不起眼的细菌,主导了一场农业革命

在欧洲，面粉是最主要的食品原材料，但是两百多来，面粉商人都为一种大肉虫子而头疼。它们是地中海粉螟的幼虫，足有两厘米大，悄咪咪地躲在储存面粉的仓库里，毫无节制地吞噬着面粉。它们在温暖的面粉仓库和面包房里拼命繁殖，然后羽化，迅速交配留下下一代，然后死去——只需要7周就能繁殖一代，每一只雌虫都能产下将近600颗卵。

吃掉面粉，留下死皮、尸体、排泄物，这些都没所谓。对于面粉商来说，真正的麻烦在于，在加工面粉的时候，它们肥硕的身子跟着面粉一起装进机器，然后卡住零件，导致机器损坏或者工厂停工——在工业社会里，影响生产这件事真的是最让人头疼的了。

别以为生产面粉是个小生意，这是上世纪初的一座面粉工厂。图片：The book of wheat - an economic history and practical manual of the wheat industry (1908)

从1879年开始，这些昆虫就开始困扰整个欧洲，令面粉商人们束手无策。1927年，人类终于成功从死于非命的地中海粉螟幼虫尸体上分离出了苏云金芽孢杆菌。这次成功，让人类真正意识到了苏云金芽孢杆菌的重要作用，人类终于没再像前几次那样，让这种细菌从手指间溜走。

1000倍光学显微镜下，革兰氏染色的苏云金芽孢杆菌。图片：Dr. Sahay / wiki commons

19世纪末，日本人就和这种细菌打过交道了。那时候，日本的蚕养殖业面临前所未有的巨大打击——看上去健康的家蚕突然前半身抬起，停止继续吃桑叶，胸部膨大，一边痉挛一边吐出液体，就好像随时要有一只异形破胸而出一样。最长只要几小时，这些蚕就全身麻痹一下子倒下死亡，死没多久尸体就变得柔软，迅速腐烂，体内流出大量的黑褐色液体。就算十分幸运没死掉的蚕，发育也变得十分迟缓。一时间，日本的丝绸产业被蒙上了一层死亡的阴影。

19世纪20世纪之交的日本桑蚕养殖厂，工人正在给准备吐丝的蚕准备结茧场。图片：Boston Public Library

1901年，细菌学家石渡繁胤从病死的家蚕体内分离出了一种棒状的细菌，根据病症，他给这种细菌起了个名字，叫猝倒杆菌（Bacillus sotto）。没人知道石渡繁胤为什么地把这件事给放在一边没有继续研究，他的发现也就再也没人提起。

10年之后，德国微生物学家恩斯特·贝尔林纳在德意志帝国图林根地区重新发现了这种细菌。1915年，贝尔林纳重新发表了这个物种，他用发现地命名了这个物种，把它叫做图灵根芽胞杆菌（B. thuringiensis），一直沿用至今。

1915年，图灵根地区最大城市埃尔富特的街景。图片：Public domain / wiki commons

不过我很怀疑当年拟定这个物种中文名的人没有意识到种加词其实是个地名，于是就自顾自地按照thu-run-gien的英式读音，把它拟成“苏云金芽胞杆菌”了。

然而不幸的是，尽管贝尔林纳十分细致地描述了苏云金芽孢杆菌，甚至指出这些芽孢杆菌内有许多蛋白质晶体结构——这些晶体就像规则的菱形一样，被命名为伴孢晶体，然而，他居然把培养基弄丢了。这次事故导致这次苏云金芽孢杆菌再次被束诸高阁，一拖又是10年。

电子显微镜下的苏云金芽孢杆菌。图A中的c对应的就是细胞内的晶体。图片：Swiecicka I et al. (2008) Appl. Environ. Microbiol. 74(4):923-930

随着1927年取得的成功，人类对苏云金芽孢杆菌的研究终于进入了快车道。很快，人们就发现苏云金芽孢杆菌有很强的特异性——鳞翅目昆虫被它们针对了。

那时候，美国森林里的舞毒蛾正在肆虐，美国政府自然而然地就成了最早吃螃蟹的人，结果效果拔群。欧洲人一看，也开心地把这种细菌拿去商业化使用了。

羊血琼脂培养基上的苏云金芽孢杆菌。图片：PHIL / CDC / wiki commons

1938年，法国推出了第一款商业应用的苏云金芽孢杆菌农药Sporine，这款农药就是专门用来对付那些破坏面粉产业的大肉虫子的。用今天的眼光来看，这种农药简直可以用“简陋”来形容，它不过就把苏云金芽孢杆菌溶进水里而已。

虽然简陋，但是好用，苏云金芽孢杆菌的水溶性制剂作为一种重要的农药，一直到上世纪五十年代。和化学杀虫剂相比，苏云金芽孢杆菌不仅容易降解，对除了鳞翅目昆虫以外的其他动植物都近乎绝对的安全。直到今天，这东西被广泛应用在转基因技术上时，一些激进的“环保组织”也才勉强找到当“大剂量”，“长时间”地用苏云金芽孢杆菌蛋白喂食小鼠的时候，会有肝损伤的风险。

1998年，美国俄勒冈州，飞机正在针叶林上撒布苏云金芽孢杆菌，以应对虫害。图片：public domain

然而成也萧何败也萧何，Bt蛋白的缺点也在容易降解这件事上。太阳大一点，紫外线一照，这些农药里的活性成分就失效了。在更持久、更便宜的化学杀虫剂面前，除了少数坚持所谓“绿色有机”，以期待获取更高产品价格的农户外，其他农户基本都转投化学杀虫剂去了。

1956年，加拿大昆虫病理学家托马斯·安格斯首先发现，苏云金芽孢杆菌杀虫的成分，就藏在贝尔林纳发现那些伴孢晶体里。这些晶体其实都是蛋白质结晶，而组成这些晶体的蛋白质，安格斯给它们起了个好听的名字：Bt toxin。

这个名字直译过来就是“Bt毒素”，但现在一般都叫“Bt毒蛋白”或者“Bt蛋白”。这种蛋白质结构十分巧妙，巧妙到它本身无毒，所以把它称呼为毒蛋白，实在是背了个天大的黑锅。

电子显微镜下，苏云金芽孢杆菌内的Bt蛋白晶体。图片：Jim Buckman / wiki commons

当然，虽说无毒，但是当它进入昆虫体内以后，在碱性的条件下，会被鳞翅目昆虫消化道内特殊的酶激活，变成有毒的物质。激活后的有毒物质会破坏昆虫肠道内细胞结构，最终导致肠穿孔、肠溶解，死状十分惨痛。

然而在酸性条件下，Bt蛋白非常不稳定，当哺乳动物吃下这个东西以后，它们在胃部就会被水解得七七八八了。即使有极少量的Bt蛋白侥幸进入了碱性条件的肠道里，哺乳动物缺乏昆虫特有的把Bt蛋白转化为有毒物质的酶，这让这些蛋白质最终逃不过被消化或者被排出的命运。

上世纪八十年代，对苏云金芽孢杆菌毒蛋白的研究已经非常成熟了，人们最终发现苏云金芽孢杆菌其实是一种具有大量亚种的生物，而每个亚种都有不同的特性，会产生不同的蛋白，可能针对不同的生物。

Bt蛋白的空间结构。图片：Lucena WA et al. (2014) Toxins 6(8):2393-2423

因为存在于晶体（crystal）中，因而这些蛋白又命名为Cry蛋白，譬如库尔斯塔克亚种中分泌的最著名的Cry1Ab。随着越来越多的菌种被检测，从中发现的Cry蛋白们越来越多，杀虫的范围自然也就越来越广，从最早的鳞翅目昆虫专杀，扩大到后来的鞘翅目、双翅目昆虫，越来越多的农业害虫遇到了对应的“武器”。

用来防治蚊虫的商业化苏云金芽孢杆菌片。图片：Claus Ableiter / wiki commons

由于这两个家族的蛋白质都有个共同点：对目标见血封喉以，对其他几乎所有生物都安全无害，这让“安全而高效的抗虫作物”这个概念显得十分有诱惑力。1985年，比利时人开发出了世界上第一款转基因抗虫烟草，3年后，美国公司也成功研发出了第一批抗虫棉。

上世纪90年代初，中国遭遇了一场异常严重的棉铃虫灾：1992年，棉铃虫席卷而来，当年用掉了15万吨杀虫剂却于事无补，用雷达监控虫群的飞行路线，半路诱捕拦截，最终依然收效甚微。据保守估计，当年直接经济损失至少有60亿元，总体经济损失达到百亿级别。

危机之下，1995年，中国开始种植美国公司出产的转基因棉花，1997年开始在华北种植，效果几乎可以说是立竿见影，棉花产量逐渐恢复正常。今天，中国棉田里的棉花，几乎都是转基因抗虫棉。

即将迎来丰收的棉田。图片：Kimberly Vardeman / wiki commons

当然，除了雪中送炭，转基因抗虫棉同时带来了一个意想不到的额外收益——成本下降。抗虫棉刚刚引入中国的时候，这个特性就已经表现出来了。抗虫棉所需的农药成本远远小于非转基因棉，施用次数减少减少用工，并且同时增产——总体来说，技术的进步，给了人类极大的便利与经济效益。

然而一个尴尬的现实是，在自然界，有了矛，不可避免的，就会产生盾。就像抗生素遭遇抗药性一样。

按照严格的种植规范，种植转基因作物的同时，必须要种植一定数量的非转基因、没有抗虫性的“庇护所”。它们不可避免的会被各种害虫吃得千疮百孔，但是它们的存在可以有效减少物种的选择压，防止抗药性的过早出现。

昆虫庇护所的作用在于让更多没有抗性的昆虫成活下来。图片：syngenta-us.com

然而在世界上很多欠发达地区和农业用地紧张地区，“机智”的农户有意或者无意地选择无视这一规定。看似是让自己的土地产生了更高的收益，但是呢，越来越多的农业害虫在极端的选择压下早早地产生了抗性，杀农户和种子公司一个措手不及。

当然束手就擒也不是人类的性格，人们很快发现苏云金芽孢杆菌提供给人类的武器不仅仅只有Cry一族。科学家们在苏云金芽孢杆菌的以色列亚种中发现了另一种蛋白，它们与Cry蛋白不同，分布在细胞质（Cytoplasm）中而不是晶体里，因而被叫做Cyt蛋白。

Cyt蛋白非常特殊，虽然可以像Cry一样结合昆虫的肠道细胞细胞膜，把昆虫的场子搅得一团糟，但是它和Cry家族蛋白没有啥亲缘关系，具体的作用机制也是不同的。

转基因花生叶（左）和普通花生叶片对害虫的抗性对比。图片：Herb Pilcher, USDA ARS / wiki commons

Cyt蛋白的作用原理是和昆虫细胞膜上的磷脂酰乙醇胺结合，不需要酶，简单粗暴地直接溶解它们的细胞。要说toxin的话其实Cyt更合适一些。它们的选择性是通过另外一个途径实现的——双翅目昆虫的细胞膜上磷脂酰乙醇胺比例超过一半，因此很容易直接就被Cyt拆得千疮百孔，而Cyt不能杀灭的鳞翅目昆虫，以及我们脊椎动物的细胞膜里，占优势的却是磷脂酰胆碱——因此Cyt虽然偶尔能够结合我们的细胞膜，但是对我们依然是安全的。

有了两套“抗生素”，我们似乎有办法对有抗性的害虫们做些什么了。就像在医院里，碰到一种具有抗性的细菌，只要一换药，就可以重新洗牌。当然Cyt还是有短板的，面临鳞翅目害虫的无计可施，会直接影响它的使用范围。

美国俄亥俄州的转基因玉米实验田。图片：Lindsay Eyink / wiki commons

另外，通过两种不同的抗性作物来减少抗性害虫的产生，也会有相应的复杂流程存在，没有办法阻挡“机智”的农户和“机智”的种子公司将其串联滥用，导致一批抗Cry抗Cyt的“超级害虫”的诞生。

现在，在寻找新的Cry，Cyt们上，种子公司似乎也遇到了瓶颈，面对可能会出现的“超级害虫”，转基因作物似乎难说大有可为。

我们有的时候觉得自己征服了自然，但是在与大自然角力这件事情上，我们仍有很长的路要走呢。

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芽胞杆菌科 枯草芽孢杆菌

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