農(nóng)學(xué)院張傳溪教授團隊在Nature發(fā)文揭示昆蟲長短翅型可塑性發(fā)育分子機制
時間：2021-04-13 09:15:03學(xué)院：農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)院學(xué)校：浙江大學(xué)
在不同的環(huán)境條件下，基因型完全相同的生物的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能表現(xiàn)出顯著的差異，這種發(fā)育可塑性是生物在長期進化過程為適應(yīng)不斷變化的生態(tài)環(huán)境而形成的一種極其重要的生存策略，昆蟲的翅多型現(xiàn)象就是這種生物發(fā)育可塑性的典型例子。
很多昆蟲如蚜蟲、飛虱、蟋蟀等的若蟲在不同環(huán)境條件下會選擇性地發(fā)育成為長翅型或短（無）翅型成蟲。長翅型個體具有發(fā)育完全的前后翅和飛行肌，具飛行能力，當(dāng)環(huán)境條件惡劣時，可以向新的適宜生境擴散；而短翅型個體的前后翅和飛行肌退化，喪失飛行能力，但具有較高的生殖力，有利于種群在適宜的環(huán)境條件下快速增殖。因此，翅多型生物特性使這些昆蟲在生態(tài)系統(tǒng)中成為優(yōu)勢種，如果這些昆蟲是重要作物害蟲，就會極大增加其防治的難度。
鑒于昆蟲翅多型在進化發(fā)育生物學(xué)和農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中的重要性，它一直是基礎(chǔ)生物學(xué)研究的一個熱點。半個世紀以來，雖然眾多學(xué)者以蚜蟲、飛虱、蟋蟀為模式，對昆蟲翅多型進行了廣泛的研究，也積累了大量的資料，但尚未能揭示翅型分化的分子機制。針對這一懸而未決的科學(xué)問題，張傳溪教授實驗室選擇了亞洲水稻重要害蟲褐飛虱為模型，自主設(shè)計和研究,經(jīng)過近五年的潛心努力，終于發(fā)現(xiàn)了控制昆蟲長短翅型可塑性發(fā)育的分子機制，提出了2個胰島素受體調(diào)控翅型分化的信號通路模型。研究結(jié)果于倫敦時間2015年3月18日18:00（北京時間3月19日2:00）在線發(fā)表于Nature（Xu et al., 2015. Two insulin receptors determine alternative wing morphs in planthoppers. Nature. DOI: 10.1038/nature14286）。徐海君副教授和博士生薛建為論文共同第一作者，通訊作者為張傳溪教授和徐海君副教授，通訊作者單位和第一作者單位均為浙江大學(xué)。
該項研究發(fā)現(xiàn)，褐飛虱兩個序列同源性很高的胰島素受體在長、短翅分化中起著開關(guān)作用，其中第1個受體（受體I）扮演著典型的胰島素受體功能，而第2個受體（受體II）則是反式調(diào)節(jié)因子。當(dāng)受體II活性低時，胰島素與受體I結(jié)合使后者自我磷酸化，信號經(jīng)蛋白激酶B(Akt)傳遞至一種叫FOXO的轉(zhuǎn)錄因子并使其磷酸化，磷酸化的FOXO滯留于細胞質(zhì)中，不能發(fā)揮轉(zhuǎn)錄因子活性，個體就發(fā)育為長翅型。相反，當(dāng)受體II活性高時，受體II與受體I結(jié)合形成異源二聚體，使翅芽中的胰島素信號傳遞途徑失活，未被磷酸化的FOXO會進入細胞核，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄因子的活性，個體發(fā)育為短翅型。為了證明這種調(diào)控機制是否具有普遍性，他們同時用另外2種水稻重要害蟲（白背飛虱和灰飛虱）作了進一步驗證，結(jié)果表明飛虱科昆蟲翅型的可塑性發(fā)育都是由這2種胰島素受體“開關(guān)”調(diào)控。該項結(jié)果在進化發(fā)育生物學(xué)和昆蟲翅型可塑性發(fā)育研究上具有重要意義，Nature外審專家指出“該研究代表了多型現(xiàn)象分子機理研究的一個里程碑（This study represents a milestone in the molecular understanding of a polyphenic trait）”。
胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是動物細胞最基本通路，該通路異常與許多疾病相關(guān)。該項研究的另一意義是發(fā)現(xiàn)了2個胰島素受體具有完全相反的正負向調(diào)節(jié)功能，這挑戰(zhàn)了人們對胰島素受體傳統(tǒng)功能的認知，擴展了人們對生物胰島素信號途徑調(diào)控的認識。
褐飛虱是水稻的最重要害蟲，除直接取食危害外,還可傳播多種病毒病，給水稻生產(chǎn)造成巨大損失，年均損失為10-20億kg，對我國糧食安全造成很大威脅。褐飛虱是典型的翅二型昆蟲，短翅型使其能在合適的稻田快速繁殖，而長翅型使其在水稻黃熟前和氣候不適時遷移到合適的生境。翅二型分化和長距離遷飛是褐飛虱成為 “國際性、遷飛性、爆發(fā)性、毀滅性”大害蟲的主要因素。該項研究結(jié)果從分子機制上解析了翅型分化的本質(zhì)，為褐飛虱的測報預(yù)警提供了重要的理論依據(jù)，也對開發(fā)新型稻飛虱治理技術(shù)具有重要價值。
張傳溪教授實驗室近年來在稻飛虱分子生物學(xué)方面取得了一系列成果，例如前不久他們剛在知名生物學(xué)雜志Genome Biology上發(fā)表文章，解析了稻飛虱和共生菌的互作基因組（鏈接：http://genomebiology.com/2014/15/12/521/）。
該項研究得到了國家973項目“稻飛虱災(zāi)變機理和可持續(xù)治理的基礎(chǔ)研究”(2010CB126205)和國家自然科學(xué)基金項目(31201509、31471765)等項目的支持。
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