昆蟲免疫致敏響應(yīng)研究綜述

袁偉寧 ，周昭旭 ，魏玉紅 ，郭建國 ，張新瑞

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)害蟲天敵工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.農(nóng)業(yè)部天水作物有害生物科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，甘肅 甘谷 741200）

昆蟲與無脊椎動物不同，機(jī)體免疫中沒有記憶性細(xì)胞（如T細(xì)胞、B細(xì)胞），不能產(chǎn)生免疫球蛋白，也無法通過免疫球蛋白基因重排產(chǎn)生特異性抗體，因而學(xué)術(shù)上普遍認(rèn)為昆蟲不能進(jìn)行特異性免疫，或昆蟲免疫不具備記憶性［1］。然而越來越多的研究表明，昆蟲早期的病原菌感染經(jīng)歷能夠增強(qiáng)后期再次遭遇同種或同類病原菌浸染的免疫力，并在一定程度上表現(xiàn)出記憶性和特異性［2-3］，學(xué)者將這種昆蟲免疫反應(yīng)稱為免疫致敏（Immune Iriming）或適應(yīng)性免疫（Adaptive Immune）［4-6］。免疫致敏是一個(gè)復(fù)雜的綜合免疫過程，與昆蟲適應(yīng)外界環(huán)境、抵御外源侵害密切相關(guān)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對生物農(nóng)藥的抗性形成具有重要意義。諸多學(xué)者已通過生存分析［7-8］、吞噬活性［9］、病原清除［10］、基因表達(dá)［11］等多種響應(yīng)測試手段研究了昆蟲免疫致敏現(xiàn)象。免疫致敏可以促使昆蟲增強(qiáng)后期再次遭遇病原菌侵染的免疫力，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)免疫的特異性和記憶性，因而在學(xué)術(shù)上受到普遍關(guān)注。免疫致敏基于昆蟲先天免疫系統(tǒng)進(jìn)行延伸，這種免疫調(diào)控是免疫激發(fā)子或抗菌效應(yīng)分子“免疫游蕩”的結(jié)果，而不是增強(qiáng)或形成另一種免疫響應(yīng)能力，因此容易受到外界環(huán)境和不同致敏原等多種因素的影響。尤其當(dāng)這種影響能夠誘導(dǎo)免疫致敏，且產(chǎn)生的免疫響應(yīng)為可遺傳免疫致敏時(shí)，害蟲就能演化出抗性個(gè)體，進(jìn)而在農(nóng)業(yè)害蟲治理中產(chǎn)生抗性種群，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全極其不利。我們從昆蟲免疫致敏識別、免疫致敏響應(yīng)、相關(guān)分子機(jī)制、免疫致敏傳遞機(jī)制等多方面對昆蟲免疫致敏進(jìn)行綜述，以助于更好的理解昆蟲的這種獨(dú)特免疫機(jī)制，希望對昆蟲免疫致敏的進(jìn)一步研究有所裨益。

1 昆蟲免疫致敏的識別機(jī)制

1.1 昆蟲免疫致敏的識別受體

由于昆蟲體結(jié)構(gòu)的特殊性，其機(jī)體先天免疫反應(yīng)場所主要為血腔，因此將昆蟲先天免疫分為體液免疫和細(xì)胞免疫［12］，但無論哪種免疫，作為外源致病菌侵入后昆蟲體重要的生命防御壁壘，首先要識別“異己”分子，之后才能快速激活昆蟲體內(nèi)相應(yīng)的免疫信號通路，進(jìn)而產(chǎn)生各類效應(yīng)分子來殺滅和清除致病菌［13］。

昆蟲免疫致敏是基于先天免疫基礎(chǔ)而延伸的特異性和記憶性表現(xiàn)，并無免疫致敏響應(yīng)的特殊相關(guān)模式識別受體（Pattern-Recognition Receptors，PRRs），但是在先天免疫系統(tǒng)中具有識別病原微生物的模式識別受 體［14-15］。這類模式識別受體可以識別一種或多種病原生物表面的病原體模式分子（pathogen-associated molecular pattern，PAMP），進(jìn)而通過系統(tǒng)防御抵御外源侵害［16］。目前已經(jīng)報(bào)道的模式識別受體（蛋白）主要有肽聚糖識別蛋白（peptidoglycan recognition proteins PGRPs）［17］、β-1，3- 葡聚糖識別蛋白（β-1，3-glucan recognition protein，βGRP）［18］、革蘭氏陰性細(xì)菌結(jié)合蛋白（gram-negative bacteria binding proteins，GNBPs）［19-20］、類免疫球蛋白（hemolin）［21］、C 型凝集素（C-type lectins）［22］和整聯(lián)蛋白（integrins）［23］。這些蛋白受體均可以有效識別細(xì)菌細(xì)胞壁或胞內(nèi)基質(zhì)中的肽聚糖、β-1，3-葡聚糖、脂多糖、脂磷壁酸和一些可溶性蛋白的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸三聯(lián)體等功能性分子物質(zhì)，識別后能夠應(yīng)激啟動昆蟲先天免疫信號途徑，對入侵的病原物進(jìn)行殺死和清除。

1.2 模式識別受體參與的免疫功能

昆蟲體先天免疫系統(tǒng)中不同模式識別受體的結(jié)構(gòu)和識別功能不同，導(dǎo)致誘導(dǎo)的免疫致敏反應(yīng)也不同，因此昆蟲體對不同病原菌的免疫致敏結(jié)果各有差異。研究表明，肽聚糖識別蛋白識別革蘭氏陰性菌后主要參與黑化反應(yīng)（Melanization reaction）進(jìn)行免疫，而識別革蘭氏陽性菌后參與Toll和Imd途徑，識別真菌后則主要以吞噬作用（Phagocytosis）進(jìn)行免疫致敏［24-25］。β-1，3-葡聚糖識別蛋白不能識別革蘭氏陽性菌，但能識別革蘭氏陰性菌，主要誘導(dǎo)參與黑化反應(yīng)，同時(shí)此蛋白能識別真菌，參與Toll免疫途徑的免疫［26］。革蘭氏陰性菌結(jié)合蛋白只識別革蘭氏陰性細(xì)菌，可以分別參與Toll和Imd兩種免疫途徑［27］。類免疫球蛋白可以識別細(xì)菌和病毒，識別革蘭氏陽性菌后參與吞噬作用進(jìn)行免疫，識別病毒后則參與抗病毒反應(yīng)（Antiviral response） 進(jìn)行免疫［28］。C 型凝集素可以識別細(xì)菌和酵母菌，識別革蘭氏陽性菌后參與黑化反應(yīng)功能，識別革蘭氏陰性菌后參與凝集作用（Coagulation）進(jìn)行免疫反應(yīng)，識別酵母菌后則參與集結(jié)和包囊作用（Nodulation and encapsulation）產(chǎn)生免疫反應(yīng)［29］。整聯(lián)蛋白只識別細(xì)菌，識別革蘭氏陽性菌后參與吞噬功能反應(yīng)，識別革蘭氏陰性菌后以包囊作用對病原物進(jìn)行免疫清除［30］。綜上所述，不同識別受體所能識別的病原微生物是相對特異的，進(jìn)而引導(dǎo)相對應(yīng)的免疫反應(yīng)功能，可見昆蟲體對不同病原菌的免疫致敏結(jié)果不盡相同。

2 免疫致敏響應(yīng)機(jī)制

2.1 免疫致敏誘導(dǎo)

昆蟲免疫致敏為一種后天誘導(dǎo)的免疫現(xiàn)象，可以由昆蟲致病菌或逆境脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生。例如對紅棕象甲血腔注射大腸桿菌（Escherichia coli）進(jìn)行免疫致敏誘導(dǎo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腸桿菌浸染致使象甲體內(nèi)酚氧化酶（Phenoloxidase）活性和血淋巴抑菌活性（antibacterial activity）顯著升高，并且這種酶活性和血淋巴抑菌活性的提高增強(qiáng)了蟲體后期再次遭遇同種病原物侵染時(shí)的免疫能力，表明免疫致敏被成功誘導(dǎo)［7］。除致病菌外，非致病性的類似微生物也可以有效激活昆蟲免疫系統(tǒng)。用一種非致病性大腸桿菌（Escherichia coli）侵染煙草天蛾（Manduca sexta）幼蟲能上調(diào)寄主識別異源微生物的多種模式識別受體和抗菌肽（AMPs）表達(dá)，而且這種上調(diào)響應(yīng)能顯著提高此后48 h內(nèi)感染毒性致病發(fā)光桿菌（Photorhabdus luminescens）的老熟幼蟲的存活率，存活的老熟幼蟲也能順利化蛹［31］，表明免疫致敏被誘導(dǎo)產(chǎn)生。目前已報(bào)道的免疫致敏誘導(dǎo)菌主要包括熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）、蜂房芽孢桿菌（Paenibacillus alvei）、幼蟲芽孢桿菌（Paenibacillus larvae）、綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）、肺炎雙球菌（Streptococcus pneumonia）、白僵菌（Beauveria bassiana）、蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thurigiensis）、枯草芽孢桿菌（Bacilus subtilis）、伯氏瘧原蟲（Plasmodium berghei）、大腸桿菌肽聚糖（Escherichia coli peptidoglycans）、發(fā)光桿菌（Photorhabdus luminescens）、金龜子綠僵菌（Metarhizium anisopliae）和PiGV（DNA病毒）等［4］。值得注意的是，經(jīng)口飼喂和血腔微注射病原物均能夠成功誘導(dǎo)昆蟲產(chǎn)生免疫致敏響應(yīng)，說明昆蟲免疫致敏不僅可以通過中腸誘導(dǎo)，也能通過血腔直接誘導(dǎo)。

2.2 免疫致敏效應(yīng)機(jī)理

免疫致敏機(jī)理是一個(gè)非常復(fù)雜的綜合免疫過程，推測這種記憶性免疫（免疫致敏）主要是由昆蟲血淋巴中的抗菌肽作用形成的［32-33］。為了進(jìn)一步揭示其機(jī)理，Mikonranta［34］等人將粘質(zhì)沙雷氏菌（Serratia marcescens）以亞致死劑量經(jīng)口接種至Parasemia plantaginis幼蟲體內(nèi)5 d后，發(fā)現(xiàn)被誘導(dǎo)的試蟲對該菌的其它致死劑量產(chǎn)生抗性。與前人推測不同，該研究結(jié)果表明幼蟲產(chǎn)生抗性主要是由于其體內(nèi)活性氧水平被誘導(dǎo)提高導(dǎo)致的。另外，對大蠟螟（Galleria mellonella）的研究表明，微注射滅活的Bt HD-1和發(fā)光桿菌TT01也能夠誘導(dǎo)大蠟螟產(chǎn)生免疫致敏，免疫致敏能夠顯著增加其在病原菌致死濃度下的存活率，但免疫特異性相對較低［35］，這與粘質(zhì)沙雷氏菌誘導(dǎo)的結(jié)果相同，但產(chǎn)生這種現(xiàn)象的具體機(jī)理未有深入研究。盡管如此，這些研究仍舊能說明昆蟲體內(nèi)雖然缺乏獲得性免疫的分子元件基礎(chǔ)，但可以通過先天免疫系統(tǒng)的獨(dú)特機(jī)制來調(diào)控免疫過程，實(shí)現(xiàn)免疫的記憶性和特異性，且這種免疫調(diào)控是免疫激發(fā)子或抗菌效應(yīng)分子“免疫游蕩”（Immunological loitering） 的結(jié)果，而不是增強(qiáng)或形成另一種免疫響應(yīng)能力［36］。

2.3 抗菌肽對免疫致敏的貢獻(xiàn)

在昆蟲免疫致敏過程中，宿主昆蟲在受到細(xì)菌浸染刺激時(shí)，血淋巴內(nèi)會很快產(chǎn)生強(qiáng)有力的具有抗微生物活性的物質(zhì)，分離鑒定發(fā)現(xiàn)，這些抗微生物免疫分子絕大多數(shù)為小分子肽。

目前約有200余種昆蟲抗菌肽被發(fā)現(xiàn)。昆蟲抗菌肽相對分子量小、對熱穩(wěn)定、水溶性好、無免疫原，具有廣譜高效的抗微生物活性，對許多致病菌具有較強(qiáng)的抑菌作用，尤其對耐藥性金黃葡萄糖球菌、大腸埃希菌等菌株具有較強(qiáng)的敏感性，可作為替代抗生素的新型抗菌藥物［37］。不同種類昆蟲抗菌肽的殺菌范圍和抗菌機(jī)制不同，如天蠶葛佬素和攻擊素對革蘭氏陰性菌具有較強(qiáng)的抗菌活性；類天蠶素對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均具有抑制作用［38］；昆蟲防御素對革蘭氏陽性菌的抗菌活性較強(qiáng)，而對革蘭氏陰性菌敏感性相對較低［39］；AFP具有較強(qiáng)的抗真菌活性［40］；蜂毒素具有很強(qiáng)的抗病毒活性等［41］。昆蟲抗菌肽在諸多方面表現(xiàn)出優(yōu)良的抑菌活性，因而在害蟲體內(nèi)被誘導(dǎo)表達(dá)后，當(dāng)蟲體再次遭受致病菌侵染時(shí)就會表現(xiàn)出防御和免疫特性，這種免疫致敏在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具體表現(xiàn)為對生物農(nóng)藥的抗性。例如用細(xì)菌組分脂多糖誘導(dǎo)黃粉蟲（Tenebrio molitor）產(chǎn)生免疫致敏后表達(dá)的抗菌肽，能夠增強(qiáng)其對金龜子綠僵菌（Metarhizium anisoplice）的抵抗能力［42］。如果抗菌肽表達(dá)受到抑制，昆蟲對致病菌則表現(xiàn)出極大敏感性。有例證表明，通過iRNA技術(shù)干擾甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）葛佬素表達(dá)，能有效上調(diào)其對 Bt的敏感性［43］。

3 免疫致敏響應(yīng)的分子機(jī)制

昆蟲先天免疫功能與脊椎動物不同，只能針對一部分致病菌發(fā)揮作用，因此學(xué)者推測有兩種可能的特異性和長期性分子保護(hù)機(jī)制［36，44］。一是昆蟲存在一套 進(jìn)化獲得的PRRs，在高選擇壓下能夠增強(qiáng)對特定類型病原菌的特異性響應(yīng)能力。雖然這種推測能夠解釋昆蟲體針對特定病原菌激活的類適應(yīng)性免疫響應(yīng)（adaptive-like immune response）的形成，但是沒有證明病原菌初次侵染昆蟲體后能增強(qiáng)其機(jī)體系統(tǒng)免疫能力。二是昆蟲體存在類似脊椎動物體細(xì)胞重組的功能。這種推測的機(jī)制具有多樣化的免疫原件組成，因而可以使免疫系統(tǒng)特異性識別不同的免疫誘導(dǎo)子，而不用編碼不同誘導(dǎo)子的識別受體。這種機(jī)制更有利于調(diào)節(jié)免疫識別中免疫效應(yīng)子的激活，相關(guān)特征性功能分子目前已有發(fā)現(xiàn)，并表現(xiàn)出多方面的免疫特異性。例如唐氏綜合癥細(xì)胞粘附分子（Down syndrome cell adhesion molecule Dscam），這是一種可被可變剪接的分子，具有明顯的分子多肽性。從果蠅中分離純化的Dscam能夠產(chǎn)生38 000余種可變類型。通過對黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）外顯子進(jìn)行可變剪接，表明Dscam可以形成3種高度變異的Ig結(jié)構(gòu)域，進(jìn)而形成18 000種亞型，這些亞型具有交互免疫特異性，并為病原菌受體提供免疫多樣性來源，因此學(xué)者認(rèn)為Dscam是一種調(diào)節(jié)昆蟲機(jī)體免疫系統(tǒng)適應(yīng)性的潛在功能分子［45］。Dscam的調(diào)節(jié)功能同時(shí)也在按蚊（Anopheles gambiae）中得到了驗(yàn)證。有研究表明，大腸桿菌、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和維氏假單胞菌（Pseudomona veronii）等多種免疫致敏因子可以誘導(dǎo)Dscam發(fā)生可變剪接，進(jìn)而干涉Dscam表達(dá)，影響按蚊細(xì)胞吞噬作用，提高病原菌侵染后按蚊的存活率［46］。

4 免疫致敏的傳遞機(jī)制

按蚊、黑腹果蠅等多種昆蟲中已報(bào)道的Dscam可變剪接是對外顯子進(jìn)行的剪接，這預(yù)示著昆蟲的免疫致敏可能具有遺傳性。對黃粉蟲（Tenebrio molitor）的適應(yīng)性免疫研究表明，母代注射細(xì)菌脂多糖能夠增強(qiáng)后代血淋巴中抗菌肽活性，這證明了適應(yīng)性免疫可遺傳的存在性。Yannick［47］將這種可遺傳的適應(yīng)性免疫稱為傳代免疫致敏（Trans-generational immune priming TgIP）。盡管免疫致敏的傳遞效應(yīng)已經(jīng)在多種昆蟲中報(bào)道，但相關(guān)效應(yīng)元件復(fù)雜且多樣化，導(dǎo)致免疫致敏在親代和子代之間傳遞的潛在機(jī)理仍然不清晰，目前多限于研究性推測。通常認(rèn)為免疫致敏傳遞可能涉及表觀修飾、卵黃原蛋白傳遞和共生菌傳遞3個(gè)方面的機(jī)制［48］。Eggert等［49］利用雙雜交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)赤擬谷盜（Tribolium castaneum）子代中只有獲得免疫致敏雄蟲遺傳信息的后代才能提升致病菌感染下的存活率，這表明赤擬谷盜對子代的致敏保護(hù)機(jī)制是通過精子傳遞的，而在這個(gè)過程中表觀修飾可能發(fā)揮著潛在作用，但對這種傳遞的論證目前還不充分。其次，大多免疫致敏傳遞是從雌蟲傳遞給子代的，雌蟲除了傳遞遺傳信息外，還將一些營養(yǎng)物質(zhì)（如卵黃原蛋白）傳遞給子代，這些物質(zhì)也能參與免疫致敏效應(yīng)的傳遞。Salmela等［48］證實(shí)，卵黃原蛋白從合成到轉(zhuǎn)運(yùn)至卵巢的過程中可以與細(xì)菌或病原相關(guān)分子結(jié)合，并最終一起整合到卵組織中遺傳給下一代，從而實(shí)現(xiàn)免疫致敏傳遞。除上述兩種傳遞機(jī)制外，共生菌也可能參與免疫致敏傳遞過程。轉(zhuǎn)錄測序表明，免疫致敏過程中與腸道微生物互作的基因表達(dá)可被誘導(dǎo)上調(diào)［49-50］。另有研究表明，免疫致敏的母代擬赤谷盜排泄的糞便能夠誘導(dǎo)非免疫致敏的幼蟲產(chǎn)生免疫致敏，分析顯示昆蟲排泄物中存在大量母代所攜帶的內(nèi)共生菌［51］，這進(jìn)一步印證了共生菌在免疫致敏傳遞中的潛在作用。至目前，盡管昆蟲免疫致敏的跨代傳遞效應(yīng)已經(jīng)有很多表述，但免疫致敏效應(yīng)的傳遞涉及生殖和免疫兩個(gè)生理系統(tǒng)的共同作用，仍然需進(jìn)一步研究。

5 小結(jié)與展望

隨著昆蟲先天免疫研究的不斷深入，架構(gòu)在先天免疫基礎(chǔ)之上的免疫致敏正在被學(xué)者深入探索，相關(guān)研究業(yè)已取得長足進(jìn)展，如昆蟲免疫致敏發(fā)生的特定條件及影響因素，免疫致敏響應(yīng)的分子機(jī)制和物質(zhì)基礎(chǔ)，昆蟲免疫致敏跨代傳遞的效應(yīng)機(jī)制等。這些已有的研究為我們深入認(rèn)識免疫致敏奠定了良好基礎(chǔ)，但我們對免疫致敏的潛能和發(fā)生過程仍然不能全面了解。例如，先天免疫的信號通路在免疫致敏中實(shí)現(xiàn)免疫特異性和記憶性的過程與機(jī)理尚不清楚；免疫致敏在母代和子代間垂直傳遞的分子調(diào)控機(jī)制還不明朗，不同昆蟲的免疫致敏所展現(xiàn)的特異性和記憶性還局限在一些模式昆蟲的研究，其它諸多種類昆蟲的免疫致敏潛能還有待挖掘；尤其免疫致敏本身是耗能的過程，這必然引起昆蟲體對免疫致敏和其它生物學(xué)過程的權(quán)衡［52］，但兩者之間相互聯(lián)系的分子基礎(chǔ)目前仍不知曉。雖然昆蟲免疫致敏的相關(guān)研究已有很多，但還有很多更深層次的機(jī)理問題亟待探索。

另外，昆蟲的免疫致敏與脊椎動物的獲得性免疫存在本質(zhì)的區(qū)別，不能通過基因重排進(jìn)行相應(yīng)的免疫反應(yīng)，因而更容易受到外界環(huán)境、宿主生理狀態(tài)和不同致敏原等多種因素的影響［53］，并且免疫致敏的記憶性和特異性不如脊椎動物穩(wěn)定，對致病微生物的免疫譜也相對較窄。盡管如此，免疫致敏仍然是昆蟲抵御外源侵害的重要壁壘。尤其當(dāng)這種誘導(dǎo)的免疫響應(yīng)為可遺傳的免疫致敏時(shí)，害蟲就能演化出抗性個(gè)體，進(jìn)而在農(nóng)業(yè)害蟲治理實(shí)踐中產(chǎn)生抗性種群，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全極其不利［54］。因此，研究昆蟲免疫致敏響應(yīng)在農(nóng)業(yè)昆蟲與害蟲防治中是長期而重要的課題，有利于指導(dǎo)生物農(nóng)藥的開發(fā)，促進(jìn)害蟲防治中化學(xué)農(nóng)藥和生物農(nóng)藥的合理使用，對于害蟲抗藥性治理、農(nóng)藥合理運(yùn)用等具有重要借鑒意義。