昆虫发育与免疫：现代昆虫学一个重要方向

王 毛,邹 振,*,徐卫华

(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.中山大学生命科学学院,有害生物控制与资源利用国家重点实验室,广州 510006)

昆虫是地球上物种多样性最高、数量最多、生物量最大的动物群体，广泛分布于水域、森林和农田等生态系统中。有不少昆虫会对农林及人类健康造成危害，而昆虫中家蚕Bombyxmori、蚂蚁、蜜蜂、五倍子、紫胶虫等对人类文明发展做出了重大贡献，仍然有可观的昆虫资源有待发掘。长期以来，研究人员对昆虫进行了多维度的研究，取得了一系列重要成果。昆虫资源的概念也从传统的虫体利用和养殖，扩展到昆虫机能(昆虫的感官、定向系统、肢体运动等)、昆虫活性物质和昆虫基因等多方面的利用。目前，昆虫资源保护利用在农业、医学和工业等各个领域得到了广泛拓展，其理论与应用的相关研究对昆虫学的发展和国民经济建设具有重要价值。

在发展过程中，昆虫学逐渐形成了许多分支学科，按照学科的类别可以分为昆虫分类区系学、昆虫生理与分子生物学、昆虫生态学、昆虫毒理学等。新时代，新征程，现代科学的进步使昆虫发育与免疫学逐渐成为昆虫学的一个重要方向。在昆虫基因组学研究的基础上，以模式昆虫和重要害虫为对象，进一步系统开展昆虫发育、免疫、滞育、生殖和行为等生命活动的生理与分子调控机制研究，揭示其调控网络中的关键性节点，有针对性地开发导向性害虫防控技术。目前，我国昆虫发育与免疫的研究与国际同步，本专辑发表的论文一定程度上反映了我国昆虫发育与免疫的整体状况和最新进展。本文首先概述了昆虫生长发育与免疫学的快速发展，在推介本专辑论文的基础上评介该学科发展的特色，并据此提出未来发展的方向和亟需解决的难题，希望有助于提升我国昆虫生长发育与免疫研究的原始创新和集成创新能力。

1 快速发展的昆虫发育与免疫学

近年来，随着生物化学、生物信息学、基因组学、蛋白质组学和代谢组学等基础研究的兴起，有力地推动了昆虫发育与免疫的研究进程，扩大了研究领域。而交叉学科的出现，使昆虫发育与免疫之间的互作成为热点研究领域。这里仅仅讨论以下几个方面。

1.1 激素对昆虫发育与免疫的调控

围绕昆虫激素展开的研究以保幼激素(juvenile hormone,JH)和蜕皮激素20-羟基蜕皮酮(20-hydroxyoecdysone,20E)为主，研究激素受体及其下游核受体转录因子调控昆虫变态发育和生殖发育的分子机制。近十年来，研究者们以昆虫细胞自噬和凋亡调控果蝇和家蚕的生长发育为科学问题，发现20E通过其受体复合物ecdysone receptor/ultraspiracle(EcR/USP)和早期转录因子诱导自噬相关基因的表达，同时20E通过抑制PI3K-TOR信号，激活ATG1蛋白复合体活性启动细胞自噬，导致家蚕体细胞自噬大规模发生，提出了20E下游两条不同的诱导自噬的作用通路 (Tianetal.,2013)。在棉铃虫Helicoverpaarmigera中，20E诱导ErGPCR-3形成同源四聚体来增加进入细胞的20E，促进变态过程中幼虫组织的程序性死亡(Kangetal.,2021)。在中肠中，20E促进CTSD的表达和成熟，使其滞留在幼虫中肠细胞内促进Caspase-3活化，诱导中肠凋亡(Dietal.,2021)。此外，还发现活性氧可以通过改变胰岛素信号通路延长棉铃虫的滞育时间，揭示了生理水平的活性氧对生物体具有有益的一面(Zhangetal.,2017)。在蚊虫中，20E通过上调E93水平来调控Vg的表达，有助于蚊虫启动第2次吸血生殖过程(Wangetal.,2021)。

激素信号除了调控昆虫的发育，还参与昆虫的体液免疫与细胞免疫。Rus团队利用果蝇DrosophilaS2细胞和RNAi等方法研究了成虫中20E调节IMD信号通路的两种可能机制(Rusetal.,2013)。在家蚕中，前胸腺释放的3-脱氢蜕皮激素(3-dehydroecdysone,3DE)被脂肪体中的3DE-3β还原酶(3DE-3β-reductase)转化为活性的20E，而血淋巴中20E滴度升高可以促进增强体液和细胞防御能力(Sunetal.,2016)。根据现有的研究可以将激素调控免疫应答的分子机制总结如下：一是激素及其受体直接调控免疫相关基因(immunity-related gene,IMRG)的转录表达；二是激素及其受体通过诱导下游的核转录因子或小RNA(microRNA,miRNA)实现对免疫的调控；三是激素不依赖其受体介导的免疫应答反应。激素与免疫之间的互作交流对有机体的生存和繁殖非常重要，然而其调控机制并不清楚。

此外，激素的多效性功能使得它们成为平衡各个生理系统之间的候选分子。小菜蛾Plutellaxylostella幼虫进食Bt病原菌后，JH和20E含量升高且相互串扰激活下游MAPK信号通路，最终导致寄主昆虫在不影响生长发育的前提下对Bt杀虫蛋白进化产生高抗性(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极端抑制抗菌肽等免疫蛋白基因激活(Changetal.,2021)。而20E则在卵黄发生期通过Pirk-like干扰淀粉样纤维蛋白的形成，从而严格调控免疫缺陷(immune deficiency,IMD)通路的激活，保证蚊虫高质量、高数量的繁殖水平(Wangetal.,2022)。明确激素在昆虫发育中的信号传导机制，对开发新型高选择性杀虫剂和促进健康高效的经济昆虫养殖或保护都具有十分重要的意义。

1.2 其他因素对昆虫发育与免疫的调控

除了激素，miRNA在昆虫发育与免疫调控中发挥着重要作用。目前在果蝇中鉴定到8个与生长发育相关的miRNA，分别为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的调控，对果蝇翅的发育至关重要(Caygill and Johnston,2008;Sokoletal.,2008)，此外，这两个miRNA还参与了果蝇S2细胞中抗菌肽的表达调控(Garbuzov and Tatar,2010)。在果蝇中发现，miR-34通过抑制Eip75和Dlg1来激活IMD通路，并且过表达miR-34能加强对革兰氏阴性细菌的清除，提高果蝇的存活率，但是miR-34的表达受到20E的调控，因此miR-34可能是蜕皮激素信号通路与先天性免疫通路之间相互作用的一个节点(Xiongetal.,2016)。

另外，金属离子对所有生物系统的功能都是必要的，是许多蛋白质和代谢过程中的重要辅助因子(Dow,2017;Missirlis,2021)。在果蝇中，锌转运体ZnT63C的缺失会影响幼虫和蛹的发育，降低成虫的蜕皮率(Wangetal.,2020)。在果蝇的卵子发生过程中，锌、铁和铜是卵巢和卵子中最丰富的金属，缺锌会降低果蝇的产卵量和孵化率，突出了锌在果蝇繁殖力中的重要作用(Huetal.,2020)。同样，铁在维持埃及伊蚊的繁殖力方面也不可或缺(Tsujimotoetal.,2021)。越来越多的研究表明，金属离子转运蛋白是一把双刃剑，在昆虫免疫方面也发挥了非常重要的作用(Cerenius and Söderhäll,2021)。

昆虫具有明显的表型分化，丰富的表观遗传修饰和较小的基因组使其成为研究表观遗传修饰的重要对象(Vieiraetal.,2012;Chenetal.,2015)。组蛋白修饰是表观遗传修饰的主要形式，包括乙酰化、甲基化和磷酸化修饰等。目前，在昆虫中的组蛋白修饰主要集中在乙酰化和甲基化的修饰及修饰酶，利用转录组测序、染色质免疫共沉淀、染色质转座酶可及性测序、酶联免疫吸附测定和组蛋白修饰酶功能验证等技术研究表观遗传修饰对昆虫生长发育和免疫的调控(赵岩等,2021)。

近年来，随着高通量测序技术的快速发展，昆虫肠道微生物成为研究的焦点(周帆等,2020)。肠道菌群与宿主之间存在着复杂的相互作用，对宿主的新陈代谢、生长发育、交配繁殖、防御解毒等生理活动产生了极为重要的影响(Engel and Moran,2013;Luoetal.,2018)。此外，昆虫肠道微生物的应用也有极大的前景。在虫媒病防控方面，沙雷氏菌属SerratiaAS1重组菌株能够稳定地在蚊子中肠、雌性卵巢和雄性附属腺中定殖，分泌抗疟原虫的蛋白抑制疟原虫在蚊虫体内的生长(Wangetal.,2017)。在害虫防治方面，生防细菌假单胞杆菌Pseudomonas已被开发为商品化的生防制剂，例如CHA0,Pf-5和M18等，不仅能够保护植物根系，而且对鳞翅目害虫的幼虫也具有强大的杀伤力(Péchy-Tarretal.,2008)。

2 本专辑论文研究特色

本专辑有12篇研究论文和3篇综述，较完整地体现了目前我国昆虫发育与免疫学研究的热点。首先是研究对象兼顾模式、农业和资源昆虫。本专辑的论文研究对象多是大田作物和蔬菜上的鳞翅目害虫，比如小菜蛾、斜纹夜蛾Spodopteralitura、草地贪夜蛾Spodopterafrugiperda，也有其他害虫如飞蝗Locustamigratoria、豌豆蚜Acyrthosiphonpisum。除了害虫也包括资源昆虫家蚕B.mori和模式昆虫黑腹果蝇Drosophilamelanogaster。这充分说明昆虫种类多、多样性水平高，而昆虫发育和免疫学的研究方法已经广泛应用于各种昆虫种类。

其次，发育方面的内容涵盖从卵到成虫的所有发育阶段，主要研究信号传导机制。首先是调节转录的因子。宋妍等发现斜纹夜蛾核受体因子FTZ-F1参与响应杀虫剂胁迫(宋妍等,2022)；蒲尚昆等揭示了敲除家蚕paired box protein 3基因会影响家蚕的发育(蒲尚昆等,2022)；在家蚕中，黄琼等筛选了与BmEDF基因G4结构结合的蛋白(黄琼等,2022)；时佳园等鉴定了黑腹果蝇神经系统中与RBP9互作的蛋白(时佳园等,2022)。其他文章涉及信号通路及其下游分子。贠佳琦等研究了飞蝗中G蛋白偶联受体在雌成虫不同组织中的表达，并发现5个影响卵巢生长和卵发育的基因(贠佳琦等,2022)；南楠等综述了果蝇胰岛素样肽8从调节幼虫发育到影响成虫生殖的功能和最新进展(南楠等,2022)；在家蚕中，王叶菁等克隆了Wnt信号通路下游基因Pangolin并对其表达模式进行了研究(王叶菁等,2022)；谷峻等对斜纹夜蛾CYP450基因进行了鉴定和表达研究，对可能参与蜕皮激素合成代谢通路的CYP450的调控进行了研究(谷峻等,2022)。还有涉及生殖生理学的文章。邹明民等明确了小菜蛾虽然经多次交配，但首次交配起主要作用(邹明民等,2022)。张展涛等发现苦瓜素Ⅰ干扰斜纹夜蛾的蜕皮过程以及幼虫-蛹-成虫的变态发育过程，具有极大的杀虫剂开发价值(张展涛等,2022)。

免疫方面的研究则聚焦于生物互作。比如发现了敲低miRNA通路基因Dicer-1和AgO-1使得豌豆蚜对细菌和真菌更敏感(许珍珍等,2022)。陶新娉等的文章报道了肠道细菌降低了小菜蛾对Bt敏感性，并探讨了其机制(陶新娉等,2022)；李而涛等分析了小卷蛾斯氏线虫Steinernemacarpocapsae侵染下草地贪夜蛾的免疫反应(李而涛等,2022)。本专辑还包括了两篇免疫方面的综述，分别论述了蜱源抗凝血因子和昆虫血淋巴重要的免疫因子hemocytin的最新研究进展(倪军等,2022;王箐箐等,2022)。

昆虫发育与免疫学在基本研究方法上是互通的。基因克隆和实时定量PCR在昆虫学研究中得到广泛的应用，这些技术在本专辑绝大多数文章中都会有所体现。本专辑也展示了一些较新技术的应用，比如圆二色谱、凝胶迁移、蛋白质谱分析、RNA干扰技术和CRISPR-Cas9基因编辑技术，体现了我国分子昆虫科学在方法上进步甚快。

3 面向新时代的展望

新技术层出不穷，特别是在生物信息学和组学技术全面发展的今天，如何利用新技术继续创新是昆虫发育与免疫学工作者思考的问题。本专辑的论文在研究内容、应用技术等方面给我们做出了示范。我们必须保持中国特色，注重理论、技术与方法的新颖性和创新性，解决农、林、生态与生物安全等领域的重大难题，赶超国际昆虫发育与免疫学研究的先进水平。根据我们的研究经历，兹提出几点对于我国昆虫发育与免疫未来发展的建议，仅供参考。

第一，在大数据时代，将生物大数据转化为有价值的信息是我们面临的重要挑战之一。过去十年间，深度学习得到了迅速发展。目前深度学习应用于生物组学、生物医学领域，但是在昆虫生长发育与免疫中应用深度学习非常有挑战性。因为我们目前还没有足够的数据量，而且成功的深度学习是建立在典型算法细节的基础上，这一过程需要时间。必须要有攻坚克难的决心，建立昆虫学研究相关数据库，优化算法，将深度学习应用于害虫的监测、新型生物农药靶标的预测等方面。近年来，分析化学逐渐渗透到昆虫发育与免疫的研究中，将深化对昆虫发育与免疫的见解。利用基于质谱技术的蛋白质组学研究蛋白质翻译后修饰、关键代谢产物、辅酶等，将有助于开发新的害虫防控技术。但是，新技术在昆虫中的应用总是存在壁垒，例如昆虫个体较小，分析化学(质谱和色谱技术)等技术需要的样品量较大，很难达到检测标准。而且，目前昆虫相关的分子数据库很少，例如脂质组库和信息素库等。

第二，立足于国家重大需求，思考研究昆虫发育与免疫的意义。目前，食品安全问题尤其是农药残留问题日益突出。运用分子生物学技术，研究昆虫的发育和免疫机制为开发新型的害虫防控技术提供理论参考和靶标。

第三，强强联合，注重实践。需要生物学研究不同领域的专家进行合作，形成优势互补，将更多的基础研究成果应用于生产实践。面对深刻的科学问题，单一的研究往往力不从心，这时就需要打破禁锢，将各个研究领域结合起来。例如，在解析蛋白结构及其作用机制的基础上，发掘新的作用靶标，通过高通量筛选等技术手段将活性化合物用于害虫防治和农业生产。