1956年，加拿大昆蟲病理學家托馬斯·安格斯首先發現，蘇雲金芽孢桿菌殺蟲的成分，就藏在貝爾林納發現那些伴孢晶體里。這些晶體其實都是蛋白質結晶，而組成這些晶體的蛋白質，安格斯給它們起了個好聽的名字：Bt toxin。

這個名字直譯過來就是「Bt毒素」，但現在一般都叫「Bt毒蛋白」或者「Bt蛋白」。這種蛋白質結構十分巧妙，巧妙到它本身無毒，所以把它稱呼為毒蛋白，實在是背了個天大的黑鍋。

電子顯微鏡下，蘇雲金芽孢桿菌內的Bt蛋白晶體。圖片：Jim Buckman / wiki commons

當然，雖說無毒，但是當它進入昆蟲體內以後，在鹼性的條件下，會被鱗翅目昆蟲消化道內特殊的酶激活，變成有毒的物質。激活後的有毒物質會破壞昆蟲腸道內細胞結構，最終導致腸穿孔、腸溶解，死狀十分慘痛。

然而在酸性條件下，Bt蛋白非常不穩定，當哺乳動物吃下這個東西以後，它們在胃部就會被水解得七七八八了。即使有極少量的Bt蛋白僥倖進入了鹼性條件的腸道里，哺乳動物缺乏昆蟲特有的把Bt蛋白轉化為有毒物質的酶，這讓這些蛋白質最終逃不過被消化或者被排出的命運。

基因工程武器的誕生

上世紀八十年代，對蘇雲金芽孢桿菌毒蛋白的研究已經非常成熟了，人們最終發現蘇雲金芽孢桿菌其實是一種具有大量亞種的生物，而每個亞種都有不同的特性，會產生不同的蛋白，可能針對不同的生物。

Bt蛋白的空間結構。圖片：Lucena WAet al. (2014)Toxins6(8):2393-2423

因為存在於晶體（crystal）中，因而這些蛋白又命名為Cry蛋白，譬如庫爾斯塔克亞種中分泌的最著名的Cry1Ab。隨著越來越多的菌種被檢測，從中發現的Cry蛋白們越來越多，殺蟲的範圍自然也就越來越廣，從最早的鱗翅目昆蟲專殺，擴大到後來的鞘翅目、雙翅目昆蟲，越來越多的農業害蟲遇到了對應的「武器」。

用來防治蚊蟲的商業化蘇雲金芽孢桿菌片。圖片：Claus Ableiter / wiki commons

由於這兩個家族的蛋白質都有個共同點：對目標見血封喉以，對其他幾乎所有生物都安全無害，這讓「安全而高效的抗蟲作物」這個概念顯得十分有誘惑力。1985年，比利時人開發出了世界上第一款轉基因抗蟲煙草，3年後，美國公司也成功研發出了第一批抗蟲棉。

上世紀90年代初，中國遭遇了一場異常嚴重的棉鈴蟲災：1992年，棉鈴蟲席捲而來，當年用掉了15萬噸殺蟲劑卻於事無補，用雷達監控蟲群的飛行路線，半路誘捕攔截，最終依然收效甚微。據保守估計，當年直接經濟損失至少有60億元，總體經濟損失達到百億級別。

危機之下，1995年，中國開始種植美國公司出產的轉基因棉花，1997年開始在華北種植，效果幾乎可以說是立竿見影，棉花產量逐漸恢復正常。今天，中國棉田裡的棉花，幾乎都是轉基因抗蟲棉。

即將迎來豐收的棉田。圖片：Kimberly Vardeman / wiki commons

當然，除了雪中送炭，轉基因抗蟲棉同時帶來了一個意想不到的額外收益——成本下降。抗蟲棉剛剛引入中國的時候，這個特性就已經表現出來了。抗蟲棉所需的農藥成本遠遠小於非轉基因棉，施用次數減少減少用工，並且同時增產——總體來說，技術的進步，給了人類極大的便利與經濟效益。

上升的雙旋梯

然而一個尷尬的現實是，在自然界，有了矛，不可避免的，就會產生盾。就像抗生素遭遇抗藥性一樣。

按照嚴格的種植規範，種植轉基因作物的同時，必須要種植一定數量的非轉基因、沒有抗蟲性的「庇護所」。它們不可避免的會被各種害蟲吃得千瘡百孔，但是它們的存在可以有效減少物種的選擇壓，防止抗藥性的過早出現。

昆蟲庇護所的作用在於讓更多沒有抗性的昆蟲成活下來。圖片：syngenta-us.com

然而在世界上很多欠發達地區和農業用地緊張地區，「機智」的農戶有意或者無意地選擇無視這一規定。看似是讓自己的土地產生了更高的收益，但是呢，越來越多的農業害蟲在極端的選擇壓下早早地產生了抗性，殺農戶和種子公司一個措手不及。

當然束手就擒也不是人類的性格，人們很快發現蘇雲金芽孢桿菌提供給人類的武器不僅僅只有Cry一族。科學家們在蘇雲金芽孢桿菌的以色列亞種中發現了另一種蛋白，它們與Cry蛋白不同，分布在細胞質（Cytoplasm）中而不是晶體里，因而被叫做Cyt蛋白。

Cyt蛋白非常特殊，雖然可以像Cry一樣結合昆蟲的腸道細胞細胞膜，把昆蟲的場子攪得一團糟，但是它和Cry家族蛋白沒有啥親緣關係，具體的作用機制也是不同的。

轉基因花生葉（左）和普通花生葉片對害蟲的抗性對比。圖片：Herb Pilcher, USDA ARS / wiki commons

Cyt蛋白的作用原理是和昆蟲細胞膜上的磷脂醯乙醇胺結合，不需要酶，簡單粗暴地直接溶解它們的細胞。要說toxin的話其實Cyt更合適一些。它們的選擇性是通過另外一個途徑實現的——雙翅目昆蟲的細胞膜上磷脂醯乙醇胺比例超過一半，因此很容易直接就被Cyt拆得千瘡百孔，而Cyt不能殺滅的鱗翅目昆蟲，以及我們脊椎動物的細胞膜里，佔優勢的卻是磷脂醯膽鹼——因此Cyt雖然偶爾能夠結合我們的細胞膜，但是對我們依然是安全的。

有了兩套「抗生素」，我們似乎有辦法對有抗性的害蟲們做些什麼了。就像在醫院裡，碰到一種具有抗性的細菌，只要一換藥，就可以重新洗牌。當然Cyt還是有短板的，面臨鱗翅目害蟲的無計可施，會直接影響它的使用範圍。