寄生蜂转录组学研究进展

刘敏 刘爱萍 韩海斌

关键词寄生蜂;转录组;研究进展

在所有昆虫种类中，寄生性昆虫约占20%左右，已知的寄生蜂种类超10万种。寄生蜂分为外寄生和内寄生两类，外寄生是指寄生蜂把卵产在寄主体表，幼虫孵化后从体表摄取寄主营养;内寄生是把卵产在寄主体内，幼虫孵化后取食寄主体内的组织。有些寄生蜂可以导致寄主种群大量个体死亡，因此应用寄生蜂来防治害虫在实际生产中得到了广泛应用。寄生蜂的应用价值使得人们不满足于对其生物学特性的研究，而是研究越来越深入，逐渐转向分子机理的研究。尽管新一代测序技术（next-generation sequencing，NGS）具有快速、高效、经济等优点，但由于重视程度不够，经费资助力度不足或其他原因，对于大多数生物而言，全基因组测序仍较为困难。为此，针对这些生物，研究人员提出了简化基因组的测序策略。例如转录组测序成为研究基因表达的主要手段。转录组一般情况下指的是一定的生理状态下，细胞中mRNA，rRNA，tRNA以及包括不编码蛋白质的non-coding RNA在内的全部转录产物的集合，能够反映生命体在不同生长发育阶段、不同器官组织、不同生理生化状态与不同生存环境下基因的表达模式。转录组是连接基因组遗传信息与生物功能的蛋白质组的必然纽带，转录水平的调控是目前研究最多的，也是生物体最重要的调控方式。对昆虫进行转录组学研究，为研究人员对害虫防治、药物开发、疾病防治、昆虫谱系地理学、生物进化等方面进行进一步研究提供了机会。如灰飞虱Laodelphax striatellus转录组信息揭示了其传毒机制，烟粉虱Bemisia tabaci转录组图谱为其抗药性研究提供了依据。近些年来，生物防治领域越来越多地应用转录组测序去揭示寄生蜂与寄主问的互作机制。如，对于模式物种黑腹果蝇Drosophila melanogaster，鳞翅目害虫小菜蛾Plu-tella xylostella、二化螟Chilo suppressalis，鞘翅目害虫黄粉虫Tenebrio molitor，半翅目害虫烟粉虱Bemisia tabaci等害虫，其寄生蜂调控机制的研究越来越广泛、深入。

早期完成的寄生蜂基因组测序种类少，对寄生蜂基因家族的研究主要依赖于转录组数据，以此来完成对某个基因家族或者某一类基因家族的研究，如化学感受蛋白（chemosensory protein，CSPs），气味结合蛋白（odorant binding protein，OBPs），气味受体（olfactory receptor，ORs）等单个基因家族等。

目前国内外研究较多的是寄生蜂与其寄主的关系。寄生蜂能够在寄主体内存活，必须克服寄主本身的免疫。基于组学的寄生蜂与寄主免疫的互作分析，是当前昆虫免疫学研究的一个热点。已有研究人员利用转录组学技术，从基因的整体表达水平上，阐述寄主感染寄生蜂后所引起的自身免疫系统激活特征。反颚茧蜂Asobara tabida寄生黑腹果蝇后，半闭弯尾姬蜂Diadegma semiclausum寄生小菜蛾后，蝶蛹金小蜂Pteromalus puparum寄生菜粉蝶Pieris rapae后，寄主免疫基因会出现差异表达。也有通过采用小范围定向筛选基因的方法，鉴定果蝇参与应对匙胸瘿蜂Leptopilina bou-lardi免疫反应的基因。

农业害虫对农作物造成了巨大的损失，寄生蜂在害虫生物防治中发挥了重要作用，其中茧蜂科Braconidae和小蜂总科Chalcidoidea是最主要的2个寄生农业害虫的科，目前对寄生蜂的研究也主要集中在这2个科。寄生蜂与寄主昆虫的相互作用主要体现在以下几方面：首先，寄生蜂搜寻、定位寄主昆虫的过程中，其化学感受基因起着重要作用。其次，在发现寄主后，寄生蜂将卵产于寄主体内，子代首先需要通过多种寄生因子克服寄主的免疫系统，并与寄主的免疫相关基因发生相互作用。第三，寄生蜂成功寄生于寄主体内后，对寄主生长发育产生的影响。另外，对寄生蜂滞育的研究，有利于扩繁寄生蜂，并延长产品的货架期，更有利于寄生蜂的应用。本文主要对寄生蜂转录组的测序概况及在寄生蜂不同方面的研究应用进行总结和概括，以期为寄生蜂转录组的进一步研究和应用提供新思路。

1寄生蜂化学感受基因鉴定

在复杂的环境中，昆虫需利用不同的感受模式（嗅觉、视觉、触觉和听觉）来精准定位寄主及配偶，在昆虫的搜寻行为中，敏锐的化学感受系统是极其重要的工具。这个化学感受系统主要涉及气味结合蛋白（OBPs）、嗅觉受体（ORs）、气味降解酶（ODEs）等化学感受蛋白。研究发现，害虫为害植物能够刺激植物分泌挥发性信息物质，而这些物质又可以吸引寄生蜂等天敌来对付害虫，进而发挥自然天敌的生防控害功能。寄生蜂体内的嗅觉相关蛋白在感知植物信号，发现、寄生和取食靶标害虫这一系列活动中，都发挥其特有的功能。寄生蜂和寄主的关系与寄生蜂的实际应用密切相关，而化学感受基因是联系两者的关键，鉴定寄生蜂的化学感受基因是研究其功能的第一步，因此，对化学感受基因的鉴定十分必要。

化学感受基因仅在很少的寄生蜂物种中得到鉴定，包括菜蛾盘绒茧蜂Cotesia vestalis、中红侧沟茧蜂Microplitis mediator、腰带长体茧蜂Macrocen-trus cingulum、班氏跳小蜂Aenasius bambawa-lei，这使得对其功能的研究受到一定的限制。廖成武根据已有的转录组数据鉴定出斑痣悬茧蜂Meteorus pulchricornis多種化学感受基因，利用转录组测序方法鉴定出斑痣悬茧蜂触角和产卵器中的OBPs基因、CSPs基因、SNMPs基因、IRs基因、ORs基因等5种嗅觉相关基因，在触角转录组鉴定出CX-Es基因和GSTs基因。Kang等通过转录组测序技术构建了烟蚜茧蜂Aphidius gi fuensis Ashmaed触角转录组，并结合生物信息学分析鉴定出62个ORs基因、15个GRs基因和23个IRs基因。ORs在气味和信息素的感受中具有重要作用。研究人员在斑痣悬茧蜂触角转录组中鉴定出99个ORs基因，丽蝇蛹集金小蜂Nasonia vitripennis（Walker）触角转录组中鉴定出301个ORs基因，腰带长体茧蜂中鉴定出109个ORs基因，松褐天牛肿腿蜂Sclerodermus alternatusi Yang中鉴定出8个ORs基因。

4寄生蜂对寄主生长发育的调控作用

常见的寄生蜂调控寄主的途径包括发育历期、激素水平、蛋白质分泌以及神经信号传递等生理过程。抑制寄主发育或促进寄主早熟变态是主要的调控方式。但任何一种方式的最终目的都是使寄生蜂和寄主保持同步发育。有研究表明，寄生蜂能够调节改造被寄生的蚜虫的生理、代谢、生物合成、免疫功能，使得蚜虫体内环境适合于寄生蜂的生长发育。

Zhang等研究发现，被寄生蜂寄生的棉蚜Aphis gossypii Glover与未被寄生的棉蚜相比，几乎所有与甘油酸三酯合成相关的基因都发生了上调表达，多数达到显著上调水平，进一步证明了寄生蜂可调节寄主脂质合成这一结论。高雪珂对被棉蚜茧蜂寄生的棉蚜进行转录组测序，重点分析了甘油磷脂、鞘磷脂及甘油脂质代谢途径和脂肪酸合成途径。研究结果表明，在被寄生的棉蚜体内，这些途径中关键基因显著上调表达，Goan增加7.8倍，溶血磷脂合成基因（Agpat3、Cdsl、Lpgatl、Pgs1和Pla2g2e）表达量显著上升。溶血磷脂具有神经毒性作用，低剂量时可使细胞溶解。棉蚜茧蜂通过调节棉蚜生理环境，促进寄生蜂利用寄主营养物质。有研究报道，在被寄生蜂寄生的蚜虫体内，糖酵解途径中所有脂代谢相关基因均显著上调表达。此外，寄生作用还能促进寄主糖酵解和三羧酸循环。结合转录组信息，发现棉蚜被棉蚜茧蜂寄生后，脂肪酸合成通路相关基因被激活。

芳基贮存蛋白（arylphorin）是昆虫变态过程中的贮存蛋白，主要在末龄幼虫期大量合成。研究表明，烟芽夜蛾Heliothis virescens幼虫被藏红足侧沟茧蜂Microplitis croceipes寄生后芳基貯存蛋白转录水平显著降低，发育延缓。

5寄生蜂滞育的研究

昆虫在滞育期问特异性表达，而在非滞育阶段不表达或表达极微量的一类蛋白质，如贮藏蛋白、抗冻蛋白、热休克蛋白、分子伴侣及酶等，被称为滞育关联蛋白，它们在滞育昆虫的能量代谢、表皮黑化、脂肪积累、免疫调节等生命活动中发挥重要作用。在对滞育关联蛋白进行研究的同时，也逐渐开始应用转录组测序技术探索编码蛋白的基因以及小型寄生蜂的滞育遗传机制。在生物防治领域中，天敌昆虫的滞育是大规模人工扩繁天敌昆虫一个重要的实践问题。一方面，天敌昆虫存活期较短，扩繁周期较长，导致天敌在害虫发生前就已死亡，或害虫发生时没有天敌可用;另一方面，人工扩繁的天敌昆虫在低温下储存的有效储存时问较短，而将人工扩繁的天敌昆虫以滞育状态进行储存，在田问释放前再解除滞育，不影响其生命力且存活率高。因此，通过对天敌昆虫的滞育研究，可达到调控天敌昆虫生长发育、延长储存期、提高抗逆性等目的。目前对于天敌昆虫的滞育诱导主要是通过温度和光照条件的共同作用，诱导虫体进入滞育，但这样的方法耗时长，效率低，不利于大规模扩繁天敌昆虫。通过转录组测序，从滞育的分子机理人手，通过分析滞育相关的基因，可以为滞育诱导提供一种新的思路，从而更好地应用天敌控制害虫。

2014年Chen等对编码麦蛾柔茧蜂Habrobra-COn hebetor Say热休克蛋白Hsp70的3个基因（HhHsp70Ⅰ、HhHsp70Ⅱ及HhHsp70Ⅲ）进行了测序并对它们的表达特征进行研究，结果发现当饲养条件改变时3个基因的表达量的变化不完全相同。通过RNA干扰技术干扰丽蝇蛹集金小蜂的生物钟基因period，发现短光照不能诱导小蜂滞育，但低温仍然可以诱导小蜂进入滞育状态，由此可以推测生物钟基因period不直接决定丽蝇蛹集金小蜂滞育，而是影响其对光周期的感应。2017年，安涛等对烟蚜茧蜂正常发育、滞育、滞育解除组样本进行De novo双端测序，根据测序结果，共获取40 477个unigene，非滞育组与滞育组差异表达基因458个，滞育组与滞育解除组差异表达基因298个，进一步筛选出滞育组与非滞育组及滞育解除组差异显著、但非滞育组与滞育解除组无显著差异的滞育关联基因59个，对这59个滞育关联基因进行GO富集分析与KEGG通路表达分析，根据功能注释发现这些滞育关联基因与烟蚜茧蜂自身防御、耐寒性、脂类代谢、表皮黑化、转录调控等途径相关，是影响烟蚜茧蜂滞育进程的重要调控和参与基因。

6寄生蜂寄生后寄主神经肽的研究

对寄生蜂寄生后寄主神经肽的研究，其实是研究寄生蜂对寄主发育调控的影响。在昆虫所有的器官中几乎都有神经肽参与作用，调控器官状态和影响它们的功能。在昆虫生长和发育的许多方面，都有神经肽的参与，调控昆虫的生理活动，比如促前胸腺激素（prothoracicotropic hormone，PTTH）和鞣化激素（bursicon）等与昆虫的蜕皮行为有关，neuropeptide F（NPF）和short neuropeptideF（sNPF）等可对昆虫的觅食和取食行为起到调节作用等。董帅应用Illumina测序技术对被菜蛾盘绒茧蜂寄生的小菜蛾脑组织进行转录组测序，拼接后得到42 441个unigene序列。基于转录组测序结果的物种分布发现，同源序列主要集中在已完成基因组测序且生物信息学较为成熟的物种。根据小菜蛾脑组织转录组Nr注释结果，找到19种神经肽基因的同源序列，通过反转录验证了其中6个神经肽基因的存在，包括A型咽侧体抑制肽AstA、咽侧体活化肽AT、鞣化激素BUR及PBUR，促前胸腺激素PTTH和类甲壳心律肽CCAP。

小菜蛾幼虫被菜蛾盘绒茧蜂寄生与假寄生后，对其神经肽基因转录趋势进行研究发现，神经肽基因的转录规律与小菜蛾幼虫不同龄期的蜕皮活动相关。小菜蛾被菜蛾盘绒茧蜂寄生后的神经肽转录水平可以分为转录水平下调型和转录水平上调型。小菜蛾被假寄生后的神经肽分为转录水平平稳型和转录水平波动型。通过对未寄生、寄生与假寄生的转录水平规律比较发现，小菜蛾幼虫被菜蛾盘绒茧蜂寄生或假寄生后，某些神经肽基因转录受到影响，且转录峰出现的时问被推迟，但是转录趋势不变。

7展望

转录组学技术的应用，对深入了解寄生蜂生物学现象、生理过程、寄生后寄主发育趋势的预测等有着至关重要的作用，这些理论基础的掌握，可以帮助我们更好、更高效地利用寄生蜂控制害虫。基于当前寄生蜂转录组的研究现状，结合国内外昆虫领域的研究热点以及应用寄生蜂防控农林害虫的需求，本研究提出2个关于寄生蜂转录组在未来研究中应重视的方面，以期对寄生蜂转录组的研究与应用提供思路。

一是加强寄生蜂转录组、蛋白质组、代谢组等多组学结合的研究。目前多组学结合对昆虫进行研究已经有了较广泛的应用。2017年，Zhao等通过对二斑叶螨Tetranychus urticae滞育与非滞育成虫转录组与蛋白质组联合分析，确定了ca信号通路在其滞育调控中的实际作用;2016年，Qiu等对褐飞虱Nilaparvata lugens进行了转录组和蛋白质组联合分析，研究了与繁殖力相关基因的功能，为褐飞虱的防治提供了参考靶标基因。在寄生蜂的研究中，目前只有转录组与蛋白组联合分析揭示烟蚜茧蜂的滞育机制。应用多组学联合分析将更有利于对寄生蜂分子机制的研究。

二是探索针对寄生蜂的第3代测序技术应用研究。第2代测序技术衍生出的转录组测序技术被广泛应用于分子机理的研究，目前一种新型测序技术一第3代测序技术的出现又为基因组学、转录组学及DNA甲基化等研究注入了新活力。第3代测序技术已经在转录组测序中成功应用于人类造血组细胞中的巨核细胞以及一些蘑菇状真菌种类中，但尚未见到第3代测序技术在寄生蜂转录组中的应用。第3代测序技术相较第2代测序技术具有通量更高、速度更快、读长更长、假阳性率更低等诸多优点，在未来寄生蜂研究中有着巨大的发展潜力。