昆蟲著色及體表黑色斑紋和斑點形成機制研究進(jìn)展

高 云,梁燕婷,留怡勤,徐豫松,王華兵

(浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院,杭州 310058)

昆蟲是地球上數(shù)量最多的動物群體，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)100多萬種，形態(tài)各異的昆蟲幾乎遍布世界的每一個角落。昆蟲的廣泛分布與其多樣性的體色和斑紋有著密切的聯(lián)系。昆蟲的體色和斑紋在生態(tài)和行為方面具有重要作用，有利于躲避敵害或適應(yīng)環(huán)境變化，是生物進(jìn)化和自然選擇的結(jié)果。

昆蟲模擬、偽裝成周邊的環(huán)境所形成的擬態(tài)色對自身保護有利，由明暗顏色的對比或者鮮艷明亮的色彩形成的警戒色用來警告捕食者自身有毒或不可食，這些方法是昆蟲成功欺騙捕食者的有效生存策略(Tullbergetal.,2005;Janzenetal.,2010;Dasmahapatraetal.,2012)。此外，昆蟲體色和斑紋還具有尋求伴侶、適應(yīng)地理、調(diào)節(jié)體溫、抵抗紫外線等重要的生理功能，從而使昆蟲在殘酷的自然選擇中存活下來，因此昆蟲體色和斑紋是進(jìn)化選擇的重要靶標(biāo)之一(Wittkoppetal.,2003,2009;Kronforstetal.,2006,2012;Takahashi,2013;彭晨星等,2016)。

昆蟲體色和斑紋多型現(xiàn)象在昆蟲第二大目——鱗翅目(Lepidoptera)昆蟲中尤其顯著。這種多樣性不僅存在于不同的物種中，在相近物種甚至同一物種不同的品系間、同一品系處在不同環(huán)境或不同發(fā)育時期的個體間也會呈現(xiàn)顯著差異，僅家蠶Bombyxmori就有200多種與著色相關(guān)的突變體，比如：家蠶N4品系表皮有3種斑紋，分別為第2胸節(jié)眼點區(qū)域、第2腹節(jié)的半月紋和第5腹節(jié)的星斑紋，然而家蠶自發(fā)突變體Zebra(Ze)每個腹節(jié)前端都有黑色斑紋，足點處有黑點(KonDoetal.,2017)。鳳蝶屬中的大多數(shù)物種在幼體發(fā)育期間會顯著改變其體色模式，并且這些變化是固定且不可逆的(Prudicetal.,2007)。柑橘鳳蝶Papilioxuthus1-4齡幼蟲體表呈現(xiàn)模仿鳥糞的黑色和棕色的斑紋圖案，在末齡幼蟲期，它們的著色模式又切換為綠色(Tullbergetal.,2005;Jinetal.,2019)。研究者利用家蠶和柑橘鳳蝶的著色突變體，通過定位克隆、連鎖分析和遺傳圖譜解析了導(dǎo)致色素沉積差異的基因，但是體色和斑紋模式的形成和調(diào)節(jié)機制至今仍不完全清楚。近年來，CRISPR/Cas9,RNAi和體內(nèi)電穿孔介導(dǎo)的基因組編輯技術(shù)快速發(fā)展，為分析著色的分子機制提供了重要工具。本文綜述了昆蟲體色和斑紋多樣性的形成和影響因素，昆蟲著色類型及物質(zhì)基礎(chǔ)，以及黑色斑點和斑紋的形成和調(diào)節(jié)機制方面的研究進(jìn)展，希望通過相關(guān)研究的梳理，為今后的研究提供借鑒。

1 昆蟲體色和斑紋多樣性的形成和影響因素

目前昆蟲體色和斑紋多樣性形成和影響因素的主要假說有寄主?；?、環(huán)境因素控制論、基因控制論和激素控制論等。

1.1 寄主?；?/h3>

許多昆蟲因其寄主植物不同而呈現(xiàn)出不同顏色。棉蚜Aphisgossypii是世界性的重要害蟲，多食性的棉蚜在長期取食和進(jìn)化過程中已分化形成不同的寄主專化型。對棉花型和黃瓜型兩種?；兔扪良闹鞯倪x擇行為試驗結(jié)果表明，棉花型棉蚜對棉花的選擇性明顯高于對黃瓜的選擇性，黃瓜型棉蚜對黃瓜的選擇性明顯高于對棉花的選擇性(王麗,2015)。寄主植物對瓜蚜無翅胎生雌蚜的體色具有明顯影響，取食筍瓜、南瓜、瓤子、黃瓜和冬瓜的瓜蚜體色各不相同，依次逐漸變深(王健等,1996)。

1.2 環(huán)境因素控制論

影響昆蟲體色的環(huán)境因素有溫度、濕度、種群密度以及背景顏色等，昆蟲種類不同，環(huán)境因素對體色的影響也存在差異。

1.2.1溫度：黑帶食蚜蠅Episyrphusbalteatus成蟲腹部體色則主要受蛹期發(fā)育溫度的影響：溫度降低導(dǎo)致蛹期延長，會產(chǎn)生大量的暗色個體(霍科科和張宏杰,2004)。當(dāng)蚜蟲在不同的恒溫條件下飼養(yǎng)時，成蟲的表皮著色表現(xiàn)出顯著差異，24℃恒溫條件下飼養(yǎng)的雌性成蟲，頭部為橙棕色，而中胸部呈現(xiàn)橙色；然而在12℃條件下飼養(yǎng)的成蟲的頭部和中胸部是黑色的(Liu and Carver,1982)。

1.2.2濕度：生活在高濕度環(huán)境中的飛蝗Locustamigratoria若蟲體色為綠色，而低濕度環(huán)境中的若蟲個體呈褐色、黃色或淺灰色。變溫性果蠅Drosophilajambulina隨著濕度的變化呈現(xiàn)多樣的體色，而且體色的特異性分化是對濕熱環(huán)境的適應(yīng)(Khasaetal.,2013)。

1.2.3種群密度：群居型飛蝗L.migratoria的個體呈現(xiàn)黑色背板和棕色腹面，散居型個體體色一般為均勻的綠色,群居型的黑色體色是在散居型綠色基礎(chǔ)上增加紅色形成的(Yangetal.,2019)。斜紋夜蛾Spodopteralitura2-3齡幼蟲由高密度飼養(yǎng)轉(zhuǎn)移至單獨飼養(yǎng)時，終齡期幼蟲的黑化程度顯著降低(孔海龍等,2011)。

1.2.4背景顏色：19世紀(jì)中葉之前的樺尺蠖Bistonbetularia呈淺灰色，工業(yè)革命以后，生活在工業(yè)污染區(qū)的樺尺蠖顏色變暗，而正常環(huán)境下的樺尺蠖仍呈淺色。利用計算機視覺研究食物顏色對不同日齡昆蟲體色的影響，發(fā)現(xiàn)斜紋夜蛾幼蟲體色受食物顏色影響，且在1-7日齡最為顯著，這是因為食物顏色對斜紋夜蛾體色影響是一個積累的過程(彭云鵬等,2015)。

1.3 基因控制論

隨著分子生物學(xué)和高通量測序技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究結(jié)果表明體色是由遺傳基因控制的。目前已經(jīng)鑒定出大量控制果蠅、家蠶和柑橘鳳蝶體色和斑紋的基因。例如，雄性果蠅的特異性翅色素沉著與yellow基因的順式調(diào)控元件的修飾有關(guān)(Gompeletal.,2005);轉(zhuǎn)錄因子Apontic-like(apt-like)能夠調(diào)控家蠶幼蟲呈現(xiàn)不同的斑點和斑紋模式(Yoda,2015)。

1.4 激素控制論

激素對昆蟲的蛻皮、滯育等生長發(fā)育過程具有重要調(diào)節(jié)功能，在體色變異中發(fā)揮的作用也得到廣泛的研究。斜紋夜蛾體色多樣性由黑化激素和保幼激素(juvenile hormone,JH)共同調(diào)控：高濃度的JH抑制黑化激素的分泌，當(dāng)JH濃度降低時，黑化激素滴度增加，終齡幼蟲的體色變?yōu)楹谏煵萏於闙anducasexta的表皮黑化由保幼激素和蛻皮激素(ecdysone)共同調(diào)控。眠期兩種激素的滴度發(fā)生顯著變化，眠后期蛻皮激素滴度下降，黑色素合成信號通路基因的轉(zhuǎn)錄水平顯著提高，黑色素合成信號通路被激活(Hirumaand and Riddiford,2009)。

綜上所述，基因、激素和各種環(huán)境條件相互協(xié)調(diào)共同影響昆蟲的體色，基因控制在其中發(fā)揮決定性的作用，而其具體的協(xié)調(diào)和調(diào)控機制，尤其是在激素和基因水平上的協(xié)調(diào)和調(diào)控機制大多仍然未知。

2 昆蟲著色類型及物質(zhì)基礎(chǔ)

根據(jù)顏色產(chǎn)生的原因，昆蟲著色類型可以分為色素色和結(jié)構(gòu)色。色素色是基于生理代謝產(chǎn)生的，是昆蟲著色的重要形式。代謝物沉積在昆蟲體壁，吸收某種波長的光，反射其他可見光，形成特定的顏色。結(jié)構(gòu)色是昆蟲體壁的鱗片或者蠟質(zhì)等超微結(jié)構(gòu)，使光波發(fā)生衍射、干涉或者折射產(chǎn)生的顏色。

昆蟲體內(nèi)不同類型色素物質(zhì)的合成和代謝是產(chǎn)生多樣性體色模式的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其中眼色素(ommochromes)、黑色素(melanin)、喋啶類色素(peridines)是影響昆蟲著色最重要的色素。此外，在鱗翅目模式生物家蠶的生長發(fā)育過程中，除了上述3類著色物質(zhì)，尿酸(uric acid)、類胡蘿卜素(carotenoids)和黃酮類色素(flavonoids)等色素物質(zhì)也發(fā)揮了重要作用。據(jù)研究，眼色素影響家蠶的卵色和成蟲復(fù)眼的顏色，黑色素、蝶啶類色素、眼黃素、眼色素和尿酸共同影響家蠶幼蟲體壁著色，繭絲中黃酮類色素與類胡蘿卜素的比例決定繭色。

3 著色相關(guān)通路基因功能分析的新方法

通過經(jīng)典遺傳連鎖圖譜、基因組數(shù)據(jù)，結(jié)合定位克隆策略，研究人員已經(jīng)鑒定出許多昆蟲著色相關(guān)的候選基因。近年來，日益成熟的基因編輯技術(shù)，為深入研究著色分子機制提供了實驗基礎(chǔ)?；贑RISPR/Cas系統(tǒng)的基因編輯技術(shù)，可在特定時間誘導(dǎo)基因組或者轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物發(fā)生雙鏈斷裂，進(jìn)行定點修飾、定向敲除或插入目的基因等精確修飾，從而特異性改變遺傳物質(zhì)。目前的CRISPR/Cas9技術(shù)通常以人工設(shè)計的小向?qū)NA(small guide RNA,sgRNA)替換tracrRNA:crRNA復(fù)合物,通過非同源末端連接(non-homologous end joining,NHEJ)和同源定向修復(fù)(homologous directed repair,HDR)高效地刪除、插入和激活各種組織細(xì)胞中的基因，在哺乳動物人類、食蟹猴，脊椎動物斑馬魚，無脊椎動物昆蟲以及細(xì)菌等多種生物中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用(Doudna and Charpentier,2014;Niuetal.,2014;周金偉等,2015;Kangetal.,2016;Tangetal.,2017;Zhangetal.,2019)。但是利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)進(jìn)行基因編輯仍然存在一些問題，例如：存在脫靶效應(yīng)、篩選純合體的周期比較長、敲除致死現(xiàn)象。為了快速地分析相關(guān)基因的功能以及發(fā)揮作用的分子機制，科研工作者一直在開發(fā)新的基因編輯工具。電穿孔介導(dǎo)的RNAi技術(shù)具有特異性強、重復(fù)利用性好以及高效持久的特點，可將目標(biāo)基因的dsRNA或質(zhì)粒DNA有效地導(dǎo)入靶組織(如表皮)中，研究靶基因的表達(dá)對表皮斑紋的影響，已成為探索斑紋形成相關(guān)基因功能的高效工具(Yoda,2015;KonDoetal.,2017)。

4 昆蟲體表黑色斑紋和斑點的形成和調(diào)節(jié)機制

昆蟲幼蟲的體色和斑紋模式主要取決于表皮細(xì)胞和表皮中色素的性質(zhì)和分布。與成蟲相比，幼蟲在每次蛻皮期都會重復(fù)色素沉著過程，同時受環(huán)境的影響較大，使得幼蟲斑紋和體色發(fā)生突變的幾率增加，從而呈現(xiàn)多樣的色素沉積模式。在自然界中，黑化是生物體體色發(fā)生變異最為顯著和普遍的現(xiàn)象，同時也是產(chǎn)生昆蟲體色多樣性非常重要的著色模式。黑化過程中黑色素(melanin)是體色和斑紋多樣性形成過程中至關(guān)重要的色素，它不僅參與昆蟲紅色、深綠色和黑色等顏色斑紋的形成，它的前體物質(zhì)多巴(dopa)和多巴胺(dopamine)還與昆蟲免疫、表皮硬化等生理過程有密切的聯(lián)系(弓慧瓊等,2018)。在昆蟲中，鱗翅目昆蟲體色和斑紋多型現(xiàn)象尤其顯著，可作為出色的模型系統(tǒng)用于研究顏色模式的形成與調(diào)節(jié)機制，目前已經(jīng)鑒定出大量參與或調(diào)控黑色素合成的基因(表1)。

表1 已知黑色素合成信號通路基因的功能Table 1 Functions of the known genes of melanin synthesis pathway

4.1 昆蟲體表黑色斑紋和斑點形成機制

以四氫生物蝶呤(tetrahydrobiopterin,BH4)為輔因子，酪氨酸經(jīng)過一系列生化反應(yīng)生成各種色素前體物質(zhì)如圖1所示。其中，黑色素合成代謝通路是研究最廣泛的色素合成通路，由TH基因編碼的酪氨酸羥化酶(tyrosine hydroxylase,TH)將酪氨酸轉(zhuǎn)化為二羥基苯丙氨酸[又稱多巴(dopa)]，多巴由DDC編碼的多巴脫羧酶(dopa decarboxylase,DDC)轉(zhuǎn)化為多巴胺(dopamine)，這些過程在表皮細(xì)胞中完成；yellow家族基因和Lac2將多巴胺或者多巴轉(zhuǎn)化為多巴胺黑色素或者多巴黑色素。因此多巴胺和多巴被認(rèn)為是昆蟲表皮黑色素最重要的前體物質(zhì)(Futahashiand and Fujiwara,2005;Futahashietal.,2008;Hiruma and Riddiford,2009;Liuetal.,2010)。合成的色素前體從表皮細(xì)胞中分泌出來，然后摻入表皮，形成可視化的黑色斑紋和斑點模式。除此以外，多巴胺還有兩個代謝去向，其中一個去向是由ebony轉(zhuǎn)化為N-β-丙氨酰多巴胺(N-β-alanyl dopamine,NBAD)，參與表皮鞣化，且使表皮呈現(xiàn)黃色或者淡黃色，這一過程可以被tan逆轉(zhuǎn)(Futahashietal.,2010;Lietal.,2015)。另一個去向涉及N-乙?；喟桶?N-acetyl dopamine,NADA)的產(chǎn)生，NADA參與表皮硬化，是無色硬化蛋白的前體，該過程取決于芳基烷基胺-N-乙?；D(zhuǎn)移酶(arylalkylamine N-acetyltransferase,AA-NAT)的活性(Zhanetal.,2010)。根據(jù)時空表達(dá)譜，上述過程相關(guān)基因可以分為3組：編碼分泌的蛋白基因yellow和lac2特異性地在眠中期[頭囊滑移(head capsule slippage)后約4-8 h]表達(dá);編碼表皮黑色素合成酶的基因TH,DDC,ebony和tan在眠后期特異性地表達(dá)；GTPCHI在整個蛻皮期中均有表達(dá)。用競爭性的TH抑制劑3-碘酪氨酸(3-iodo-tyrosine,3-IT)處理柑橘鳳蝶可抑制幼蟲表皮黑化(Futahashi and Fujiwara,2005);家蠶BmTH基因結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致新生家蠶呈巧克力色，添食多巴可使其恢復(fù)黑色，而且恢復(fù)效果呈現(xiàn)劑量依賴性，這表明TH是表皮黑色化過程的關(guān)鍵酶(Liuetal.,2010)。mln突變體的幼蟲頭部和成蟲比野生型沉積更多的黑色素，而且突變體頭部和胸足多巴胺的含量是野生型的兩倍多。通過定位克隆發(fā)現(xiàn)，突變體中編碼芳基烷基胺-N-乙?；D(zhuǎn)移酶的基因AA-NAT發(fā)生可變剪切，導(dǎo)致AA-NAT的酶活性消失，使得多巴胺大量積累，并且向著合成黑色素的方向代謝，在幼蟲頭部和成蟲積累大量的黑色素(Daietal.,2010;Zhanetal.,2010)。這些研究表明色素合成通路中的酶以及底物等處于動態(tài)平衡的過程，通路中某一催化酶或者基因表達(dá)受到抑制時，會造成底物大量積累并且沿著其他色素合成方向進(jìn)行反應(yīng)。

圖1 黑色素生物合成信號通路Fig.1 Melanin biosynthesis pathway綠色橢圓框代表色素合成通路的關(guān)鍵基因，紅色框代表調(diào)節(jié)因子，黑色、黃色和白色框代表色素前體沉積到表皮的顏色。The green oval boxes represent the key genes of the pigment synthesis pathway,the red boxes represent the regulator of the pathway,and the black,yellow and white boxes represent the color of the pigment precursor deposited on the epidermis.

4.2 昆蟲體表黑色斑紋和斑點調(diào)節(jié)機制

通常情況下，昆蟲在蛻皮期會積累大量的色素，而在此過程中，控制生長發(fā)育的保幼激素和滯育激素的滴度會發(fā)生劇烈的變化。研究證實，參與調(diào)控昆蟲體色和斑紋多樣性的基因的表達(dá)水平受蛻皮激素[主要活性物質(zhì)20-羥基蛻皮酮(20E)]和保幼激素共同調(diào)節(jié)(Hiruma and Riddiford,2009)。柑橘鳳蝶的斑紋模式在末齡幼蟲期發(fā)生顯著的變化，這種轉(zhuǎn)變是由多種激素(蛻皮激素、保幼激素等)精確調(diào)控產(chǎn)生的，在4齡幼蟲保幼激素敏感期(4齡起蠶前20 h)，柑橘鳳蝶5齡幼蟲的體色已被決定，這為研究激素對體色和斑紋多樣性的調(diào)節(jié)機制提供了依據(jù)(Futahashi and Fujiwara,2008;Jinetal.,2019)。分析家蠶黑色素合成通路中的基因序列，發(fā)現(xiàn)yellow,lac2,TH,ebony和tan基因上游5 kb區(qū)域具有潛在的單體核受體結(jié)合元件RGGTCA序列，已知該序列可結(jié)合到20E誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子E75A和HR3；研究表明，E75A和spalt在柑橘鳳蝶眼點的黑色區(qū)域特異性表達(dá)(Futahashietal.,2012)。在果蠅中，研究人員發(fā)現(xiàn)性別決定因子(doublesex,dsx),HOX基因(abdominal-B,Abd-B)和無翅基因(wingless,Wnt)等參與調(diào)節(jié)成蟲著色模式，在此基礎(chǔ)上，研究者發(fā)現(xiàn)多種多效性的因子參與調(diào)控鱗翅目昆蟲黑色素合成通路(表2)。在家蠶中比較典型的是參與背腹軸形成和先天免疫的Toll信號通路，Toll-8及其配體spz3可能通過NF-κB信號通路特異性地誘導(dǎo)黑色素合成通路基因yellow的表達(dá)，從而沉積大量的黑色素，導(dǎo)致家蠶Ze突變體背節(jié)前端都有黑色斑紋，足點處有黑點。spalt和E75在柑橘鳳蝶幼蟲體表黑色素合成和眼點形成過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用(Futahashietal.,2012)。

表2 已知調(diào)節(jié)黑色素合成信號通路的基因Table 2 The known genes regulating melanin synthesis pathway

鳳蝶屬中大多數(shù)物種的體色模式在幼體發(fā)育期間會顯著改變，這些變化是固定且不可逆的。例如，在柑橘鳳蝶中，1-4齡幼蟲體表都顯示出黑色和棕色的顏色圖案，并帶有白色“V”形斑塊，被認(rèn)為是模仿鳥糞(模仿圖案)。然而，在最后齡期，它們的著色模式切換為綠色，在第3胸節(jié)(T3)上有一對假眼點，在腹節(jié)的背側(cè)上有深綠色的“V”形標(biāo)記，這種模式被認(rèn)為是一種高級的反捕食者適應(yīng)措施，使其可以在一定距離內(nèi)隱藏于寄主植物上，從而適應(yīng)最后齡期可能發(fā)生的微生境和覓食行為的潛在變化(Futahashi and Fujiwara,2008)。研究表明，柑橘鳳蝶5齡幼蟲的斑紋模式預(yù)形成過程是在4齡保幼激素敏感期決定的，為了篩選導(dǎo)致5齡幼蟲顏色轉(zhuǎn)變的基因，在JH敏感期的20 h內(nèi)的0,6和12 h 3個時間點，分別取4齡和5齡幼蟲期顏色顯著改變的3個區(qū)域的樣品進(jìn)行RNA測序分析;利用9個RNA文庫，最終篩選到20個候選基因，并且對其中的3個轉(zhuǎn)錄因子(cll,abd-A和Abd-B)進(jìn)行功能分析(Jinetal.,2019)。結(jié)果表明，在3齡幼蟲眼點區(qū)域敲低cll，4齡時沒有觀察到明顯的表型變化，然而5齡幼蟲敲低cll一側(cè)眼點的尺寸明顯變小，而且眼點附近的紅色區(qū)域變得不可分辨，周圍的線條變得無序。當(dāng)在“V”形標(biāo)記周圍敲低abd-A和Abd-B基因時，在4齡幼蟲期同樣沒有發(fā)現(xiàn)明顯的表型變化，但是在5齡幼蟲期abd-A敲低的個體中，“V”形標(biāo)記完全消失，僅觀察到綠色的體色。相反，在Abd-B敲低的個體中，“V”形標(biāo)志沒有變化，僅出現(xiàn)一些異常的淺黑色區(qū)域。為了更加深入地研究Abd-B的功能，在Abd-B高表達(dá)的區(qū)域進(jìn)行該基因的RNA干涉實驗，發(fā)現(xiàn)兩個“V”形標(biāo)志之間出現(xiàn)了大的異常的黑化區(qū)域。結(jié)果表明這些基因在JH敏感期和在斑紋模式預(yù)形成基因網(wǎng)絡(luò)控制中發(fā)揮重要作用(Jinetal.,2019)。

家蠶顯性突變體Ze在每個背節(jié)的前緣都有一條黑色斑紋。對3 135個幼蟲的精確連鎖圖譜分析揭示了負(fù)責(zé)Ze位點的63 kb區(qū)域，該區(qū)域包含3個候選基因，其中包括Toll配體基因sp?tzle3(spz-3)，研究發(fā)現(xiàn)只有spz-3/Toll-8參與黑色素化過程。同時，在Ze突變體的斑紋區(qū)域，yellow基因顯著上調(diào)，說明spz3通過影響yellow基因的表達(dá)從而影響黑色素合成信號通路的活性。這項研究為Toll信號通路控制家蠶的黑化過程和適應(yīng)性斑紋模式的形成提供了直接的證據(jù)(KonDoetal.,2017)。

5 小結(jié)與展望

昆蟲體色和斑紋多樣性是研究發(fā)育生物學(xué)、自然選擇和形態(tài)性狀進(jìn)化的良好對象。生化和遺傳研究表明，許多化學(xué)物質(zhì)和色素合成通路參與體色的形成，其復(fù)雜的形成機制和精確的調(diào)控機制一直吸引著眾多研究者的目光。通過對昆蟲發(fā)育過程的研究，揭示在其進(jìn)化過程中獲得體色和斑紋的多態(tài)性形成機制。包括利用家蠶不同時期發(fā)生色素沉著，來研究著色模式形成的機制；通過果蠅成蟲種內(nèi)和種間腹部著色的差異，來研究色素沉積模式多樣性的機制；利用柑橘鳳蝶幼蟲斑紋模式的改變，探索色素合成和沉積多樣性的調(diào)節(jié)機制。但是這些研究結(jié)果還不足以使我們完全理解昆蟲體色和斑紋模式形成和調(diào)節(jié)的機制。在鱗翅目昆蟲中，家蠶和柑橘鳳蝶因具有諸多色素沉著品系，以及完善的全基因組序列結(jié)果和高質(zhì)量連鎖圖譜，結(jié)合成熟的基因編輯技術(shù)，非常適合作為鑒定體色和斑紋模式形成的分子機制的物種，鑒定出來大量與色素合成相關(guān)的基因，為探究昆蟲表型的趨同和趨異進(jìn)化的基礎(chǔ)提供了大量的理論依據(jù)。例如，編碼轉(zhuǎn)錄因子保守基因apt-like構(gòu)成了家蠶p基因座，導(dǎo)致至少15種不同的幼蟲斑紋模式。apt-like和黑色素合成基因的表達(dá)量在斑紋突變體Striped和正常突變體(p)的黑色區(qū)域顯著上調(diào)，但在無斑紋突變體p中不表達(dá)。此外，家蠶黑色素前體物質(zhì)多巴和多巴胺還與昆蟲免疫等生理過程有密切的聯(lián)系。當(dāng)昆蟲被細(xì)菌或真菌感染時，體內(nèi)不僅通過Spz和Toll信號通路誘導(dǎo)抗菌肽的表達(dá)，還會通過前酚氧化酶通路產(chǎn)生黑化(Takahashietal.,2015;Wang and Jiang,2017)。盡管NF-κB因子在幼蟲色素沉著中的作用尚不清楚，但是Toll通路確實參與黑色素形成(KonDoetal.,2017)。值得注意的是，Lac-2參與家蠶幼蟲色素沉著，而酚氧化酶參與先天免疫的黑化過程，盡管兩者在結(jié)構(gòu)上是不同的，但是顯示相同的酶活性。因此，有關(guān)幼蟲色素沉著和先天免疫的其他比較研究可能會揭示黑色素合成更加精確的信號通路，同時有助于解析昆蟲免疫信號的網(wǎng)絡(luò)。

此外，隨著對鱗翅目昆蟲著色的分子機制的深入研究，更多的疑問也隨之產(chǎn)生。例如，色素合成相關(guān)的基因在不同物種中發(fā)揮的作用是否相同呢？與柑橘鳳蝶色素合成相關(guān)的基因以時期特異性的模式發(fā)揮作用，而果蠅的成年腹部標(biāo)記被相關(guān)基因以標(biāo)記特異性方式調(diào)控。成蟲果蠅腹部黑色斑點的色素分布主要受yellow和tan的調(diào)控；柑橘鳳蝶和家蠶的時期特異性的斑點形成需要TH和DDC的共表達(dá)，但是TH和DDC在果蠅中幾乎不發(fā)揮功能；此外，ebony和tan的表達(dá)也具有物種差異性。即使同屬鱗翅目，相同基因發(fā)揮的功能也有差異，比如GTPCHI和柑橘鳳蝶幼蟲表皮斑紋的形成有關(guān)，而在家蠶中沒有發(fā)現(xiàn)類似功能。分析色素合成的調(diào)控機制發(fā)現(xiàn)，保幼激素和蛻皮激素及其下游的轉(zhuǎn)錄因子在鱗翅目昆蟲著色過程中發(fā)揮重要作用；HOX基因Abd-B和色素合成基因共同作用，影響果蠅種間和種內(nèi)的體色和斑紋模式(Jeongetal.,2006)；柑橘鳳蝶5齡幼蟲期著色模式的改變除受Abd-B的調(diào)控以外，還受同屬HOX基因的clawless和abdominal-A的影響。這些結(jié)果說明果蠅與鱗翅目昆蟲著色形成和調(diào)節(jié)機制相似，但是不完全相同。相信隨著鱗翅目昆蟲眾多體色和斑紋形成機制的解析，昆蟲色素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)也會取得更多突破。