昆蟲發(fā)育與免疫：現(xiàn)代昆蟲學(xué)一個(gè)重要方向

王 毛,鄒 振,*,徐衛(wèi)華

(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.中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,有害生物控制與資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006)

昆蟲是地球上物種多樣性最高、數(shù)量最多、生物量最大的動(dòng)物群體，廣泛分布于水域、森林和農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)中。有不少昆蟲會(huì)對農(nóng)林及人類健康造成危害，而昆蟲中家蠶Bombyxmori、螞蟻、蜜蜂、五倍子、紫膠蟲等對人類文明發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，仍然有可觀的昆蟲資源有待發(fā)掘。長期以來，研究人員對昆蟲進(jìn)行了多維度的研究，取得了一系列重要成果。昆蟲資源的概念也從傳統(tǒng)的蟲體利用和養(yǎng)殖，擴(kuò)展到昆蟲機(jī)能(昆蟲的感官、定向系統(tǒng)、肢體運(yùn)動(dòng)等)、昆蟲活性物質(zhì)和昆蟲基因等多方面的利用。目前，昆蟲資源保護(hù)利用在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛拓展，其理論與應(yīng)用的相關(guān)研究對昆蟲學(xué)的發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要價(jià)值。

在發(fā)展過程中，昆蟲學(xué)逐漸形成了許多分支學(xué)科，按照學(xué)科的類別可以分為昆蟲分類區(qū)系學(xué)、昆蟲生理與分子生物學(xué)、昆蟲生態(tài)學(xué)、昆蟲毒理學(xué)等。新時(shí)代，新征程，現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步使昆蟲發(fā)育與免疫學(xué)逐漸成為昆蟲學(xué)的一個(gè)重要方向。在昆蟲基因組學(xué)研究的基礎(chǔ)上，以模式昆蟲和重要害蟲為對象，進(jìn)一步系統(tǒng)開展昆蟲發(fā)育、免疫、滯育、生殖和行為等生命活動(dòng)的生理與分子調(diào)控機(jī)制研究，揭示其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，有針對性地開發(fā)導(dǎo)向性害蟲防控技術(shù)。目前，我國昆蟲發(fā)育與免疫的研究與國際同步，本專輯發(fā)表的論文一定程度上反映了我國昆蟲發(fā)育與免疫的整體狀況和最新進(jìn)展。本文首先概述了昆蟲生長發(fā)育與免疫學(xué)的快速發(fā)展，在推介本專輯論文的基礎(chǔ)上評介該學(xué)科發(fā)展的特色，并據(jù)此提出未來發(fā)展的方向和亟需解決的難題，希望有助于提升我國昆蟲生長發(fā)育與免疫研究的原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力。

1 快速發(fā)展的昆蟲發(fā)育與免疫學(xué)

近年來，隨著生物化學(xué)、生物信息學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等基礎(chǔ)研究的興起，有力地推動(dòng)了昆蟲發(fā)育與免疫的研究進(jìn)程，擴(kuò)大了研究領(lǐng)域。而交叉學(xué)科的出現(xiàn)，使昆蟲發(fā)育與免疫之間的互作成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。這里僅僅討論以下幾個(gè)方面。

1.1 激素對昆蟲發(fā)育與免疫的調(diào)控

圍繞昆蟲激素展開的研究以保幼激素(juvenile hormone,JH)和蛻皮激素20-羥基蛻皮酮(20-hydroxyoecdysone,20E)為主，研究激素受體及其下游核受體轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控昆蟲變態(tài)發(fā)育和生殖發(fā)育的分子機(jī)制。近十年來，研究者們以昆蟲細(xì)胞自噬和凋亡調(diào)控果蠅和家蠶的生長發(fā)育為科學(xué)問題，發(fā)現(xiàn)20E通過其受體復(fù)合物ecdysone receptor/ultraspiracle(EcR/USP)和早期轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)自噬相關(guān)基因的表達(dá)，同時(shí)20E通過抑制PI3K-TOR信號(hào)，激活A(yù)TG1蛋白復(fù)合體活性啟動(dòng)細(xì)胞自噬，導(dǎo)致家蠶體細(xì)胞自噬大規(guī)模發(fā)生，提出了20E下游兩條不同的誘導(dǎo)自噬的作用通路 (Tianetal.,2013)。在棉鈴蟲Helicoverpaarmigera中，20E誘導(dǎo)ErGPCR-3形成同源四聚體來增加進(jìn)入細(xì)胞的20E，促進(jìn)變態(tài)過程中幼蟲組織的程序性死亡(Kangetal.,2021)。在中腸中，20E促進(jìn)CTSD的表達(dá)和成熟，使其滯留在幼蟲中腸細(xì)胞內(nèi)促進(jìn)Caspase-3活化，誘導(dǎo)中腸凋亡(Dietal.,2021)。此外，還發(fā)現(xiàn)活性氧可以通過改變胰島素信號(hào)通路延長棉鈴蟲的滯育時(shí)間，揭示了生理水平的活性氧對生物體具有有益的一面(Zhangetal.,2017)。在蚊蟲中，20E通過上調(diào)E93水平來調(diào)控Vg的表達(dá)，有助于蚊蟲啟動(dòng)第2次吸血生殖過程(Wangetal.,2021)。

激素信號(hào)除了調(diào)控昆蟲的發(fā)育，還參與昆蟲的體液免疫與細(xì)胞免疫。Rus團(tuán)隊(duì)利用果蠅DrosophilaS2細(xì)胞和RNAi等方法研究了成蟲中20E調(diào)節(jié)IMD信號(hào)通路的兩種可能機(jī)制(Rusetal.,2013)。在家蠶中，前胸腺釋放的3-脫氫蛻皮激素(3-dehydroecdysone,3DE)被脂肪體中的3DE-3β還原酶(3DE-3β-reductase)轉(zhuǎn)化為活性的20E，而血淋巴中20E滴度升高可以促進(jìn)增強(qiáng)體液和細(xì)胞防御能力(Sunetal.,2016)。根據(jù)現(xiàn)有的研究可以將激素調(diào)控免疫應(yīng)答的分子機(jī)制總結(jié)如下：一是激素及其受體直接調(diào)控免疫相關(guān)基因(immunity-related gene,IMRG)的轉(zhuǎn)錄表達(dá)；二是激素及其受體通過誘導(dǎo)下游的核轉(zhuǎn)錄因子或小RNA(microRNA,miRNA)實(shí)現(xiàn)對免疫的調(diào)控；三是激素不依賴其受體介導(dǎo)的免疫應(yīng)答反應(yīng)。激素與免疫之間的互作交流對有機(jī)體的生存和繁殖非常重要，然而其調(diào)控機(jī)制并不清楚。

此外，激素的多效性功能使得它們成為平衡各個(gè)生理系統(tǒng)之間的候選分子。小菜蛾P(guān)lutellaxylostella幼蟲進(jìn)食Bt病原菌后，JH和20E含量升高且相互串?dāng)_激活下游MAPK信號(hào)通路，最終導(dǎo)致寄主昆蟲在不影響生長發(fā)育的前提下對Bt殺蟲蛋白進(jìn)化產(chǎn)生高抗性(Guoetal.,2020)。在埃及伊蚊Aedesaegypti中，JH在雌蚊促性腺激素生殖周期羽化后極端抑制抗菌肽等免疫蛋白基因激活(Changetal.,2021)。而20E則在卵黃發(fā)生期通過Pirk-like干擾淀粉樣纖維蛋白的形成，從而嚴(yán)格調(diào)控免疫缺陷(immune deficiency,IMD)通路的激活，保證蚊蟲高質(zhì)量、高數(shù)量的繁殖水平(Wangetal.,2022)。明確激素在昆蟲發(fā)育中的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，對開發(fā)新型高選擇性殺蟲劑和促進(jìn)健康高效的經(jīng)濟(jì)昆蟲養(yǎng)殖或保護(hù)都具有十分重要的意義。

1.2 其他因素對昆蟲發(fā)育與免疫的調(diào)控

除了激素，miRNA在昆蟲發(fā)育與免疫調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。目前在果蠅中鑒定到8個(gè)與生長發(fā)育相關(guān)的miRNA，分別為miR-100,miR-125,let-7,miR-14,miR-34,miR-8,miR-965和miR-252。其中miR-125和let-7受到20E的調(diào)控，對果蠅翅的發(fā)育至關(guān)重要(Caygill and Johnston,2008;Sokoletal.,2008)，此外，這兩個(gè)miRNA還參與了果蠅S2細(xì)胞中抗菌肽的表達(dá)調(diào)控(Garbuzov and Tatar,2010)。在果蠅中發(fā)現(xiàn)，miR-34通過抑制Eip75和Dlg1來激活I(lǐng)MD通路，并且過表達(dá)miR-34能加強(qiáng)對革蘭氏陰性細(xì)菌的清除，提高果蠅的存活率，但是miR-34的表達(dá)受到20E的調(diào)控，因此miR-34可能是蛻皮激素信號(hào)通路與先天性免疫通路之間相互作用的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(Xiongetal.,2016)。

另外，金屬離子對所有生物系統(tǒng)的功能都是必要的，是許多蛋白質(zhì)和代謝過程中的重要輔助因子(Dow,2017;Missirlis,2021)。在果蠅中，鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體ZnT63C的缺失會(huì)影響幼蟲和蛹的發(fā)育，降低成蟲的蛻皮率(Wangetal.,2020)。在果蠅的卵子發(fā)生過程中，鋅、鐵和銅是卵巢和卵子中最豐富的金屬，缺鋅會(huì)降低果蠅的產(chǎn)卵量和孵化率，突出了鋅在果蠅繁殖力中的重要作用(Huetal.,2020)。同樣，鐵在維持埃及伊蚊的繁殖力方面也不可或缺(Tsujimotoetal.,2021)。越來越多的研究表明，金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是一把雙刃劍，在昆蟲免疫方面也發(fā)揮了非常重要的作用(Cerenius and S?derh?ll,2021)。

昆蟲具有明顯的表型分化，豐富的表觀遺傳修飾和較小的基因組使其成為研究表觀遺傳修飾的重要對象(Vieiraetal.,2012;Chenetal.,2015)。組蛋白修飾是表觀遺傳修飾的主要形式，包括乙?；⒓谆土姿峄揎椀?。目前，在昆蟲中的組蛋白修飾主要集中在乙?；图谆男揎椉靶揎椕?，利用轉(zhuǎn)錄組測序、染色質(zhì)免疫共沉淀、染色質(zhì)轉(zhuǎn)座酶可及性測序、酶聯(lián)免疫吸附測定和組蛋白修飾酶功能驗(yàn)證等技術(shù)研究表觀遺傳修飾對昆蟲生長發(fā)育和免疫的調(diào)控(趙巖等,2021)。

近年來，隨著高通量測序技術(shù)的快速發(fā)展，昆蟲腸道微生物成為研究的焦點(diǎn)(周帆等,2020)。腸道菌群與宿主之間存在著復(fù)雜的相互作用，對宿主的新陳代謝、生長發(fā)育、交配繁殖、防御解毒等生理活動(dòng)產(chǎn)生了極為重要的影響(Engel and Moran,2013;Luoetal.,2018)。此外，昆蟲腸道微生物的應(yīng)用也有極大的前景。在蟲媒病防控方面，沙雷氏菌屬SerratiaAS1重組菌株能夠穩(wěn)定地在蚊子中腸、雌性卵巢和雄性附屬腺中定殖，分泌抗瘧原蟲的蛋白抑制瘧原蟲在蚊蟲體內(nèi)的生長(Wangetal.,2017)。在害蟲防治方面，生防細(xì)菌假單胞桿菌Pseudomonas已被開發(fā)為商品化的生防制劑，例如CHA0,Pf-5和M18等，不僅能夠保護(hù)植物根系，而且對鱗翅目害蟲的幼蟲也具有強(qiáng)大的殺傷力(Péchy-Tarretal.,2008)。

2 本專輯論文研究特色

本專輯有12篇研究論文和3篇綜述，較完整地體現(xiàn)了目前我國昆蟲發(fā)育與免疫學(xué)研究的熱點(diǎn)。首先是研究對象兼顧模式、農(nóng)業(yè)和資源昆蟲。本專輯的論文研究對象多是大田作物和蔬菜上的鱗翅目害蟲，比如小菜蛾、斜紋夜蛾Spodopteralitura、草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda，也有其他害蟲如飛蝗Locustamigratoria、豌豆蚜Acyrthosiphonpisum。除了害蟲也包括資源昆蟲家蠶B.mori和模式昆蟲黑腹果蠅Drosophilamelanogaster。這充分說明昆蟲種類多、多樣性水平高，而昆蟲發(fā)育和免疫學(xué)的研究方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種昆蟲種類。

其次，發(fā)育方面的內(nèi)容涵蓋從卵到成蟲的所有發(fā)育階段，主要研究信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。首先是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的因子。宋妍等發(fā)現(xiàn)斜紋夜蛾核受體因子FTZ-F1參與響應(yīng)殺蟲劑脅迫(宋妍等,2022)；蒲尚昆等揭示了敲除家蠶paired box protein 3基因會(huì)影響家蠶的發(fā)育(蒲尚昆等,2022)；在家蠶中，黃瓊等篩選了與BmEDF基因G4結(jié)構(gòu)結(jié)合的蛋白(黃瓊等,2022)；時(shí)佳園等鑒定了黑腹果蠅神經(jīng)系統(tǒng)中與RBP9互作的蛋白(時(shí)佳園等,2022)。其他文章涉及信號(hào)通路及其下游分子。贠佳琦等研究了飛蝗中G蛋白偶聯(lián)受體在雌成蟲不同組織中的表達(dá)，并發(fā)現(xiàn)5個(gè)影響卵巢生長和卵發(fā)育的基因(贠佳琦等,2022)；南楠等綜述了果蠅胰島素樣肽8從調(diào)節(jié)幼蟲發(fā)育到影響成蟲生殖的功能和最新進(jìn)展(南楠等,2022)；在家蠶中，王葉菁等克隆了Wnt信號(hào)通路下游基因Pangolin并對其表達(dá)模式進(jìn)行了研究(王葉菁等,2022)；谷峻等對斜紋夜蛾CYP450基因進(jìn)行了鑒定和表達(dá)研究，對可能參與蛻皮激素合成代謝通路的CYP450的調(diào)控進(jìn)行了研究(谷峻等,2022)。還有涉及生殖生理學(xué)的文章。鄒明民等明確了小菜蛾雖然經(jīng)多次交配，但首次交配起主要作用(鄒明民等,2022)。張展?jié)劝l(fā)現(xiàn)苦瓜素Ⅰ干擾斜紋夜蛾的蛻皮過程以及幼蟲-蛹-成蟲的變態(tài)發(fā)育過程，具有極大的殺蟲劑開發(fā)價(jià)值(張展?jié)?2022)。

免疫方面的研究則聚焦于生物互作。比如發(fā)現(xiàn)了敲低miRNA通路基因Dicer-1和AgO-1使得豌豆蚜對細(xì)菌和真菌更敏感(許珍珍等,2022)。陶新娉等的文章報(bào)道了腸道細(xì)菌降低了小菜蛾對Bt敏感性，并探討了其機(jī)制(陶新娉等,2022)；李而濤等分析了小卷蛾斯氏線蟲Steinernemacarpocapsae侵染下草地貪夜蛾的免疫反應(yīng)(李而濤等,2022)。本專輯還包括了兩篇免疫方面的綜述，分別論述了蜱源抗凝血因子和昆蟲血淋巴重要的免疫因子hemocytin的最新研究進(jìn)展(倪軍等,2022;王箐箐等,2022)。

昆蟲發(fā)育與免疫學(xué)在基本研究方法上是互通的。基因克隆和實(shí)時(shí)定量PCR在昆蟲學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用，這些技術(shù)在本專輯絕大多數(shù)文章中都會(huì)有所體現(xiàn)。本專輯也展示了一些較新技術(shù)的應(yīng)用，比如圓二色譜、凝膠遷移、蛋白質(zhì)譜分析、RNA干擾技術(shù)和CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，體現(xiàn)了我國分子昆蟲科學(xué)在方法上進(jìn)步甚快。

3 面向新時(shí)代的展望

新技術(shù)層出不窮，特別是在生物信息學(xué)和組學(xué)技術(shù)全面發(fā)展的今天，如何利用新技術(shù)繼續(xù)創(chuàng)新是昆蟲發(fā)育與免疫學(xué)工作者思考的問題。本專輯的論文在研究內(nèi)容、應(yīng)用技術(shù)等方面給我們做出了示范。我們必須保持中國特色，注重理論、技術(shù)與方法的新穎性和創(chuàng)新性，解決農(nóng)、林、生態(tài)與生物安全等領(lǐng)域的重大難題，趕超國際昆蟲發(fā)育與免疫學(xué)研究的先進(jìn)水平。根據(jù)我們的研究經(jīng)歷，茲提出幾點(diǎn)對于我國昆蟲發(fā)育與免疫未來發(fā)展的建議，僅供參考。

第一，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，將生物大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的信息是我們面臨的重要挑戰(zhàn)之一。過去十年間，深度學(xué)習(xí)得到了迅速發(fā)展。目前深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于生物組學(xué)、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但是在昆蟲生長發(fā)育與免疫中應(yīng)用深度學(xué)習(xí)非常有挑戰(zhàn)性。因?yàn)槲覀兡壳斑€沒有足夠的數(shù)據(jù)量，而且成功的深度學(xué)習(xí)是建立在典型算法細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，這一過程需要時(shí)間。必須要有攻堅(jiān)克難的決心，建立昆蟲學(xué)研究相關(guān)數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化算法，將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于害蟲的監(jiān)測、新型生物農(nóng)藥靶標(biāo)的預(yù)測等方面。近年來，分析化學(xué)逐漸滲透到昆蟲發(fā)育與免疫的研究中，將深化對昆蟲發(fā)育與免疫的見解。利用基于質(zhì)譜技術(shù)的蛋白質(zhì)組學(xué)研究蛋白質(zhì)翻譯后修飾、關(guān)鍵代謝產(chǎn)物、輔酶等，將有助于開發(fā)新的害蟲防控技術(shù)。但是，新技術(shù)在昆蟲中的應(yīng)用總是存在壁壘，例如昆蟲個(gè)體較小，分析化學(xué)(質(zhì)譜和色譜技術(shù))等技術(shù)需要的樣品量較大，很難達(dá)到檢測標(biāo)準(zhǔn)。而且，目前昆蟲相關(guān)的分子數(shù)據(jù)庫很少，例如脂質(zhì)組庫和信息素庫等。

第二，立足于國家重大需求，思考研究昆蟲發(fā)育與免疫的意義。目前，食品安全問題尤其是農(nóng)藥殘留問題日益突出。運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)，研究昆蟲的發(fā)育和免疫機(jī)制為開發(fā)新型的害蟲防控技術(shù)提供理論參考和靶標(biāo)。

第三，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，注重實(shí)踐。需要生物學(xué)研究不同領(lǐng)域的專家進(jìn)行合作，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，將更多的基礎(chǔ)研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。面對深刻的科學(xué)問題，單一的研究往往力不從心，這時(shí)就需要打破禁錮，將各個(gè)研究領(lǐng)域結(jié)合起來。例如，在解析蛋白結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，發(fā)掘新的作用靶標(biāo)，通過高通量篩選等技術(shù)手段將活性化合物用于害蟲防治和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。