植物病媒昆蟲的翅型分化

俞金婷, 陳小芳, 任應(yīng)黨, 崔 峰,*

(1. 中國科學(xué)院動(dòng)物研究所, 農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101;2. 中國科學(xué)院大學(xué)生物互作卓越創(chuàng)新中心, 北京 100049; 3. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所, 鄭州 450002)

非遺傳多型性(polyphenism)是指具有相同基因型的生物體表現(xiàn)出兩種或兩種以上不同的表型(Simpsonetal., 2011)。這種現(xiàn)象在昆蟲中普遍存在，如東亞飛蝗Locustamigratoria的群居型和散居型，東方蜜蜂Apiscerana、螞蟻(Formicidae)等的社會(huì)等級分化，豌豆蚜Acyrthosiphonpisum、飛虱(Delphacidae)等的翅多型(wing polymorphism)以及蝴蝶(Rhopalocera)翅圖案的多型性等。其中翅多型現(xiàn)象在等翅目(Isoptera)[如白蟻(Termitidae)分為長翅型、短翅型和無翅型]、纓翅目(Thysanoptera)[如薊馬(Thripidae)分為有翅型和無翅型]、半翅目(Hemiptera)(如豌豆蚜A.pisum分為有翅型和無翅型)、膜翅目(Hymenoptera)(如螞蟻分為有翅型和無翅型)及直翅目(Orthoptera)[如蟋蟀(Gryllidae)分為長翅型和短翅型]等多個(gè)目的昆蟲中均存在，主要有不具飛行能力的短翅型或無翅型，以及可以進(jìn)行長距離遷飛的長翅型或有翅型(薛憲詞和于黎, 2017)。通常短翅型或無翅型屬于定居型，其繁殖能力更強(qiáng)，發(fā)育速度較快；而長翅型或有翅型屬于遷飛型，可以在環(huán)境不利的條件下向外遷飛。

媒介昆蟲作為一類可以攜帶病原并將其傳播給宿主的昆蟲，既可傳播人類病原，如中華按蚊Anophelessinensis和埃及伊蚊Aedesaegypti等，也可傳播植物病原，如飛虱和薊馬等。翅多型現(xiàn)象多發(fā)生在植病媒介昆蟲中，目前對植病媒介昆蟲翅多型分化的研究主要集中在半翅目的蚜蟲和飛虱中。蚜蟲種類繁多，分布在世界各地，可傳播植物病毒，如大麥黃矮病毒(barley yellow dwarf virus, BYDV)和黃瓜花葉病毒(cucumber mosaic virus, CMV)等，對農(nóng)作物造成極其嚴(yán)重的危害；褐飛虱Nilaparvatalugens、白背飛虱Sogatellafurcifera和灰飛虱Laodelphaxstriatellus3種稻飛虱以取食水稻汁液為生，同時(shí)還可以傳播水稻條紋病毒(rice stripe virus, RSV)和水稻黑條矮縮病毒(rice black-streaked dwarf virus, SRBSDV)等多種病毒，使水稻產(chǎn)量下降；玉米蠟蟬Peregrinusmaidis可以傳播玉米花葉病毒(maize mosaic virus, MMV)，會(huì)危害玉米高粱等作物(Fanetal., 2015; 趙婉等, 2017; Yaoetal., 2019)。翅型與飛行能力的關(guān)系使其對植物病害的時(shí)空分布與暴發(fā)有著至關(guān)重要的影響，故研究媒介昆蟲的翅型分化機(jī)制可為控制蟲媒病原的傳播提供理論基礎(chǔ)。本文將對傳播植物病毒的半翅目昆蟲的翅型分化研究進(jìn)行綜述，剖析翅型的遺傳分化規(guī)律、誘導(dǎo)因素、分子機(jī)制以及伴隨翅型分化的其他生理表現(xiàn)，以期對其他昆蟲翅多型機(jī)制的研究提供參考。

1 翅型分化的遺傳規(guī)律

對于昆蟲翅型分化的遺傳規(guī)律已有不少推測，一些學(xué)者認(rèn)為雄性翅多型是由遺傳控制的，而雌性翅多型則受環(huán)境影響較多。如雄性豌豆蚜A.pisum的翅型分化是由X染色體上的一對等位基因控制的，而孤雌生殖的雌性蚜蟲則是由環(huán)境決定(Braendleetal., 2005; 王小藝等, 2015)。另一些學(xué)者認(rèn)為，翅型是由多個(gè)基因共同調(diào)控的，認(rèn)為褐飛虱的翅二型是由位于常染色體上的兩個(gè)基因和位于X染色體上的兩個(gè)基因共同調(diào)控，灰飛虱同樣不只受環(huán)境控制，同時(shí)也與遺傳有關(guān)，由多個(gè)基因控制(王小藝等, 2015)。對此彭娟等(2012)通過特定篩選條件，對褐飛虱、白背飛虱和灰飛虱進(jìn)行了翅型分化的遺傳分析，認(rèn)為褐飛虱的翅型分化可能符合一對等位基因控制的從性遺傳規(guī)律，且基因顯隱性在雌雄間表現(xiàn)不同，雌蟲短翅型為顯性，長翅型為隱性，而雄蟲則剛好相反。白背飛虱與灰飛虱類似，可能是由兩對等位基因控制的，其中一對位于性染色體上，控制雄蟲的翅型，長翅型為顯性，短翅型為隱性；另一對則是在常染色體上，控制著雌性翅型，短翅型是顯性，長翅型為隱性。

2 翅型分化的誘導(dǎo)因素

影響翅型分化的因素有很多，既包括溫度、濕度和光周期等在內(nèi)的非生物因素，又包括蟲口密度、宿主營養(yǎng)、病毒等在內(nèi)的多種生物因素。高溫有利于長翅型形成，而短日照和較高的濕度以及低溫處理(-6～2℃)則有利于短翅型形成(張?jiān)鋈? 1983; 安志芳等, 2011)。目前有關(guān)這些非生物因素對翅型分化的影響還僅限于表型鑒定，其背后的機(jī)制尚不清楚，有待于進(jìn)一步深入研究。

而生物因素對翅型分化的影響，研究相對深入。增加飼養(yǎng)密度或提高植物中的葡萄糖濃度會(huì)顯著提高褐飛虱雌蟲的長翅型比例，但對雄蟲的影響比較小(Linetal., 2018)。此外報(bào)警信息素(E-β-farnesene, EBF)也會(huì)使后代有翅型蚜蟲的比例增加(Kunertetal., 2005; Fanetal., 2015)。蟲媒病毒對翅型分化的影響較為復(fù)雜，不同的病毒對翅型的影響不一致。一些學(xué)者認(rèn)為，病毒是通過植株的生理?xiàng)l件來調(diào)控蚜蟲的翅型分化，比如用感染大麥黃矮病毒的燕麥飼喂麥長管蚜Sitobionavenae比用健康的植株飼喂會(huì)產(chǎn)生更多的有翅蚜蟲，但是用感染病毒的老植株飼喂與未感染的老植株飼喂相比則沒有差異，均會(huì)產(chǎn)生較高比例的有翅蚜蟲(Fanetal., 2015)。還有學(xué)者提出病毒調(diào)控蚜蟲翅型是由植物防御反應(yīng)造成的，如當(dāng)黃瓜花葉病毒(CMV)滴度增加到一定水平時(shí)，植物的SA防御信號(hào)通路被誘導(dǎo)，有翅桃蚜Myzuspersicae比例增加，CMV可以隨著有翅蚜蟲的遷移而得到傳播(Shietal., 2016)。

3 翅型分化的分子機(jī)制

調(diào)控昆蟲翅型分化的因素多種多樣，其內(nèi)在的分子機(jī)制大都指向胰島素/胰島素樣生長因子信號(hào)傳導(dǎo)(insulin/insulin-like growth factor signaling, IIS)通路(Xuetal., 2015; Linetal., 2016b, 2018; Zhuoetal., 2017; Gaoetal., 2019; Yeetal., 2019)。此外，c-Jun氨基末端激酶(c-Jun NH2-terminal kinase, JNK)信號(hào)通路(Linetal., 2016a)，Wingless(Yuetal., 2014)和嗅覺受體SaveOrco(Fanetal., 2015)也參與翅型分化的調(diào)控。

3.1 IIS通路

目前關(guān)于昆蟲翅型分化的調(diào)控機(jī)制研究最為透徹的是胰島素信號(hào)通路調(diào)控褐飛虱的翅型分化(Xuetal., 2015)。在褐飛虱體內(nèi)，胰島素受體1(insulin receptor 1, InR1)具有典型的胰島素受體功能，而胰島素受體2(insulin receptor 2, InR2)則是反式調(diào)節(jié)因子。當(dāng)InR2表達(dá)量低時(shí)，胰島素與InR1結(jié)合，使后者自磷酸化，信號(hào)經(jīng)蛋白激酶B(PKB/Akt)傳遞至轉(zhuǎn)錄因子FoxO，使其磷酸化，磷酸化的FoxO滯留在細(xì)胞質(zhì)中，不能進(jìn)入細(xì)胞核發(fā)揮轉(zhuǎn)錄因子活性，使褐飛虱發(fā)育為長翅型；相反，當(dāng)InR2表達(dá)量高時(shí)，InR2可以和InR1結(jié)合形成異源二聚體，胰島素信號(hào)無法傳遞，未被磷酸化的FoxO會(huì)進(jìn)入細(xì)胞核，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄因子的活性，使褐飛虱發(fā)育為短翅型。該通路在雌雄褐飛虱體內(nèi)均發(fā)揮調(diào)控翅型分化的功能。

近來有研究(Yeetal., 2019)發(fā)現(xiàn)，短翅型褐飛虱體內(nèi)含量豐富的microRNA-miR-34，通過靶向InR1基因3′UTR區(qū)的兩個(gè)位點(diǎn)來抑制InR1的轉(zhuǎn)錄。在短翅型褐飛虱中注射antagomir-34來抑制miR-34的表達(dá)，會(huì)誘導(dǎo)更多的長翅型褐飛虱。此外，miR-34的啟動(dòng)子區(qū)域中存在一個(gè)Broad Complex(Br-C)的順式調(diào)控元件，其表達(dá)可被Br-C抑制，而Br-C可由20-羥基蛻皮酮(20-hydroxyecdysone, 20E)誘導(dǎo)產(chǎn)生，暗示20E可能參與翅型調(diào)控。然而，施加20E的確下調(diào)了miR-34的表達(dá)，卻沒有改變翅型，因此20E是否參與翅型調(diào)控仍有待于進(jìn)一步確認(rèn)。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)保幼激素(juvenile hormone, JH)的施加上調(diào)了miR-34的表達(dá)且誘導(dǎo)更多的短翅型褐飛虱，這合理解釋了前期研究中JH調(diào)控蚜蟲和褐飛虱的翅型分化現(xiàn)象(Ayoadeetal., 1999; 張瓊秀等, 2008; Ishikawaetal., 2013; Zhaoetal., 2017)。此外，敲除IIS通路的基因會(huì)改變JH滴度和miR-34的豐度。研究者推測microRNA可能通過介導(dǎo)JH、20E和胰島素信號(hào)通路之間的交叉會(huì)話控制褐飛虱的翅型分化(Yeetal., 2019)。

Transformer-2(Tra-2)參與了黑腹果蠅Drosophilamelanogaster早期的性別決定(Amreinetal., 1988; McGuffinetal., 1998; Salveminietal., 2009; Zhuoetal., 2017)，而在褐飛虱中Tra-2可以以雌性特異的方式影響翅型分化(Zhuoetal., 2017)。用Tra-2的雙鏈RNA(dsTra-2)干擾幼蟲的Tra-2基因表達(dá)，雌性成蟲均為長翅型，而對照組雌性成蟲均為短翅型；檢測干擾Tra-2后褐飛虱翅芽中FoxO和Akt的轉(zhuǎn)錄水平，發(fā)現(xiàn)分別被下調(diào)和上調(diào)，且FoxO在蛋白水平未被檢測到，表明FoxO可能在胰島素和性別決定通路的交叉會(huì)話中起著至關(guān)重要的作用；進(jìn)一步將Tra-2基因分別與InR1和Akt進(jìn)行雙干擾，發(fā)現(xiàn)dsInR1和dsAkt均可以抑制dsTra-2對雌蟲翅型的影響，使之發(fā)育成短翅型，表明Tra-2通過胰島素途徑影響雌性后代的翅型(Zhuoetal., 2017)。研究者認(rèn)為在胚胎期Tra-2介導(dǎo)的性別分化和翅二型之間存在著一種相互作用(Zhuoetal., 2017)。

物理損傷(去除翅芽、翅芽劃傷、腹部機(jī)械注射等)會(huì)引起褐飛虱短翅型比例顯著增加，翅芽損傷后的褐飛虱體內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子FoxO及其靶基因4E-BP的轉(zhuǎn)錄水平顯著上調(diào)，而干擾4E-BP并沒有像干擾FoxO一樣顯著上調(diào)長翅型比例，故認(rèn)為物理損傷是通過誘導(dǎo)FoxO信號(hào)通路來調(diào)控短翅型形成，而4E-BP并不是翅型調(diào)控的靶基因(Linetal., 2016b)。

宿主營養(yǎng)是控制昆蟲翅型分化的重要因素(Linetal., 2018)，葡萄糖代謝對長翅型的發(fā)育至關(guān)重要。提高植物中的葡萄糖濃度會(huì)顯著提高褐飛虱雌蟲長翅型率，且隨著幼苗體內(nèi)葡萄糖水平的提高，褐飛虱體內(nèi)InR1和InR2的轉(zhuǎn)錄都顯著增加。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，InR1調(diào)控褐飛虱翅型與幼苗中葡萄糖的濃度以及蟲口密度相關(guān)：高蟲口密度時(shí)，無論葡萄糖濃度高低，干擾InR1對翅型無影響；正常葡萄糖濃度的幼苗和低蟲口密度時(shí)，干擾InR1可以顯著提高雌蟲短翅型比例；高濃度葡萄糖的幼苗和低蟲口密度時(shí)，干擾InR1對翅型無影響。故研究者認(rèn)為可能存在一種不同于胰島素信號(hào)通路的途徑，或者至少是一種不同于InR1的受體，調(diào)節(jié)褐飛虱對高濃度葡萄糖的反應(yīng)。

IIS通路也是飛虱家族中的一個(gè)保守翅型調(diào)控機(jī)制，在灰飛虱和白背飛虱中均適用(Xuetal., 2015; Gaoetal., 2019)。Gao等(2019)為白背飛虱翅二型相關(guān)基因構(gòu)建了一個(gè)完整的基因相互作用網(wǎng)絡(luò)。通過加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA)，發(fā)現(xiàn)有45個(gè)差異表達(dá)的基因是潛在的胰島素通路介導(dǎo)的翅二型相關(guān)基因(insulin pathway mediated wing dimorphism related genes, IWDRGs)，其中有11個(gè)被預(yù)測為FoxO的靶基因；對其中最有可能的5個(gè)(vegfr1,rack1,eif3m,grwd1和nop2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)grwd1,eif3m和rack1為FoxO靶基因；而在3齡若蟲時(shí)對這5個(gè)基因進(jìn)行單干擾，干擾vegfr1只特異上調(diào)雌性短翅型率而對雄蟲無顯著影響，另外4個(gè)基因的敲除均會(huì)導(dǎo)致其雄性和雌性的短翅型率顯著上升，與FoxO基因敲除效果一致(Gaoetal., 2019)。這些結(jié)果表明，加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析在尋找調(diào)控翅型基因方面具有強(qiáng)大潛力。

3.2 JNK信號(hào)通路

JNK信號(hào)通路在昆蟲翅型分化中也起到了重要的調(diào)控作用(Linetal., 2016a)。JNK是有絲分裂原激活蛋白質(zhì)激酶家族(MAPK)的一個(gè)成員，可以磷酸化多種下游基因如Jun和Fos，介導(dǎo)對各種環(huán)境的應(yīng)激反應(yīng)(Davis, 2000; Wangetal., 2003; Keshet and Seger, 2010)。Lin等(2016a)研究發(fā)現(xiàn)給褐飛虱注射dsJNK或者JNK的抑制劑CC-401，短翅型雌蟲比例顯著上調(diào)，雄蟲沒有變化。分別干擾Jun或Fos時(shí)褐飛虱雌雄翅型均沒有變化；將Jun或Fos與JNK進(jìn)行雙干擾時(shí)，發(fā)現(xiàn)其翅型表現(xiàn)與單干擾JNK時(shí)一致，說明JNK調(diào)控褐飛虱雌蟲的翅型分化并不是通過Jun和Fos這一通路。將JNK與FoxO進(jìn)行雙干擾，褐飛虱的短翅型率下降，但并沒有達(dá)到單干擾FoxO時(shí)的下降程度，說明FoxO也不是JNK調(diào)控翅型分化的下游基因，暗示了JNK是調(diào)控褐飛虱翅型的另一條不同的通路。

3.3 Wingless和嗅覺受體SaveOrco

Wingless基因也參與了翅型分化的調(diào)控(Yuetal., 2014)。Yu等(2014)給白背飛虱飼喂Wingless基因的雙鏈RNA對其進(jìn)行干擾，發(fā)現(xiàn)該基因被干擾后，該蟲前翅和后翅的長度明顯縮短，但仍比短翅型的要長，且會(huì)產(chǎn)出變形的翅，說明Wingless對翅型的正常發(fā)育起到很重要的作用。此外Fan等(2015)發(fā)現(xiàn)嗅覺受體SaveOrco是調(diào)控EBF所引發(fā)的麥長管蚜有翅蚜比例增加的關(guān)鍵因子，當(dāng)SaveOrco被干擾時(shí)，EBF不再誘導(dǎo)有翅蚜產(chǎn)生。

4 伴隨翅型分化的其他生理表現(xiàn)

翅多型是昆蟲適應(yīng)外界環(huán)境的主要策略之一，伴隨著翅型分化，昆蟲的飛行能力和繁殖能力在兩種翅型中存有顯著差異。Zhang等(2010)比較了褐飛虱長翅型雌蟲(macropterous female adult, MFA)和短翅型雌蟲(brachypterous female adult, BFA)轉(zhuǎn)錄組表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)短翅型雌蟲中卵黃蛋白原表達(dá)量顯著高于長翅型雌蟲，而長翅型雌蟲中與肌肉細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)相關(guān)的基因flightin,TnC,TPM1,titin,myosinheavychain(MHC)和laminin-a2(LN-a2)則具有更高的拷貝數(shù)。Gao等(2019)比較了白背飛虱長翅型雌蟲和短翅型雌蟲轉(zhuǎn)錄組表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)長翅型雌蟲比短翅型雌蟲最顯著上調(diào)的10個(gè)基因中，4個(gè)是飛行肌結(jié)構(gòu)成分基因，包括flightin，pdlim7和兩個(gè)同源的TnC基因。值得注意的是Flightin和TnC在褐飛虱和豌豆蚜A.pisum長翅型個(gè)體中也有較高的表達(dá)。這些結(jié)果表明，長翅型雌蟲比短翅型雌蟲具有更豐富的飛行肌結(jié)構(gòu)成分。

可變性剪接是促進(jìn)表型可塑性的重要機(jī)制之一。Gao等(2019)發(fā)現(xiàn)長短翅型白背飛虱的肌鈣蛋白Ⅰ具有可變剪接，白背飛虱的肌鈣蛋白Ⅰ有13個(gè)外顯子，這13個(gè)外顯子在長翅型雌蟲中均被剪接成長亞型肌鈣蛋白Ⅰ；而在短翅型雌蟲中，由前9個(gè)外顯子組成的短亞型肌鈣蛋白Ⅰ是主要的存在形式。盡管這兩種不同長度的肌鈣蛋白Ⅰ是否能增強(qiáng)兩種翅型的不同功能還有待研究，但顯然可變性剪接事件在雌性白背飛虱翅型分化的飛行肌肉發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。

5 小結(jié)與展望

翅多型現(xiàn)象廣泛存在于昆蟲中。近年來，有關(guān)媒介昆蟲翅型分化的研究日益增多且深入，這其中又以對傳播植物病毒的半翅目昆蟲的翅型分化研究尤為突顯，揭示了以胰島素信號(hào)通路為核心的多種分子調(diào)控機(jī)制，可為其他類別昆蟲翅型分化的研究提供參考，同時(shí)為控制媒介昆蟲的暴發(fā)提供了一定的理論依據(jù)。但是不可否認(rèn)的是，目前對其分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍然只是冰山一角，比如許多能引起翅型分化的生物或非生物因素都是通過胰島素信號(hào)通路起作用的，但是該通路真正發(fā)揮功能的靶基因還沒有找到，轉(zhuǎn)錄因子FoxO常規(guī)的作用基因如4E-BP并沒有參與翅型分化調(diào)控。同樣，雖然JNK信號(hào)通路參與調(diào)控媒介昆蟲翅型分化，而JNK的下游作用基因Jun和Fos卻沒有在翅型分化中發(fā)揮作用，JNK究竟如何調(diào)控翅型分化尚處于迷霧中。此外蟲媒病毒雖對媒介昆蟲的翅型有影響，多數(shù)認(rèn)為是通過改變宿主狀態(tài)調(diào)控其翅型分化，而其中的分子機(jī)理卻不清晰。這些尚未解決的問題都值得我們做進(jìn)一步的研究。另一方面，加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析體系能較準(zhǔn)確地預(yù)測參與翅型分化調(diào)控的FoxO的靶基因，為更深入地研究昆蟲翅型分化機(jī)制提供了重要線索。而隨著表觀遺傳學(xué)的興起，越來越多地應(yīng)用到非遺傳多型性的研究中，也為探索昆蟲翅型分化的機(jī)制提供了新的研究手段。同時(shí)借助基因組學(xué)的高速發(fā)展，通過控制單一的環(huán)境變量，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序分析差異基因，將有助于我們找到特定環(huán)境因素對翅型分化影響的關(guān)鍵基因?？傊S著對媒介昆蟲翅型分化機(jī)理的深入揭示，必將為控制蟲媒病原的傳播產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。