葉螨適應(yīng)寄主的分子遺傳機(jī)制研究進(jìn)展

孫荊濤,崔佳蓉,周佳怡,胡琪琪,朱玉溪,洪曉月

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院昆蟲(chóng)學(xué)系,江蘇 南京 210095)

葉螨為蛛形綱、蜱螨亞綱、葉螨總科、葉螨科螨類(lèi)的統(tǒng)稱,是一類(lèi)非常重要的農(nóng)業(yè)害蟲(chóng),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的害螨多來(lái)自葉螨屬(Tetranychchus),如二斑葉螨(T.urticae)、截形葉螨(T.truncatus)等。它們主要以口針刺吸危害植物葉片[1],寄主多達(dá)100余種,常見(jiàn)的包括禾本科(玉米)、錦葵科(棉花)、豆科(大豆、綠豆、紅豆、菜豆等)、茄科(馬鈴薯、茄子、番茄、辣椒等)和葫蘆科(黃瓜、南瓜、西瓜、冬瓜等)等作物[2]。葉螨因具有繁殖速度快、寄主適應(yīng)性強(qiáng)、抗藥性發(fā)展快等特點(diǎn),給其防治帶了極大的挑戰(zhàn),每年全球殺螨劑用量?jī)r(jià)值高達(dá)4億美元[3]。

由于葉螨個(gè)體小,多聚集于葉片背面,為害初期的癥狀不明顯,易被忽視,經(jīng)常出現(xiàn)“小蟲(chóng)成大災(zāi)”現(xiàn)象。長(zhǎng)期以來(lái),生產(chǎn)中防治葉螨主要采用化學(xué)防治的方法,化學(xué)殺蟲(chóng)(螨)劑的大量使用使葉螨成為抗藥性最強(qiáng)的害蟲(chóng)之一[4]。葉螨不僅是我國(guó)的重要害蟲(chóng),也是其他國(guó)家的重要害蟲(chóng),在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的為害尤為嚴(yán)重。以加拿大安大略省為例,該省有超過(guò)600 hm2的溫室蔬菜,葉螨是番茄、黃瓜、辣椒等溫室蔬菜最重要的害蟲(chóng)(http://agr.gc.ca/eng/)。葉螨的破壞性影響也給歐洲南部的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的問(wèn)題[5]。葉螨已經(jīng)成為目前影響農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量的重要害蟲(chóng)之一。

近年來(lái),化學(xué)殺蟲(chóng)(螨)劑的大量使用加快了葉螨抗性演化的速度[6]。轉(zhuǎn)基因棉的大量種植、氣候適宜、輪作倒茬少、秋耕冬灌不到位等原因,葉螨對(duì)棉花的危害也日趨嚴(yán)重[7]。另外,我國(guó)農(nóng)村的蔬菜種植模式多為非連片性的塊狀種植,種類(lèi)繁多,這也為多食性葉螨的暴發(fā)提供了有利條件。因此,在生產(chǎn)上迫切需要對(duì)葉螨加強(qiáng)防控。

本文綜述我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上最為重要的葉螨屬葉螨的發(fā)生概況,探討截形葉螨在我國(guó)成為優(yōu)勢(shì)害螨的原因,探討葉螨適應(yīng)寄主的分子遺傳機(jī)制研究進(jìn)展和未來(lái)需要重點(diǎn)突破的研究方向,為深入解析葉螨災(zāi)變機(jī)制提供新思路。

1 葉螨發(fā)生概況

就世界范圍來(lái)看,綠色型二斑葉螨是危害最為嚴(yán)重的葉螨[4,8]。該螨能夠取食1 150多種植物[2],且對(duì)超過(guò)90種殺螨(蟲(chóng))劑產(chǎn)生抗性[3],在絕大多數(shù)國(guó)家都有分布。但是不同國(guó)家害螨種類(lèi)發(fā)生程度并不相同。如我國(guó)主要害螨是截形葉螨[9-10],依發(fā)生頻次從大到小依次為截形葉螨、紅葉螨(T.pueraricola)、神澤氏葉螨(T.kanzawai)、紅色型二斑葉螨、綠色型二斑葉螨等害螨,其中綠色型二斑葉螨對(duì)于我國(guó)是入侵害螨[10]。日本的優(yōu)勢(shì)害螨則為二斑葉螨綠色型和神澤葉螨(T.piercei)。即使同一國(guó)家不同地區(qū)間的優(yōu)勢(shì)害螨種類(lèi)也不同,如我國(guó)北方的優(yōu)勢(shì)害螨是截形葉螨,在西南地區(qū)優(yōu)勢(shì)害螨為紅葉螨[10],臺(tái)灣省的則為神澤葉螨[11]。這表明不同地域優(yōu)勢(shì)種類(lèi)可能受當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境影響。Gotoh 等[12]比較不同溫度下 5種葉螨的內(nèi)稟增長(zhǎng)率和發(fā)育時(shí)間,發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從15 ℃ 升高到35 ℃,截形葉螨的發(fā)育時(shí)間持續(xù)減少,內(nèi)稟增長(zhǎng)率不斷增加,而其他4種葉螨屬葉螨(T.ludeni、T.phaselus、T.piercei、T.urticae)在溫度高于30 ℃時(shí),種內(nèi)稟增長(zhǎng)率都顯著下降。這表明截形葉螨在全球變暖的條件下更可能成為優(yōu)勢(shì)種。此外,在外界條件的改變下,優(yōu)勢(shì)種會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。例如,我國(guó)20世紀(jì)80年代以前危害嚴(yán)重的葉螨多為體色為紅色的葉螨,例如紅色型二斑葉螨、神澤葉螨、截形葉螨等。綠色型二斑葉螨自1983年入侵我國(guó)后,迅速擴(kuò)散成為部分地區(qū)棉田、蔬菜以及多種果樹(shù)的優(yōu)勢(shì)害螨[13]。

1.1 我國(guó)葉螨優(yōu)勢(shì)種的演變

自20世紀(jì)80年代以來(lái),綠色型二斑葉螨被認(rèn)為是我國(guó)最重要的害螨和大多數(shù)地區(qū)棉花和蔬菜上的優(yōu)勢(shì)種類(lèi)[10,14-16]。然而本團(tuán)隊(duì)通過(guò)2002年到2016年在全國(guó)大范圍采樣鑒定發(fā)現(xiàn),自2009年以后,綠色型二斑葉螨發(fā)生程度逐漸降低,而截形葉螨逐漸上升,已經(jīng)成為我國(guó)大部分地區(qū)棉花和蔬菜的優(yōu)勢(shì)害螨。

我們還發(fā)現(xiàn)近5年來(lái)我國(guó)農(nóng)作物害螨的發(fā)生情況有以下特點(diǎn):1)在東北和華北地區(qū),玉米和蔬菜上的主要害螨種類(lèi)為截形葉螨,紅色型二斑葉螨零星發(fā)生;2)新疆棉田的主要害螨包括截形葉螨、土耳其斯坦葉螨和二斑葉螨等,不同年份、不同地區(qū)優(yōu)勢(shì)種不同,總體表現(xiàn)為截形葉螨發(fā)生較嚴(yán)重;3)南方蔬菜葉螨種類(lèi)較多,優(yōu)勢(shì)種包括(按發(fā)生程度順序)皮氏葉螨、截形葉螨、神澤氏葉螨、紅色型二斑葉螨,而西南地區(qū)主要害螨為紅葉螨和截形葉螨。我國(guó)相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)截形葉螨上升成為蔬菜上的優(yōu)勢(shì)害螨,部分年份也是棉花上的優(yōu)勢(shì)害螨[9,17]。由于葉螨并非常規(guī)監(jiān)測(cè)害蟲(chóng),其種群數(shù)量的變化并沒(méi)有詳實(shí)的記錄,截形葉螨暴發(fā)的原因尚不清楚。

1.2 截形葉螨暴發(fā)的原因探討

影響害蟲(chóng)暴發(fā)的因素很多,包括其自身的擴(kuò)散能力、氣候、寄主、天敵及競(jìng)爭(zhēng)者等因素。害蟲(chóng)暴發(fā)是多種因素交互作用的結(jié)果,機(jī)制很復(fù)雜[18]。為了揭示我國(guó)不同葉螨發(fā)生程度差異的原因,本課題組近年來(lái)調(diào)查了我國(guó)主要發(fā)生的12種葉螨暴發(fā)程度與其所處的系統(tǒng)發(fā)育地位、寄主范圍、地理分布和群體遺傳分化等因素的關(guān)系,推測(cè)截形葉螨較寬的寄主范圍可能是其演變?yōu)閮?yōu)勢(shì)害螨的關(guān)鍵因素[16]。

針對(duì)截形葉螨暴發(fā)問(wèn)題,本課題組首先通過(guò)微衛(wèi)星和線粒體分子標(biāo)記對(duì)截形葉螨地理種群的遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)我國(guó)截形葉螨種群遺傳多樣性較低,種群間遺傳分化程度較高,遺傳分化主要受地理隔離的影響,地理種群中存在2個(gè)祖先群[19],一定程度上說(shuō)明截形葉螨的暴發(fā)并非因?yàn)槿~螨大規(guī)模的擴(kuò)散傳播?；谖覀兦捌诘倪@些研究結(jié)果,并根據(jù)截形葉螨暴發(fā)現(xiàn)狀,推測(cè)截形葉螨較廣食性譜的本質(zhì)是其較強(qiáng)的寄主適應(yīng)能力。由于截形葉螨主要分布于亞洲,且在其他國(guó)家發(fā)生危害程度較輕,目前該螨適應(yīng)不同寄主的分子機(jī)制研究幾乎處于空白。

2 葉螨適應(yīng)寄主作物的分子機(jī)制

植食性昆蟲(chóng)(或螨)與其寄主植物之間攻與守的“軍備競(jìng)賽”已有400萬(wàn)年的歷史[20]。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中,昆蟲(chóng)與植物這種“軍備競(jìng)賽”不斷演化升級(jí),也促成了當(dāng)今世界植物和昆蟲(chóng)的多樣性。植物為了抵御昆蟲(chóng)的侵害,演化出了自身的防御系統(tǒng)。植物對(duì)昆蟲(chóng)防御分為組成型防御和誘導(dǎo)型防御。組成型防御機(jī)制包括植物的生理結(jié)構(gòu)或者植物本身固有的防御性化合物質(zhì)[21],它們能夠阻礙昆蟲(chóng)取食、延緩昆蟲(chóng)生長(zhǎng)或者殺死昆蟲(chóng)[22]。為了應(yīng)對(duì)植物的組成型防御,昆蟲(chóng)逐漸演化出不同類(lèi)型的口器來(lái)取食植物。植物為了應(yīng)對(duì)昆蟲(chóng)的取食也能夠迅速做出反應(yīng),建立第二層保護(hù)機(jī)制,稱為誘導(dǎo)型防御。誘導(dǎo)型防御一方面通過(guò)植物自身生理變化以產(chǎn)生防御物質(zhì)(防御蛋白或有毒次生代謝物)致使昆蟲(chóng)停止取食、生長(zhǎng)發(fā)育不良、繁殖能力下降,甚至死亡從而實(shí)現(xiàn)直接防御;另一方面,通過(guò)釋放揮發(fā)性物質(zhì)以吸引天敵昆蟲(chóng)寄生或捕食從而實(shí)現(xiàn)間接防御[6,23-25]。而昆蟲(chóng)為了攻克植物的防御,也演化出相應(yīng)的進(jìn)攻體系。首先從取食開(kāi)始,昆蟲(chóng)將唾液分泌到植物體內(nèi)。唾液中的活性分子能夠干擾寄主植物的防御以便昆蟲(chóng)的取食[26-28];取食后,昆蟲(chóng)會(huì)啟動(dòng)自身的解毒代謝系統(tǒng),對(duì)植物所產(chǎn)生的一系列有毒的防御化合物進(jìn)行氧化還原分解、極性修飾和包裝外排[29]。

植食性害螨對(duì)寄主適應(yīng)的相關(guān)研究已取得了一系列進(jìn)展,這類(lèi)研究主要集中在二斑葉螨。二斑葉螨能夠在廣泛的寄主植物上為害,表明其已進(jìn)化出一種非凡的能力,可以逃避與寄主相關(guān)的異質(zhì)性防御反應(yīng)。研究表明雖然最初在轉(zhuǎn)移的寄主上適合度較低,但是隨著時(shí)間的推移(5～25代),二斑葉螨最終能夠完全適應(yīng)寄主。這種適應(yīng)能力可以由二斑葉螨基因組中消化、解毒和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因家族的擴(kuò)張來(lái)解釋。除了這些基因家族外,二斑葉螨還通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移獲得了新的解毒基因從而提升適合度,如內(nèi)環(huán)裂解雙加氧酶能使葉螨在生氰的植物上取食[30]。

2.1 葉螨調(diào)控植物防御

葉螨在取食植物時(shí),利用口針刺穿表皮或葉肉細(xì)胞,然后吸食細(xì)胞內(nèi)容物[30]。而其他刺吸式口器的昆蟲(chóng)(如飛虱、蚜蟲(chóng)和煙粉虱)在取食時(shí)將口針刺入植物負(fù)責(zé)運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的韌皮部中來(lái)吸取汁液[31]。飛虱、煙粉虱和蚜蟲(chóng)在取食植物時(shí)能夠利用水楊酸(SA)和茉莉酸(JA)之間的拮抗作用使自身獲益[32]。如煙粉虱取食往往能夠通過(guò)誘導(dǎo)SA信號(hào)通路和抑制JA信號(hào)通路從而提高表現(xiàn)力[33]。但是,葉螨調(diào)控植物防御不依賴SA和JA之間的拮抗作用。二斑葉螨取食番茄能同時(shí)誘導(dǎo)SA和JA的產(chǎn)生,而一些二斑葉螨的品系和伊氏葉螨取食番茄時(shí)會(huì)抑制SA和JA的產(chǎn)生[34]。因此,葉螨獨(dú)特的取食方式可能導(dǎo)致其調(diào)控植物防御的特殊性。目前,葉螨與植物互作的研究主要集中在二斑葉螨、伊氏葉螨與模式植物番茄、擬南芥、煙草和葡萄等的互作系統(tǒng)中[35-37]。

二斑葉螨的取食會(huì)誘導(dǎo)番茄[34-35,38]、擬南芥[36]、柑橘[39]等植物體內(nèi)JA與SA的累積,在這些互作模式中,SA與JA防御之間并沒(méi)有表現(xiàn)出拮抗作用,SA防御在番茄中可以抵抗二斑葉螨的為害[34],但是,在擬南芥和柑橘中,SA防御對(duì)二斑葉螨的效應(yīng)并不顯著[36,39]。有趣的是,在菜豆上,SA與JA防御的拮抗效應(yīng)調(diào)控植物對(duì)二斑葉螨的間接防御[40],表明這些激素之間的關(guān)系依賴于寄主植物種類(lèi)。不同植物激素在誘導(dǎo)防御中的作用存在差別,產(chǎn)生的防御代謝物也不同。例如,擬南芥依賴吲哚芥子油苷產(chǎn)物,而番茄防御依賴抗消化蛋白(如亮氨酸氨肽酶、蘇氨酸脫氨酶以及多酚氧化酶等)[35]。葡萄依賴抗消化蛋白和防御代謝產(chǎn)物[37]。系統(tǒng)性誘導(dǎo)效應(yīng)在葉螨中很普遍。葉螨取食植物后,誘導(dǎo)防御不僅發(fā)生在取食部位,在非取食部位也能檢測(cè)到防御次生物質(zhì)的顯著累積[30]。

一些葉螨還可以通過(guò)抑制植物防御反應(yīng)來(lái)提高自身的適合度,并且由于長(zhǎng)期的演化,不同葉螨間的抑制機(jī)制相同。例如,伊氏葉螨和部分二斑葉螨可以抑制植物防御,這種防御發(fā)生在JA與SA累積的下游,而且不依賴于JA-SA的拮抗作用[34]。神澤葉螨T.kanzawai操縱菜豆葉片JA-SA的交互作用從而抑制JA防御[41]。最近研究發(fā)現(xiàn),葉螨干擾植物的防御反應(yīng)與其唾液中蛋白有關(guān),這些蛋白破壞寄主植物的防御系統(tǒng)并誘導(dǎo)植物的易感性[28,42]。

除了植食者編碼的分泌蛋白外,來(lái)源于植食者相關(guān)的細(xì)菌微生物也可以在調(diào)控植物防御中起作用[43-44]。葉螨普遍感染W(wǎng)olbachia、Cardinium、Spiroplasma和Rickettsia等共生菌,這些共生影響宿主生長(zhǎng)發(fā)育[45-47],最近發(fā)現(xiàn)這些共生菌與調(diào)控植物防御反應(yīng)有關(guān)[48]。另外,一些螨類(lèi),如Brevipalpus等傳播病毒,改變螨誘導(dǎo)的植物防御應(yīng)答,增加自身的生長(zhǎng)發(fā)育和促進(jìn)病毒傳播[49]。目前的研究主要關(guān)注葉螨分泌的唾液蛋白,許多具有酶活性的排泄物以及絲在植物與葉螨互作中的作用未知。

2.2 葉螨唾液蛋白在抵御植物防御中的作用

昆蟲(chóng)(或螨)的唾液由唾液腺分泌,通過(guò)口針注入植物組織內(nèi),在植物防御調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。刺吸性昆蟲(chóng)唾液分為膠狀唾液和水狀唾液[50]。唾液的成分包括多種酶類(lèi)(細(xì)胞壁降解酶、消化酶、解毒酶等)、結(jié)合蛋白以及許多未知功能的蛋白[51]。其中,多酚氧化酶、過(guò)氧化物酶等調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng),并降解植物中有毒的酚類(lèi),幫助昆蟲(chóng)抵御植物防御[52]。在昆蟲(chóng)唾液中也發(fā)現(xiàn)許多與蛋白合成、食物消化、解毒相關(guān)的基因,如葡萄糖脫氫酶(glucose dehyrogenses)、細(xì)胞黏附蛋白(peroxinectin)等基因參與調(diào)控植物的防御[53]。昆蟲(chóng)唾液中的一些蛋白,如鈣調(diào)素(regucalcin)等能夠調(diào)節(jié)食物中鈣離子濃度,與昆蟲(chóng)刺吸植物韌皮部細(xì)胞泄漏的鈣離子結(jié)合,抑制植物篩管堵塞等防御反應(yīng)[54]。蚜蟲(chóng)和葉蟬中的碳酸酐酶,具有調(diào)節(jié)pH的功能,抑制植物產(chǎn)生水楊酸,干擾植物的抗蟲(chóng)防御[54-55]。在昆蟲(chóng)取食中,唾液傳播植物病原細(xì)菌、病毒等微生物,也干擾植物的防御,進(jìn)而干擾植物與宿主的互作,這種反應(yīng)都具有層級(jí)效應(yīng)。

昆蟲(chóng)唾液中包含大量的分泌蛋白,這些分泌蛋白有的能被植物識(shí)別從而激活植物的防御反應(yīng),因此被稱為激發(fā)子,而有的能夠抑制植物防御發(fā)揮效應(yīng)子的功效[56]。類(lèi)似于病原菌分泌的效應(yīng)子(effector),昆蟲(chóng)分泌的效應(yīng)子能夠抑制植物免疫以提高昆蟲(chóng)的表現(xiàn)力。目前,已經(jīng)在植食性昆蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)許多唾液效應(yīng)子,例如,棉鈴蟲(chóng)中的GOX(glucose oxidase)具有葡萄糖氧化酶的功能[57],豌豆蚜效應(yīng)子C002[58],桃蚜(Myzuspersicae)中Mp1、Mp2和Mp55[59],馬鈴薯蚜(Macrosiphumeuphorbiae)中Me10與Me23,具有谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的功能[60]。

鑒于昆蟲(chóng)唾液在昆蟲(chóng)與植物之間互作中的重要性,葉螨唾液的研究也逐漸成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)Kant團(tuán)隊(duì)和比利時(shí)根特大學(xué)Thomas團(tuán)隊(duì)同時(shí)于2016年分別發(fā)表了二斑葉螨唾液相關(guān)的研究,開(kāi)啟了葉螨唾液蛋白研究的大門(mén)[26,28]。Thomas團(tuán)隊(duì)采用人工飼料收集二斑葉螨唾液,通過(guò)LC-MS/MS鑒定出90個(gè)假定的唾液蛋白,結(jié)合轉(zhuǎn)錄組和蛋白組發(fā)現(xiàn),其中有許多唾液蛋白具有效應(yīng)子的特征[26]。Kant團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)二斑葉螨和伊氏葉螨中的效應(yīng)子Te84和Te28可以抑制煙草的防御,提高葉螨的生殖,并解釋了這2個(gè)基因與植物互作的分子機(jī)制(圖1)[28]。此后葉螨唾液蛋白與植物互作方面的研究逐漸展開(kāi)。本團(tuán)隊(duì)[61-62]也對(duì)我國(guó)2種重要害螨截形葉螨和伊氏葉螨唾液蛋白進(jìn)行了鑒定和測(cè)序,分別鑒定到177個(gè)截形葉螨唾液蛋白和136個(gè)伊氏葉螨唾液蛋白。我們將葉螨的唾液蛋白與節(jié)肢動(dòng)物中鑒定到的唾液蛋白進(jìn)行比對(duì),發(fā)現(xiàn)一些唾液蛋白在所有物種中是常見(jiàn)的,而另一些則是葉螨特有的。這些特有的蛋白可能是葉螨抑制植物防御的原因,還需要進(jìn)一步研究。

圖1 葉螨效應(yīng)子引發(fā)植物抗性與敏感性[28]Fig.1 Spider mite effectors might elicit plant resistance or susceptibility[28]

2.3 葉螨的解毒代謝系統(tǒng)

在葉螨完成取食后,解毒代謝系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)植物所產(chǎn)生的防御化合物進(jìn)行解毒,其功能的強(qiáng)弱直接決定著葉螨對(duì)寄主植物的適合度。解毒代謝系統(tǒng)在植食性昆蟲(chóng)和螨適應(yīng)不同寄主中起著至關(guān)重要的作用。解毒代謝系統(tǒng)對(duì)植物所產(chǎn)生的防御化合物的解毒可分為3個(gè)階段[63-64]。第一階段,昆蟲(chóng)通過(guò)P450單加氧酶(P450 monooxygenases,P450)和羧酸酯酶對(duì)植物產(chǎn)生的防御化合物進(jìn)行氧化、水解或還原;第二階段是極性集團(tuán)的結(jié)合。在這2個(gè)階段,在谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferases,GST)、羥基-膽堿酯酶硫磺基轉(zhuǎn)移酶和葡糖基轉(zhuǎn)移酶的催化作用下,親水性的谷胱甘肽集團(tuán)、硫酸基或糖基將與植物防御化合物連接,從而增加化合物的極性,促進(jìn)細(xì)胞在第三階段對(duì)其的外泄。在第三階段,昆蟲(chóng)細(xì)胞則對(duì)第二階段產(chǎn)生的極性復(fù)合物進(jìn)行外排。目前研究表明此階段主要由ATP結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)責(zé)。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白因含有一個(gè)三磷酸腺苷(ATP)的結(jié)合盒(ATP-binding cassette,ABC)而得名,是一類(lèi)膜整合蛋白,它利用ATP水解后產(chǎn)生的能量對(duì)溶質(zhì)中各種生物分子進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。在昆蟲(chóng)中,ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能夠影響代謝和發(fā)育,并且還與抵御殺蟲(chóng)劑和植物防御化合物的毒性有關(guān)。這些解毒代謝基因在植食性昆蟲(chóng)發(fā)生寄主轉(zhuǎn)移時(shí),mRNA的表達(dá)會(huì)迅速響應(yīng),表現(xiàn)出很強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄可塑性。越來(lái)越多的研究表明這種轉(zhuǎn)錄可塑性在昆蟲(chóng)對(duì)寄主適應(yīng)性演化過(guò)程中扮演著重要的角色[65]。

由于截形葉螨在其他國(guó)家和地區(qū)輕發(fā)微害,目前對(duì)其適應(yīng)寄主及對(duì)植物防御化合解毒代謝機(jī)制的研究報(bào)道較少。而截形葉螨的同屬近緣種——二斑葉螨,世界分布廣泛,研究較為系統(tǒng)和深入。與截形葉螨類(lèi)似,二斑葉螨也為多食性害螨,為害植物種類(lèi)多達(dá)1 100多種,是世界性的大害螨,在歐洲發(fā)生尤為嚴(yán)重,但它對(duì)于我國(guó)是入侵螨類(lèi),入侵過(guò)程中的種群瓶頸效應(yīng)和遺傳漂變可能導(dǎo)致其遺傳多樣性的喪失,發(fā)生率和為害程度遠(yuǎn)低于截形葉螨[10,66]。為了揭示二斑葉螨強(qiáng)寄主適應(yīng)性的機(jī)制,2011年加拿大Grbi團(tuán)隊(duì)對(duì)二斑葉螨(綠色型)全基因組進(jìn)行了測(cè)序[8],發(fā)現(xiàn)P450、GST和ABC等基因家族基因都有不同程度的擴(kuò)張,可能是強(qiáng)寄主適應(yīng)性的遺傳基礎(chǔ)。其中葉螨P450基因家族中的CYP2宗的基因與已報(bào)道昆蟲(chóng)的明顯不同(圖2-A),該類(lèi)基因缺少內(nèi)含子,且基因復(fù)制現(xiàn)象嚴(yán)重,在葉螨中的數(shù)量(48個(gè))顯著多于已報(bào)道昆蟲(chóng)(7～20個(gè))?；虻臄U(kuò)張會(huì)提高其參與的相關(guān)代謝途徑的效率,而收縮則會(huì)降低效率或中斷[64,67]。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)CYP2的CYP392家族的基因可能參與二斑葉螨對(duì)殺螨劑和寄主防御化合物的解毒代謝[68-70]。在哺乳動(dòng)物中的研究中也發(fā)現(xiàn)CYP2B基因拷貝數(shù)和基因序列變異與其食性譜相關(guān),專(zhuān)食性的生物較多食性的至少多5個(gè)基因拷貝,且基因受到強(qiáng)烈負(fù)選擇作用,遺傳變異較少[71]。由于CYP2宗的基因在昆蟲(chóng)中的數(shù)量較少,對(duì)其研究報(bào)道有限,具體功能尚不明確。

圖2 二斑葉螨P450基因家族(A)[8]和ABC基因家族(B)[72]進(jìn)化樹(shù)Fig.2 Phylogenetic trees of P450 gene family(A)[8] and ABC gene family(B)[72]

二斑葉螨基因組中還存在大量的ABC基因,多達(dá)103個(gè),在已報(bào)道的后生動(dòng)物基因組中數(shù)量最多。系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn),ABC家族中ABCC、ABCG和ABCH亞家族基因的劇烈擴(kuò)張引起了ABC基因數(shù)量的激增(圖2-B),特別是ABCC亞家族,它具有最多的ABC基因(36個(gè))[73]。并且Dermauw等[73]通過(guò)比較轉(zhuǎn)錄組研究發(fā)現(xiàn),ABCC、ABCG和ABCH亞家族的基因在二斑葉螨轉(zhuǎn)移寄主后轉(zhuǎn)錄調(diào)控發(fā)生顯著變化,推測(cè)這些基因可能直接參與葉螨對(duì)植物防御化合物的代謝,但目前尚缺少實(shí)驗(yàn)生物學(xué)證據(jù)。

2.4 葉螨的解毒代謝系統(tǒng)與食性演化

專(zhuān)食性或寡食性能使昆蟲(chóng)(或螨類(lèi))更好地利用寄主的營(yíng)養(yǎng)并適應(yīng)寄主的防御化合物,被認(rèn)為是食性演化的方向[72]。Forister等[74]對(duì)全球7 500種植食性昆蟲(chóng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)約76%的類(lèi)群僅取食某一科的植物。而葉螨屬的食性進(jìn)化似乎與這一趨勢(shì)相悖,幾乎都為多食性,但在食性譜和偏好性上有所分化。如伊氏葉螨(T.evansi)和盧氏葉螨(T.ludeni)較同屬其他種類(lèi)食性譜窄,且偏好茄科類(lèi)作物;荊豆葉螨(T.lintearius)的寄主僅限于荊豆屬(Ulex)的植物[64]。

食性譜的寬窄與解毒代謝系統(tǒng)能力的強(qiáng)弱呈正相關(guān)[75]。解毒代謝能力受生物體內(nèi)解毒代謝系統(tǒng)基因數(shù)量、基因調(diào)控機(jī)制和基因序列變異等因素的控制。一般多食性的昆蟲(chóng)較寡食性和單食性的具有更多的解毒代謝基因[29,63-64,75]。如Feyereisen[67]發(fā)現(xiàn)多食性的二斑葉螨較食性譜較窄的伊氏葉螨和單食性的荊豆葉螨具有更多的P450基因,推測(cè)這些基因可能賦予二斑葉螨更強(qiáng)的解毒代謝能力。

除解毒代謝基因數(shù)量變異外,轉(zhuǎn)錄調(diào)控的可遺傳變異也會(huì)影響昆蟲(chóng)或螨的解毒代謝能力。按照昆蟲(chóng)在應(yīng)對(duì)寄主植物轉(zhuǎn)換時(shí)基因轉(zhuǎn)錄響應(yīng)方式的不同,解毒代謝基因可劃分為組成型表達(dá)基因和可塑型表達(dá)基因[65,76]。組成型表達(dá)基因不受取食寄主種類(lèi)影響,持續(xù)穩(wěn)定表達(dá);而可塑性表達(dá)基因會(huì)受不同寄主植物防御化合物的誘導(dǎo),表達(dá)量會(huì)發(fā)生瞬時(shí)改變。如果在某一特定寄主的持續(xù)選擇下,昆蟲(chóng)體內(nèi)的一些解毒代謝基因的表達(dá)可塑性會(huì)逐漸喪失,演化為結(jié)構(gòu)性表達(dá)基因,以優(yōu)化昆蟲(chóng)對(duì)該寄主的適應(yīng)性[76-77]。即使在種內(nèi)不同適應(yīng)寄主種群間,結(jié)構(gòu)性表達(dá)基因和可塑性基因的表達(dá)量也會(huì)發(fā)生變異。如二斑葉螨菜豆適應(yīng)種群在經(jīng)番茄上馴化30代再轉(zhuǎn)入菜豆后,與原品系相比,部分結(jié)構(gòu)性表達(dá)基因表達(dá)量下調(diào),且可塑性基因的響應(yīng)敏感度也發(fā)生了顯著變化[65]。這種表達(dá)模式的快速進(jìn)化暗示其在寄主適應(yīng)性中的重要作用。目前,對(duì)于葉螨解毒代謝系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的遺傳機(jī)制尚不清楚,解毒基因順式調(diào)控元件(cis-)和反式作用元件(trans-)的序列變異可能與此有關(guān)[75],需進(jìn)一步研究。

此外,解毒代謝基因的序列變異也會(huì)影響解毒代謝酶與植物防御化合物的結(jié)合能力,進(jìn)而影響解毒代謝效率和化合物的種類(lèi)[6,64,75]。如專(zhuān)食含有呋喃香豆素植物的珀夜蝶(Papiliopolyxenes)CYP6B基因編碼的蛋白較其多食性的近緣種大黃鳳蝶(P.glaucus)和加拿大虎鳳蝶(P.canadensis)具有不同的催化活性中心,代謝試驗(yàn)也證實(shí)兩者解毒代謝的化合物種類(lèi)和效率上存在顯著差異。珀夜蝶的CYP6B對(duì)呋喃香豆素解毒代謝效率顯著高于大黃鳳蝶和加拿大虎鳳蝶,但對(duì)其他幾種化合物(如花椒毒素、槲皮黃酮、黃酮、綠原酸等)的代謝效率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2種鳳蝶。Bono等[78]在果蠅中的研究也發(fā)現(xiàn)Drosophilamettleri對(duì)仙人掌中生物堿的解毒作用與P450的CYP28A1基因的適應(yīng)性進(jìn)化有關(guān)。因此對(duì)葉螨解毒代謝系統(tǒng)的研究還需進(jìn)一步考慮基因變異的影響。

3 研究展望

近年來(lái),葉螨對(duì)寄主植物適應(yīng)性機(jī)制的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,但仍存在以下不足:1)葉螨與植物互作的分子機(jī)制研究還處于起步階段,對(duì)于鑒定到的唾液蛋白的功能在很大程度上還是未知的,并且這些效應(yīng)子在植物中的互作基因還不清楚,在未來(lái)的研究中需要更深入挖掘效應(yīng)子對(duì)應(yīng)的植物靶標(biāo)及其互作的分子機(jī)制。2)目前對(duì)葉螨寄主有毒化合物的解毒代謝機(jī)制的研究多止步于比較轉(zhuǎn)錄組研究和表達(dá)量變化描述,且多數(shù)研究中僅采用1個(gè)地理種群,基因表達(dá)差異可能由于葉螨飼養(yǎng)過(guò)程中種群遺傳漂變?cè)斐?而并非是對(duì)寄主植物的適應(yīng)性進(jìn)化[79],對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控變異的遺傳機(jī)制也缺乏深入研究;并且真核生物中普遍存在轉(zhuǎn)錄后調(diào)控和修飾,轉(zhuǎn)錄水平的變化可能與蛋白表達(dá)水平變化不一致,導(dǎo)致研究結(jié)論的偏差甚至錯(cuò)誤。3)由于葉螨體型較小,通過(guò)遺傳操作來(lái)驗(yàn)證葉螨基因的功能難度較大,因此對(duì)葉螨功能基因的解析一直處于瓶頸。Suzuki等[80]開(kāi)發(fā)了針對(duì)葉螨的RNA干擾浸泡法,該方法具有操作簡(jiǎn)便和干擾效率高的特點(diǎn),可以用于初步探索基因功能。要想深入解析基因功能或基因變異對(duì)基因功能的影響,僅靠RNA干擾技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,必須依賴CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)。雖然目前已有1例葉螨基因編輯成功案例的報(bào)道,但葉螨體內(nèi)基因編輯效率極低(<0.6%)[81],離大規(guī)模實(shí)際運(yùn)用還有較遠(yuǎn)距離。

針對(duì)葉螨對(duì)寄主植物適應(yīng)性的研究現(xiàn)狀與不足,我們提出一些未來(lái)研究的方向:1)開(kāi)發(fā)適用于葉螨的高效基因編輯技術(shù),破除葉螨基因功能研究的瓶頸。2)深入探究葉螨效應(yīng)子的靶標(biāo)、效應(yīng)子的定位、在特定防御應(yīng)答中效應(yīng)子靶標(biāo)的功能、寄主植物間靶標(biāo)的保守性。3)轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組、功能基因組等多組學(xué)聯(lián)合分析,系統(tǒng)解析葉螨解毒代謝系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)制。4)通過(guò)葉螨不同地理種群,解析田間葉螨解毒代謝基因的遺傳多樣性和選擇進(jìn)化模式,鑒定與寄主適應(yīng)相關(guān)的基因或基因型,進(jìn)一步揭示葉螨對(duì)寄主適應(yīng)性的機(jī)制。