昆虫体色多型的分子调控机制

龚建福，李玲玲，刘 文，王小平

(华中农业大学植物科学技术学院，昆虫资源利用与害虫可持续治理湖北省重点实验室，武汉 430070)

多型现象(polymorphism)是指同种昆虫在同一性别的个体中出现不同类型的分化现象，包含了遗传多型性和非遗传多型性(宋红军等, 2009)。这种现象在昆虫中普遍存在，如蚜虫Aphidoidea、飞虱Delphacidae的翅多型(Xuetal., 2017; Hammelmanetal., 2020)，蚂蚁、蜜蜂的社会性多型(Feinerman and Traniello, 2016; Barchuketal., 2018)，蝗虫、蝴蝶的体色多型(Ayali, 2019; Bhardwajetal., 2020)。体色多型是多型现象中的一种，在很多昆虫中都被观察到，包含鞘翅目、膜翅目、直翅目、鳞翅目等，其大致可划分为隐蔽色型(homochromy)、绿色—褐色多型(green-brown polymorphism)、密度关联体色多型(density-dependent body color polymorphism)3种类型。例如，桃蚜Myzuspersicae和豌豆蚜Acyrthosiphonpisum存在绿色型和红色型(Moran and Jarvik, 2010; 何应琴等, 2017)，黑带食蚜蝇Episyrphusbalteatus和一些果蝇Drosophila存在深色型和浅色型(霍科科和郑哲民, 2003; Ravietal., 2011)。东方粘虫Mythimnaseparata、斜纹夜蛾Spodopteralitura等夜蛾科幼虫，体色表现出不同程度的密度依赖性黑化现象(Tojo, 1991; Zhangetal., 2020)。体色多型不仅是生物多样性的表现，而且对昆虫本身的生长发育具有非常重要的生物学意义。

体色变化是一种普遍存在的且高度多样化的现象，对于适应环境变化、抵抗疾病、逃避天敌的捕食具有重要的意义(Ahnesjo and Forsman, 2006)。有些昆虫的免疫与体表颜色息息相关，如海翅灰夜蛾Spodopteralittoralis和非洲粘虫Spodopteraexempta，为了抵御高密度下寄生物或病原物侵入与传播风险的增加而将更多的资源投入到免疫以获得较强的防御能力(Wilsonetal., 2001)。昆虫是变温动物，其生长、发育和繁殖与温度有密切的关系，而昆虫可以通过改变体色来吸收热量调节体温，进而引起生理代谢和生殖特性的改变从而提高抵繁殖力(Cotteretal., 2004; Armitage and Siva-Jothy, 2005)。深色昆虫的体温变化速度比浅色昆虫快，所以深色昆虫比后者更利于吸收更多的热量，所以深色昆虫常出现在高纬度、高海拔寒冷地区(True, 2003; Xingetal., 2018)。动物体表颜色以及图案对其寻找配偶和吸引异性起着非常重要的作用(Cuthilletal., 2017)，有研究表明，种群性选择的多样化会使种群更容易形成生殖隔离，所以体色多型也被看作发生地理变异、性二型、生殖隔离和物种形成的中间过渡阶段(Gray and McKinnon, 2007)。不同体色昆虫由于在寄主选择、取食行为、资源利用、生理代谢等方面出现分化，导致了其种群遗传结构的不同和生殖上的隔离(Hebertetal., 2004)，故昆虫体色分化还有利于新物种的形成。因此，昆虫体色多型现象受到国内外昆虫学家的广泛关注，多位学者从不同角度对昆虫体色多型调控机制的进展进行了综述。程茂高等(2005)阐述了昆虫体色分化机理的3个不同观点，重点介绍了体色分化的遗传学研究进展；Bond(2007)对昆虫体色多型的进化进行了综述；樊永胜和朱道弘(2009)对昆虫体色多型的类型、环境调控、内分泌控制机理及遗传等进行了概述。基于分子生物学和基因组测序技术的快速发展，使我们对昆虫体色多型的潜在分子机制有了更深入的研究。鉴于此，本文着重从昆虫体色多型的分子调控机制进行总结，以期为最终阐明昆虫体色多型现象的形成机制提供思路。

1 昆虫体色多型的诱导因素

影响昆虫体色表现型的因素多而复杂，一些受遗传因素控制，如早期一些学者通过杂交来验证体色遗传规律，发现豌豆蚜、马铃薯长管蚜Macrosiphumeuphorbiae等蚜虫的体色由一对或多对等位基因控制，红色为显性性状(Takada, 1981; Caillaud and Losey, 2010; Tsuchida, 2016)；而另一类受环境因素调控，如寄主、温度、湿度、光照和密度等因素，对昆虫色型分化都有着不同程度的影响。桃蚜因寄主不同划分为“烟草型”和“非烟草型”，烟草型体色为红色，而非烟草型大多为绿色(Takada and Tamura, 1987; 何应琴等, 2017)。一些夜蛾科幼虫的体色多型与寄主有一定程度的关联，食物中的叶绿素含量会影响斜纹夜蛾幼虫的体色分化(彭云鹏等, 2015)；取食同种寄主的不同部位对昆虫体色分化也有影响，棉铃虫Helicoverpaarmigera幼虫着色受到取食植物部位的影响(Yamasakietal., 2009)。温度、湿度及食物颜色对棉铃虫、斜纹夜蛾幼虫体色分化具有影响，不同的温、湿度下的幼虫表现不同程度的黑化(彭云鹏, 2015)。光照强度对昆虫体色分化也有调控作用，在光照条件下，透目大蚕蛾Rhodiniafugax幼虫体背为绿色，而在黑暗条件下变黄(Saito, 2001)。温度、湿度和光照强度这些因素引起的色型特异性分化与昆虫对湿热生境的适应相关(Khasaetal., 2013)。除此之外，密度是导致许多昆虫体色多型的重要因素，如密度依赖性黑化，广泛存在于直翅目、鳞翅目等种类中。蝗虫的体色变化令人关注，因为其特色型分化与其密度以及行为同时发生变化，当独居的蝗虫形成群居时，个体的颜色会从绿色变为黑色型(Tanaka, 2004; Wang and Kang, 2014)。一些鳞翅目夜蛾科幼虫也具有依赖密度的色型分化现象，如斜纹夜蛾、东方粘虫、甘蓝夜蛾Mamestrabrassicae等，饲养密度越大，其幼虫体色黑化越严重，深色型幼虫比例越大(Tojo, 1991; 简富明和杨雨环, 1994; Goulson, 1994)。

2 体色多型调节的感受器

研究表明视觉、嗅觉和触觉等刺激参与了昆虫体色多型的调节。眼是昆虫重要的感觉器官，前人猜测甜菜夜蛾Spodopteraexigua出现黑化个体的原因可能是幼虫取食后排出的粪便未及时清理，以及被蚕食的食料使虫体处于一个较为复杂的小环境，从而产生黑化现象(朱亮, 2011)；豆娘Coenagrionarmatum、青凤蝶Graphiumsarpedonnipponum的幼虫表现出惊人的体色变化，研究发现其体色多型的产生与其所在环境的背景颜色有关，且青凤蝶幼虫体色是由来自后向的射点光和来自底部的光之间的光照差决定的，这一过程是由视觉刺激引起的(Hiraga, 2005; Johansson and Nilsson-Örtman, 2013)。沙漠蝗Schistocercagregaria的密度依赖性黑化被认为是视觉信号起主要作用，当一头单独饲养的若虫看见另一个杯子里的其它蝗虫时，仅视觉刺激就诱发了黑色模式，除此之外，通过播放蝗虫的视频也可以有效地诱发单头蝗虫的黑色模式(Tanaka and Nishide, 2012; Tanakaetal., 2016)。此外，蝗虫头部以及表皮分布着许多气味结合蛋白，研究发现东亚飞蝗Locustamigratoria表现出显著的密度依赖性嗅觉可塑性，随着相变的发生，独居型和群居蝗的嗅觉偏好可以迅速改变(Wangetal., 2015)；沙漠蝗也可以通过嗅觉刺激来触发黑色图案(Lesteretal., 2005)。除视觉、嗅觉刺激外，触觉刺激对昆虫体色多型的调控同样起着非常重要的作用。柑橘凤蝶Papilioxuthus的蛹具有3种色型，绿色、深棕色和中间色米色，研究发现期末龄幼虫接收到来自其接触表面的粗糙程度这一触觉信号导致了蛹的着色不同(Yodaetal., 2020)。在对沙漠蝗的型变触发开关的研究中发现，通过摩擦其后腿或触角就可以触发型变的产生，这一过程是触觉刺激起着关键的作用，而视觉和嗅觉刺激不是主要的信号(Simpsonetal., 2001; Cullenetal., 2010)。

3 昆虫体色多型的分子调控机制

3.1 色素合成代谢调控网络

黑色素是组成昆虫体色最主要的色素之一，黑色素合成代谢通路是昆虫中最为广泛存在也备受关注的色素合成代谢通路。在黑色素生物合成中，首先来自食物中获得的酪氨酸被TH基因编码的酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase, TH)羟基化转化为多巴(L-3, 4-dihydroxyphenylalanine, DOPA)，然后再通过Ddc基因编码的多巴脱羧酶(dopa decarboxylase, DDC)将多巴羧化为多巴胺(dopamine)(True, 2003)。多巴胺可在昆虫体内通过4种代谢途径形成黑色素：第一，在Yellow蛋白和酚氧化酶(phenol oxidases, PO)的共同催化下将多巴胺转化为深黑色黑色素(dark black melanin)；第二，只在酚氧化酶催化下产生棕褐色黑色素(brown melanin)；第三，多巴胺在ebony基因编码的N-β丙酰多巴胺合成酶(NBAD synthetase)的催化下与β-丙氨酸(β-alanine)反应生成N-β丙酰多巴胺(N-β-alanyl dopamine, NBAD)，之后通过酚氧化酶的催化转化为浅黄色黑色素(NBAD 骨质)(Wittkoppetal., 2003a)；同时，在tan基因编码的N-β丙酰多巴胺水解酶(NBAD hydrolase)的催化下也可实现N-β丙酰多巴胺向多巴胺的转化，且在色素沉着过程中NBAD向多巴胺转化的代谢是必不可少的过程(Trueetal., 2005)；第四，多巴胺在DATs基因编码的多巴胺乙酰转移酶(dopamineacetyl-transferases)的催化下转化为N-乙酰多巴胺(N-acetyl dopamine, NADA)，随后通过酚氧化酶的作用转化为无色透明的NADA(Daietal., 2010)。TH、Ddc、ebony、tan等黑色素合成相关基因在昆虫体色形起着非常重要的作用，这些黑色素可沉积在昆虫表皮形成多样色彩与不同图案花纹(Bietal., 2019; Zhangetal., 2019; Munetal., 2020)。

虽然我们已对昆虫黑色素代谢路径有了较为深入的认识，但是对昆虫体色多型的现象，仅用黑色素合成结构基因仍难以解释。目前许多学者通过以果蝇Drosophila为材料，发现了在体色模式中存在一些调控基因的参与。tan、ebony、yellow基因控制果蝇体表色素沉着，与果蝇体色分化密切相关，这些基因与其表达调控的转录因子bric-a-brac(bab)、Abdominal-B(Abd-B)、Doublesex(dsx)、Distal-less(Dll)和Engrailed(en)相互作用共同影响果蝇的色素沉着(Wittkoppetal., 2003a; Wittkoppetal., 2003b; Arnoultetal., 2013)。研究发现转录因子En下调yellow表达抑制果蝇翅斑的形成，而Dll和Abd-B上调yellow表达并分别促进果蝇翅斑和雄性后部体节的黑色素沉着；dsx表现为雄性dsxM和雌性dsxF分别抑制和促进bab的表达，从而控制果蝇腹部性二态着色(Arnoultetal., 2013; Hughesetal., 2020)；与转录因子类似，果蝇Wnt信号通路基因Wnt1(Wingless,wg)作为yellow基因潜在的调控子调控果蝇翅斑的色素沉着(Williamsetal., 2008)。前人对蝴蝶翅膀着色多态的研究中也发现了一些转录因子的调控作用，翅膀颜色在早期眼点生成期间受spalt与Dll两种转录因子的作用，spalt在眼点形成中具有正调节作用，而Dll在眼点发育中发挥抑制作用(Zhang and Reed, 2016)。此外，还发现Abd-B、ebony和frizzled3种基因可控制翅膀图案表型(Lietal., 2015)。

除黑色素外，类胡萝卜素也是组成动物体色的重要色素之一。大多数节肢动物缺乏编码类胡萝卜素生物合成的基因，因此无法自己合成类胡萝卜素。近期研究发现豌豆蚜中存在类胡萝卜素生物合成相关，这些基因是通过真菌的水平基因转移(HGT)获得的(Moran and Jarvik, 2010)。体内的3种类胡萝卜素合酶/环化酶基因(CscA、CscB和CscC)和4个类胡萝卜素去饱和酶基因(CdeA、CdeB、CdeC和CdeD)控制着各种类胡萝卜素的生产，并最终形成蚜虫的体色多型(Moran and Jarvik, 2010; Dingetal., 2020)。在动物体内大部分天然类胡萝卜素是以蛋白质结合物的形式存在。已有研究证明β类胡萝素结合蛋白(β-carotene-binding protein, βCBP)参与调控蝗虫体色变型，且βCBP仅与β-胡萝卜素结合形成红色颜料复合物才发挥调控作用，形成群居型蝗虫体表的黑色图案，此研究发现了动物利用三原色配色原理来达到体色分化的目的，这种体色转变的进化机制也可能存在于在其它昆虫和动物中(Yangetal., 2019)。

3.2 内分泌调控

大多数昆虫(表皮或上皮)的色素沉着是受内分泌和神经内分泌因素控制的，许多研究表明，这些因素的来源和性质因物种而异。内分泌控制体色多型机理在飞蝗和沙漠蝗上研究最早，也最为深入。保幼激素(JH)在调节昆虫体色多型上扮演着重要的角色，YPT黄色蛋白基因引起的散居型飞蝗的黄色和绿色，JH及其类似物能增加YPT的表达从而诱导群居型个体的体色转化为绿色和黄色(Sugahara and Tanaka, 2018)。clawless、abdominal-A和abdominal-B3个控制柑橘凤蝶幼虫体表图案的基因受JH调控，高滴度的JH诱导相关基因的表达，形成柑橘凤蝶幼虫模仿模式(Jinetal., 2019)。JH可以抑制黑色素合成中相关基因的表达，如Yellow-y和Laccase2，以此调节昆虫外骨骼结构和特定的颜色分布，而且JH还可响应外界环境温度(Futahashi and Fujiwara, 2008; Sapinetal., 2020)。除保幼激素外，研究发现蜕皮激素(ecdysterone, 20E)也会影响昆虫表皮的色素沉积。在偏瞳蔽眼蝶Bicyclusanynana的翅眼点的研究中发现20E起着重要作用，仅是20E信号就足以改变眼点的大小(Monteiroetal., 2015)。这些形成眼点的中央细胞表达大量的20E受体(EcR)，与20E形成活跃的20E-EcR复合体，这些复合体与下游基因相互作用，使这些中心细胞分裂，并产生一个更大的中心细胞群并最终形成更大的眼点(Bhardwajetal., 2017; Bhardwajetal., 2020)。在对柑橘凤蝶幼虫体色形成的研究中发现20E会影响黑色素合成基因的表达，高滴度的20E会促进yellow的表达，而TH、Ddc和tan的表达被抑制(Futahashi and Fujiwara, 2007)。

在蝗虫中，色素沉着和颜色多态性受多种神经内分泌因素控制。最初从沙漠蝗的心侧体中提取出来一种诱导神经激素([His7]corazonin，DCIN)，发现能诱导群居型白化突变体和独居型沙漠蝗的若虫产生黑色素沉着，后来发现[Arg7]-corazonin与[His7]-corazonin具有相同活性(Yerushalmietal., 2002; Tanaka, 2004)，且[His7]-corazonin与JH共同调节体色，其分泌量及分泌时期控制昆虫各种体色的出现(Predeletal., 2007; Tanakaetal., 2016；Sugahara and Tanaka, 2018)。在夜蛾幼虫中，表皮色素沉着受焦磷酸激酶/信息素生物合成激活神经肽(PK/PBAN)家族的调节。首次在东方粘虫幼虫中证明了这一神经肽家族参与控制幼虫表皮黑色素沉积，后来将这种能引发幼虫黑化的激素称为黑色素和红色着色激素(MRCH)(Ogura and Saito, 1972)。PK/PBAN肽家族中的许多其它肽也能诱导蛾类幼虫的黑化，所有这些肽的C端序列都为Phe-XXX-Pro-Arg-Leu-NH2(X=Ser, Gly, Thr, Val)(Rafaeli and Jurenka, 2003; Altstein, 2004)。这些神经肽通过激活PBAN受体(PBAN-R)以及随后的Ca2+流入，随后激活cAMP或直接激活下游激酶来发挥其功能(Predeletal., 2007; Zhengetal., 2007; Zhaoetal., 2018)。最近，已鉴定出几种PBAN-R，它们均来自成年雌蛾的信息素腺体，但证据表明PK/PBAN-Rs也可以在昆虫幼虫中表达，除了介导刺激幼虫表皮黑化的功能外，还可以影响进食、发育、以及交配行为相关功能(Hariton-Shalevetal., 2013; Shalev and Altstein, 2015)。

除了PK/PBAN肽家族外，还发现一种细胞因子-生长阻断肽(growth blocking peptide, GBP)可以调节东方粘虫幼虫体表的色素沉积。生长阻断肽是在鳞翅目昆虫中发现的25个氨基酸的昆虫细胞因子，具有多种生物学活性，例如幼虫生长调节、麻痹诱导、细胞增殖和免疫细胞刺激(Zhangetal., 2020)。其信号传导途径是由激活的PLC(phospholipase-C)产生的IP3(inositol triphosphate)启动信号级联，最终触发Ca2+从细胞外液流入细胞质，导致细胞质内Ca2+浓度的升高而增强了TH和DDC基因的表达，从而影响了其体色的多态(Ninomiyaetal., 2008)，且生长阻滞肽(GBP)可以通过响应种群密度的变化来调控的东方粘虫的表皮黑化(Zhangetal., 2020)。

4 展望

体色是动物最明显也是最重要的表型之一，体表不同的着色模式还具有寻求配偶、调节体温、免疫、抵抗紫外线等重要的生理功能(Ahnesjo and Forsman, 2006)，在探讨昆虫多态性、适应机制及生物进化等问题中，昆虫体色多型可以提供非常好的研究模型(李进步等, 2014)。现有研究表明，昆虫体色多型是受基因与环境互作而表现出的复杂表型现象，影响昆虫体色多型的环境因素主要有温度、寄主植物、密度等(Wang and Kang, 2014; 彭云鹏等, 2015; 彭云鹏, 2015)；体色多型调节的感受器主要有复眼、体表感觉毛以及气味受体(Wangetal., 2015; Tanakaetal., 2016; Yodaetal., 2020)。目前，对昆虫体色分化的分子调控机制理解主要集中在以果蝇为代表的色素合成代谢通路研究、以柑橘凤蝶为代表的激素调控研究、以东方粘虫为代表的神经肽调控研究、以蝗虫为代表的密度依赖性体色分化研究(Wang and Kang, 2014; Jinetal., 2019; Hughesetal., 2020; Zhangetal., 2020)。然而，许多昆虫存在体色多型现象，对于与农林业生产密切相关昆虫是否具有与模式昆虫相似的体色多型分子调控机制，还存在一定的争议(樊永胜和朱道弘, 2009; 李进步等, 2014; Wang and Kang, 2014)。此外，昆虫体色多型调控还有很多工作值得深入研究。例如，组成昆虫体表的色素种类非常丰富，但色型分化研究多是围绕黑色素以及类胡萝卜素合成代谢调控展开，其它色素调控网络是否参与这一过程尚不清楚。昆虫体色分化的分子调控研究大多数集中在内分泌控制、色素合成这些下游调控网络上，对于更上游的调控网络，特别是那些响应外界环境变化的基因研究甚少，如在密度依赖性色型分化研究中，哪些上游基因响应密度变化仍待明确。因此，有必要从分子生物学、发育生物学、生态学等角度开展跨学科研究，借助快速发展的基因组学和分子生物学技术，来阐明复杂的昆虫体色多型分子调控机制。