植物病媒昆虫的翅型分化

俞金婷, 陈小芳, 任应党, 崔 峰,*

(1. 中国科学院动物研究所, 农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室, 北京 100101;2. 中国科学院大学生物互作卓越创新中心, 北京 100049; 3. 河南省农业科学院植物保护研究所, 郑州 450002)

非遗传多型性(polyphenism)是指具有相同基因型的生物体表现出两种或两种以上不同的表型(Simpsonetal., 2011)。这种现象在昆虫中普遍存在，如东亚飞蝗Locustamigratoria的群居型和散居型，东方蜜蜂Apiscerana、蚂蚁(Formicidae)等的社会等级分化，豌豆蚜Acyrthosiphonpisum、飞虱(Delphacidae)等的翅多型(wing polymorphism)以及蝴蝶(Rhopalocera)翅图案的多型性等。其中翅多型现象在等翅目(Isoptera)[如白蚁(Termitidae)分为长翅型、短翅型和无翅型]、缨翅目(Thysanoptera)[如蓟马(Thripidae)分为有翅型和无翅型]、半翅目(Hemiptera)(如豌豆蚜A.pisum分为有翅型和无翅型)、膜翅目(Hymenoptera)(如蚂蚁分为有翅型和无翅型)及直翅目(Orthoptera)[如蟋蟀(Gryllidae)分为长翅型和短翅型]等多个目的昆虫中均存在，主要有不具飞行能力的短翅型或无翅型，以及可以进行长距离迁飞的长翅型或有翅型(薛宪词和于黎, 2017)。通常短翅型或无翅型属于定居型，其繁殖能力更强，发育速度较快；而长翅型或有翅型属于迁飞型，可以在环境不利的条件下向外迁飞。

媒介昆虫作为一类可以携带病原并将其传播给宿主的昆虫，既可传播人类病原，如中华按蚊Anophelessinensis和埃及伊蚊Aedesaegypti等，也可传播植物病原，如飞虱和蓟马等。翅多型现象多发生在植病媒介昆虫中，目前对植病媒介昆虫翅多型分化的研究主要集中在半翅目的蚜虫和飞虱中。蚜虫种类繁多，分布在世界各地，可传播植物病毒，如大麦黄矮病毒(barley yellow dwarf virus, BYDV)和黄瓜花叶病毒(cucumber mosaic virus, CMV)等，对农作物造成极其严重的危害；褐飞虱Nilaparvatalugens、白背飞虱Sogatellafurcifera和灰飞虱Laodelphaxstriatellus3种稻飞虱以取食水稻汁液为生，同时还可以传播水稻条纹病毒(rice stripe virus, RSV)和水稻黑条矮缩病毒(rice black-streaked dwarf virus, SRBSDV)等多种病毒，使水稻产量下降；玉米蜡蝉Peregrinusmaidis可以传播玉米花叶病毒(maize mosaic virus, MMV)，会危害玉米高粱等作物(Fanetal., 2015; 赵婉等, 2017; Yaoetal., 2019)。翅型与飞行能力的关系使其对植物病害的时空分布与暴发有着至关重要的影响，故研究媒介昆虫的翅型分化机制可为控制虫媒病原的传播提供理论基础。本文将对传播植物病毒的半翅目昆虫的翅型分化研究进行综述，剖析翅型的遗传分化规律、诱导因素、分子机制以及伴随翅型分化的其他生理表现，以期对其他昆虫翅多型机制的研究提供参考。

1 翅型分化的遗传规律

对于昆虫翅型分化的遗传规律已有不少推测，一些学者认为雄性翅多型是由遗传控制的，而雌性翅多型则受环境影响较多。如雄性豌豆蚜A.pisum的翅型分化是由X染色体上的一对等位基因控制的，而孤雌生殖的雌性蚜虫则是由环境决定(Braendleetal., 2005; 王小艺等, 2015)。另一些学者认为，翅型是由多个基因共同调控的，认为褐飞虱的翅二型是由位于常染色体上的两个基因和位于X染色体上的两个基因共同调控，灰飞虱同样不只受环境控制，同时也与遗传有关，由多个基因控制(王小艺等, 2015)。对此彭娟等(2012)通过特定筛选条件，对褐飞虱、白背飞虱和灰飞虱进行了翅型分化的遗传分析，认为褐飞虱的翅型分化可能符合一对等位基因控制的从性遗传规律，且基因显隐性在雌雄间表现不同，雌虫短翅型为显性，长翅型为隐性，而雄虫则刚好相反。白背飞虱与灰飞虱类似，可能是由两对等位基因控制的，其中一对位于性染色体上，控制雄虫的翅型，长翅型为显性，短翅型为隐性；另一对则是在常染色体上，控制着雌性翅型，短翅型是显性，长翅型为隐性。

2 翅型分化的诱导因素

影响翅型分化的因素有很多，既包括温度、湿度和光周期等在内的非生物因素，又包括虫口密度、宿主营养、病毒等在内的多种生物因素。高温有利于长翅型形成，而短日照和较高的湿度以及低温处理(-6～2℃)则有利于短翅型形成(张增全, 1983; 安志芳等, 2011)。目前有关这些非生物因素对翅型分化的影响还仅限于表型鉴定，其背后的机制尚不清楚，有待于进一步深入研究。

而生物因素对翅型分化的影响，研究相对深入。增加饲养密度或提高植物中的葡萄糖浓度会显著提高褐飞虱雌虫的长翅型比例，但对雄虫的影响比较小(Linetal., 2018)。此外报警信息素(E-β-farnesene, EBF)也会使后代有翅型蚜虫的比例增加(Kunertetal., 2005; Fanetal., 2015)。虫媒病毒对翅型分化的影响较为复杂，不同的病毒对翅型的影响不一致。一些学者认为，病毒是通过植株的生理条件来调控蚜虫的翅型分化，比如用感染大麦黄矮病毒的燕麦饲喂麦长管蚜Sitobionavenae比用健康的植株饲喂会产生更多的有翅蚜虫，但是用感染病毒的老植株饲喂与未感染的老植株饲喂相比则没有差异，均会产生较高比例的有翅蚜虫(Fanetal., 2015)。还有学者提出病毒调控蚜虫翅型是由植物防御反应造成的，如当黄瓜花叶病毒(CMV)滴度增加到一定水平时，植物的SA防御信号通路被诱导，有翅桃蚜Myzuspersicae比例增加，CMV可以随着有翅蚜虫的迁移而得到传播(Shietal., 2016)。

3 翅型分化的分子机制

调控昆虫翅型分化的因素多种多样，其内在的分子机制大都指向胰岛素/胰岛素样生长因子信号传导(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)信号通路(Linetal., 2016a)，Wingless(Yuetal., 2014)和嗅觉受体SaveOrco(Fanetal., 2015)也参与翅型分化的调控。

3.1 IIS通路

目前关于昆虫翅型分化的调控机制研究最为透彻的是胰岛素信号通路调控褐飞虱的翅型分化(Xuetal., 2015)。在褐飞虱体内，胰岛素受体1(insulin receptor 1, InR1)具有典型的胰岛素受体功能，而胰岛素受体2(insulin receptor 2, InR2)则是反式调节因子。当InR2表达量低时，胰岛素与InR1结合，使后者自磷酸化，信号经蛋白激酶B(PKB/Akt)传递至转录因子FoxO，使其磷酸化，磷酸化的FoxO滞留在细胞质中，不能进入细胞核发挥转录因子活性，使褐飞虱发育为长翅型；相反，当InR2表达量高时，InR2可以和InR1结合形成异源二聚体，胰岛素信号无法传递，未被磷酸化的FoxO会进入细胞核，发挥转录因子的活性，使褐飞虱发育为短翅型。该通路在雌雄褐飞虱体内均发挥调控翅型分化的功能。

近来有研究(Yeetal., 2019)发现，短翅型褐飞虱体内含量丰富的microRNA-miR-34，通过靶向InR1基因3′UTR区的两个位点来抑制InR1的转录。在短翅型褐飞虱中注射antagomir-34来抑制miR-34的表达，会诱导更多的长翅型褐飞虱。此外，miR-34的启动子区域中存在一个Broad Complex(Br-C)的顺式调控元件，其表达可被Br-C抑制，而Br-C可由20-羟基蜕皮酮(20-hydroxyecdysone, 20E)诱导产生，暗示20E可能参与翅型调控。然而，施加20E的确下调了miR-34的表达，却没有改变翅型，因此20E是否参与翅型调控仍有待于进一步确认。同时他们还发现保幼激素(juvenile hormone, JH)的施加上调了miR-34的表达且诱导更多的短翅型褐飞虱，这合理解释了前期研究中JH调控蚜虫和褐飞虱的翅型分化现象(Ayoadeetal., 1999; 张琼秀等, 2008; Ishikawaetal., 2013; Zhaoetal., 2017)。此外，敲除IIS通路的基因会改变JH滴度和miR-34的丰度。研究者推测microRNA可能通过介导JH、20E和胰岛素信号通路之间的交叉会话控制褐飞虱的翅型分化(Yeetal., 2019)。

Transformer-2(Tra-2)参与了黑腹果蝇Drosophilamelanogaster早期的性别决定(Amreinetal., 1988; McGuffinetal., 1998; Salveminietal., 2009; Zhuoetal., 2017)，而在褐飞虱中Tra-2可以以雌性特异的方式影响翅型分化(Zhuoetal., 2017)。用Tra-2的双链RNA(dsTra-2)干扰幼虫的Tra-2基因表达，雌性成虫均为长翅型，而对照组雌性成虫均为短翅型；检测干扰Tra-2后褐飞虱翅芽中FoxO和Akt的转录水平，发现分别被下调和上调，且FoxO在蛋白水平未被检测到，表明FoxO可能在胰岛素和性别决定通路的交叉会话中起着至关重要的作用；进一步将Tra-2基因分别与InR1和Akt进行双干扰，发现dsInR1和dsAkt均可以抑制dsTra-2对雌虫翅型的影响，使之发育成短翅型，表明Tra-2通过胰岛素途径影响雌性后代的翅型(Zhuoetal., 2017)。研究者认为在胚胎期Tra-2介导的性别分化和翅二型之间存在着一种相互作用(Zhuoetal., 2017)。

物理损伤(去除翅芽、翅芽划伤、腹部机械注射等)会引起褐飞虱短翅型比例显著增加，翅芽损伤后的褐飞虱体内转录因子FoxO及其靶基因4E-BP的转录水平显著上调，而干扰4E-BP并没有像干扰FoxO一样显著上调长翅型比例，故认为物理损伤是通过诱导FoxO信号通路来调控短翅型形成，而4E-BP并不是翅型调控的靶基因(Linetal., 2016b)。

宿主营养是控制昆虫翅型分化的重要因素(Linetal., 2018)，葡萄糖代谢对长翅型的发育至关重要。提高植物中的葡萄糖浓度会显著提高褐飞虱雌虫长翅型率，且随着幼苗体内葡萄糖水平的提高，褐飞虱体内InR1和InR2的转录都显著增加。进一步的实验发现，InR1调控褐飞虱翅型与幼苗中葡萄糖的浓度以及虫口密度相关：高虫口密度时，无论葡萄糖浓度高低，干扰InR1对翅型无影响；正常葡萄糖浓度的幼苗和低虫口密度时，干扰InR1可以显著提高雌虫短翅型比例；高浓度葡萄糖的幼苗和低虫口密度时，干扰InR1对翅型无影响。故研究者认为可能存在一种不同于胰岛素信号通路的途径，或者至少是一种不同于InR1的受体，调节褐飞虱对高浓度葡萄糖的反应。

IIS通路也是飞虱家族中的一个保守翅型调控机制，在灰飞虱和白背飞虱中均适用(Xuetal., 2015; Gaoetal., 2019)。Gao等(2019)为白背飞虱翅二型相关基因构建了一个完整的基因相互作用网络。通过加权基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA)，发现有45个差异表达的基因是潜在的胰岛素通路介导的翅二型相关基因(insulin pathway mediated wing dimorphism related genes, IWDRGs)，其中有11个被预测为FoxO的靶基因；对其中最有可能的5个(vegfr1,rack1,eif3m,grwd1和nop2)进行实验验证，确认grwd1,eif3m和rack1为FoxO靶基因；而在3龄若虫时对这5个基因进行单干扰，干扰vegfr1只特异上调雌性短翅型率而对雄虫无显著影响，另外4个基因的敲除均会导致其雄性和雌性的短翅型率显著上升，与FoxO基因敲除效果一致(Gaoetal., 2019)。这些结果表明，加权基因共表达网络分析在寻找调控翅型基因方面具有强大潜力。

3.2 JNK信号通路

JNK信号通路在昆虫翅型分化中也起到了重要的调控作用(Linetal., 2016a)。JNK是有丝分裂原激活蛋白质激酶家族(MAPK)的一个成员，可以磷酸化多种下游基因如Jun和Fos，介导对各种环境的应激反应(Davis, 2000; Wangetal., 2003; Keshet and Seger, 2010)。Lin等(2016a)研究发现给褐飞虱注射dsJNK或者JNK的抑制剂CC-401，短翅型雌虫比例显著上调，雄虫没有变化。分别干扰Jun或Fos时褐飞虱雌雄翅型均没有变化；将Jun或Fos与JNK进行双干扰时，发现其翅型表现与单干扰JNK时一致，说明JNK调控褐飞虱雌虫的翅型分化并不是通过Jun和Fos这一通路。将JNK与FoxO进行双干扰，褐飞虱的短翅型率下降，但并没有达到单干扰FoxO时的下降程度，说明FoxO也不是JNK调控翅型分化的下游基因，暗示了JNK是调控褐飞虱翅型的另一条不同的通路。

3.3 Wingless和嗅觉受体SaveOrco

Wingless基因也参与了翅型分化的调控(Yuetal., 2014)。Yu等(2014)给白背飞虱饲喂Wingless基因的双链RNA对其进行干扰，发现该基因被干扰后，该虫前翅和后翅的长度明显缩短，但仍比短翅型的要长，且会产出变形的翅，说明Wingless对翅型的正常发育起到很重要的作用。此外Fan等(2015)发现嗅觉受体SaveOrco是调控EBF所引发的麦长管蚜有翅蚜比例增加的关键因子，当SaveOrco被干扰时，EBF不再诱导有翅蚜产生。

4 伴随翅型分化的其他生理表现

翅多型是昆虫适应外界环境的主要策略之一，伴随着翅型分化，昆虫的飞行能力和繁殖能力在两种翅型中存有显著差异。Zhang等(2010)比较了褐飞虱长翅型雌虫(macropterous female adult, MFA)和短翅型雌虫(brachypterous female adult, BFA)转录组表达差异，发现短翅型雌虫中卵黄蛋白原表达量显著高于长翅型雌虫，而长翅型雌虫中与肌肉细胞骨架结构相关的基因flightin,TnC,TPM1,titin,myosinheavychain(MHC)和laminin-a2(LN-a2)则具有更高的拷贝数。Gao等(2019)比较了白背飞虱长翅型雌虫和短翅型雌虫转录组表达差异，发现长翅型雌虫比短翅型雌虫最显著上调的10个基因中，4个是飞行肌结构成分基因，包括flightin，pdlim7和两个同源的TnC基因。值得注意的是Flightin和TnC在褐飞虱和豌豆蚜A.pisum长翅型个体中也有较高的表达。这些结果表明，长翅型雌虫比短翅型雌虫具有更丰富的飞行肌结构成分。

可变性剪接是促进表型可塑性的重要机制之一。Gao等(2019)发现长短翅型白背飞虱的肌钙蛋白Ⅰ具有可变剪接，白背飞虱的肌钙蛋白Ⅰ有13个外显子，这13个外显子在长翅型雌虫中均被剪接成长亚型肌钙蛋白Ⅰ；而在短翅型雌虫中，由前9个外显子组成的短亚型肌钙蛋白Ⅰ是主要的存在形式。尽管这两种不同长度的肌钙蛋白Ⅰ是否能增强两种翅型的不同功能还有待研究，但显然可变性剪接事件在雌性白背飞虱翅型分化的飞行肌肉发育中起着至关重要的作用。

5 小结与展望

翅多型现象广泛存在于昆虫中。近年来，有关媒介昆虫翅型分化的研究日益增多且深入，这其中又以对传播植物病毒的半翅目昆虫的翅型分化研究尤为突显，揭示了以胰岛素信号通路为核心的多种分子调控机制，可为其他类别昆虫翅型分化的研究提供参考，同时为控制媒介昆虫的暴发提供了一定的理论依据。但是不可否认的是，目前对其分子机制的认识仍然只是冰山一角，比如许多能引起翅型分化的生物或非生物因素都是通过胰岛素信号通路起作用的，但是该通路真正发挥功能的靶基因还没有找到，转录因子FoxO常规的作用基因如4E-BP并没有参与翅型分化调控。同样，虽然JNK信号通路参与调控媒介昆虫翅型分化，而JNK的下游作用基因Jun和Fos却没有在翅型分化中发挥作用，JNK究竟如何调控翅型分化尚处于迷雾中。此外虫媒病毒虽对媒介昆虫的翅型有影响，多数认为是通过改变宿主状态调控其翅型分化，而其中的分子机理却不清晰。这些尚未解决的问题都值得我们做进一步的研究。另一方面，加权基因共表达网络分析体系能较准确地预测参与翅型分化调控的FoxO的靶基因，为更深入地研究昆虫翅型分化机制提供了重要线索。而随着表观遗传学的兴起，越来越多地应用到非遗传多型性的研究中，也为探索昆虫翅型分化的机制提供了新的研究手段。同时借助基因组学的高速发展，通过控制单一的环境变量，进行转录组测序分析差异基因，将有助于我们找到特定环境因素对翅型分化影响的关键基因。总之，随着对媒介昆虫翅型分化机理的深入揭示，必将为控制虫媒病原的传播产生深远的影响。