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中国学者发现蟑螂断肢再生奥秘 揭示白蚁由蟑螂进化而来

发布时间:2018-03-21 17:00:14来源:澎湃新闻

在厕所遭蟑螂围攻,中国学者转而发起研究:发现断肢再生奥秘

蟑螂,学名蜚蠊,地球上最古老的昆虫之一,在中国又被称为“打不死”的“小强”。

一年多以前,华南师范大学生命科学学院和昆虫科学与技术研究所的李胜教授将多年的研究对象从家蚕和果蝇转移至果蝇和美洲大蠊(蜚蠊目一种)。北京时间3月21日凌晨,顶级学术期刊《自然》子刊《自然-通讯》在线发表了李胜团队和该项研究有关的论文,”The genomic and functional landscapes of developmental plasticity in the American cockroach”(美洲大蠊发育可塑性的基因组与功能诠释)。

李胜2006年从约翰霍普金斯大学博士后出站后回国工作,至今从事昆虫科学研究20余年。目前是华南师范大学昆虫科学与技术研究所所长,2016年当选长江学者特聘教授。论文的另一通讯作者为中科院植生生态研究所的詹帅研究员。

李胜在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)采访时表示,“研究蟑螂的初衷其实有一个蛮有趣的一个故事,当时我刚来到广东,6月份的时候一去厕所就有好几只大蟑螂飞到身上来,非常讨厌。国内当时也没什么对蟑螂的深入研究,我后来就跟詹帅讨论了下决定研究蟑螂。”

彼时,李胜刚结束了在中科院植生生态研究所的10年工作生涯,去华南师范大学任职。正是在华南等热带和亚热带地区,蟑螂肆意滋生、危害猖獗,成为了臭名昭著的卫生害虫。

随后,李胜就专门开辟了一间蟑螂屋。二十几平方米的蟑螂屋内,放置了许多铁架子,架子上一层一层撂了很多塑料收纳箱,每个箱子里放着一个菜市场随处可见的纸浆鸡蛋托盘。就在这样的收纳箱里,培养着数万只品种不同、大小不一的蟑螂,鸡蛋托盘的一个个凹陷处成了蟑螂平日喜欢躲藏的地方。

白蚁由蟑螂进化而来

研究团队首先通过二代测序技术获得超过1Tb的数据。美洲大蠊的测序深度为295×,通过高质量基因组装最后获得3.38Gb基因组序列。

在所有的“家居”蟑螂中,美洲大蠊体型最大,长度可达53毫米,在发育成成虫之前会蜕皮6-14次,生命周期也最长,将近有700天。

李胜表示,“在已知的昆虫基因规模中,美洲大蠊是除东亚飞蝗外的第二大物种。”和东亚飞蝗类似,美洲大蠊60%左右的基因组为重复序列,研究团队还预测到21336个蛋白编码基因。

通过和其他蜚蠊目物种的基因组对比,研究团队得出了他们的第一个重大发现:白蚁由蟑螂演化而来,而美洲大蠊介于德国小蠊和白蚁之间,并且美洲大蠊和白蚁的遗传距离更加接近。

论文中提到,德国小蠊、湿材白蚁和美洲大蠊之间分别存在9633个和9573个同源序列。在其中7640个共同的同源序列中,近2/3的美洲大蠊基因在序列一致性上和白蚁更接近,另外1/3和德国小蠊更接近。

研究团队认为,美洲大蠊和白蚁遗传距离更近这一新发现,“为白蚁由蟑螂进化而来提供了重要的基因组证据”。

“目前来说,只能确定蜚蠊是白蚁的祖先,具体由那一种蜚蠊进化成白蚁还是不清楚,这也是我们目前非常重要的一个研究方向。”李胜表示,“另外,寻找蟑螂的起源,以及它们如何迁移,这都是我们非常感兴趣的内容。”

追踪、辨别食物的三大感受器家族

研究团队随后将研究聚焦于和美洲大蠊独特的生物学特点相关的基因家族,以此破解它们适应城市环境的成功秘密。

李胜表示,“第一个是美洲大蠊摄食范围特别广,不被苦味受体识别的都能吃,万一吃进去有毒的话还能通过一个非常复杂的解毒酶系统解毒,相关的基因家族会大规模扩张。它还有很强的免疫能力,能容忍病原微生物的侵入。”

众所周知,美洲大蠊摄食广泛,这也是它们适应多种食物来源的基础。而这实际上源于它们能容忍各种化学、生物因素,例如杀虫剂等带来的毒素,或者各种病原体。因此,研究团队开始分析和化学感应、解毒作用和免疫有关的信号通路。

昆虫负责识别化学感应刺激的感受器家族主要有三大类,即嗅觉感受器(ORs)、味觉感受器(GRs)和离子型谷氨酸受体(IRs)。通常,化学刺激物质散发的气味分子首先会被气味结合蛋白(OBPs)会结合、转移至嗅觉感受器。

研究团队比较了美洲大蠊、白蚁和果蝇之间的上述感受器的基因家族。美洲大蠊基因中一共发现154个嗅觉感受器,是其它参照物种的两倍。研究团队认为,嗅觉感受器的扩张帮助美洲大蠊更易追踪到食物,尤其是美洲大蠊最喜欢的发酵食物。

研究团队进一步发现,美国大蠊有522个味觉感受器,这也是迄今在昆虫中发现最多的。有趣的是,这其中有329个味觉感受器在系统发育中形成了特定的进化枝,也被称作苦味受体。

能辨别苦味通常被认为是生物体应对苦味和有毒食物的自我保护系统。美洲大蠊中苦味受体的大量扩张或许可以解释这种杂食性的物种可以适应不同环境中变化的食物。

此外,研究团队还发现,离子型谷氨酸受体在美洲大蠊中也发生了本质性的扩张,达到640个,而湿材白蚁的基因中仅发现了148个。此前,在果蝇研究中曾报道,离子型谷氨酸受体在和触角的腔锥感受器相关的神经元中被表达,以此调节对挥发性化学线索和温度的响应。

因此,研究团队假设,对美洲大蠊来说,离子型谷氨酸受体或许在环境适应性方面发挥了重要作用。

误食了能自我解毒、微生物入侵有天然抗菌肽

美洲大蠊不仅摄食范围广,重点还在于一旦误食还能自我解毒。

对昆虫来说,克服毒素的解毒系统主要包括各种酶和异型物质(杀虫剂、除草剂等)转运蛋白。

研究团队在美洲大蠊中确认了178个细胞色素P450s,90个羧酸脂酶或胆碱酯酶,39种谷胱甘肽转移酶和115种ATP结合盒转运蛋白。这些就构成了美洲大蠊独特的解毒系统。论文提到,和其他蜚蠊目物种比较,美洲大蠊中的P450s扩张最明显。

除人类使用的杀虫剂等毒素对蟑螂产生威胁外,微生物也是其“老朋友”。蟑螂通常生存在潮湿、不卫生的环境中,又尤其喜欢发酵食物。因此,蟑螂有大量暴露于细菌和病原菌的机会。

对所有的昆虫来说,它们会依赖先天免疫系统来对抗微生物感染。先天免疫力的体液应答主要靠三种主要的信号通路调节:Imd、Toll和JAK-STAT。在果蝇等昆虫中发现,被革兰氏阴性细菌、革兰氏阳性细菌和真菌感染后,Imd、Toll通路被分别激活,从而合成和分泌抗菌肽进入血淋巴,最终杀死入侵的微生物。

研究团队发现,美洲大蠊含有Imd、Toll和JAK-STAT通路的关键组成成分和效应物质。和其他昆虫相比,美洲大蠊Toll通路的基因显著扩张。并且通过功能分析发现,Toll通路是美洲大蠊最为重要的天然免疫信号途径。研究团队还在美洲大蠊基因中检测到11种抗菌肽。

研究团队还给美洲大蠊注射微生物,通过测量蟑螂粗提液的抗菌活性来测试抗菌肽的感应。

研究团队发现,注射革兰氏阴性细菌后,抗菌活性很强,注射革兰氏阳性细菌后,抗菌活性中等,注射真菌后,也存在较弱的抗菌活性。这些结果表明,蟑螂抗菌肽具有广谱潜力。

“小强”断肢再生的秘密

通常,在昆虫的蜕皮和变态发育过程中,会受到20-羟基蜕皮甾酮(20E)和保幼激素(JH)的共同调节。

研究团队发现,在美洲大蠊中,调节昆虫发育的重要生物合成和信号通路,例如20-羟基蜕皮甾酮、保幼激素、胰岛素、几丁质代谢、AMPK、TORC1等均存在并高度保守。尤其是,研究团队还发现了和保幼激素生物合成和代谢有关的两种关键基因(Jhamt 和Jhe)),另外胰岛素样肽基因显著扩张。除此之外,表皮蛋白家族是美洲大蠊中扩张最显著的。

为更好理解这些上游信号是如何调节蜕皮、变态和生长的,研究团队通过RNA干扰技术破坏了美洲大蠊若虫期的20-羟基蜕皮甾酮、保幼激素和胰岛素信号,肉眼可观察到蜕皮出现缺陷。

在RNA干扰敲低EcR和RXR这两种编码20-羟基蜕皮甾酮核受体的基因情况下,美洲大蠊最终会死亡。

研究团队通过类似的实验综合得出,20-羟基蜕皮甾酮、保幼激素和胰岛素对蜕皮、变态和生长分别能产生重要作用。当然,论文中还提及,这三者如何相互作用还有待研究。

美洲大蠊在较长的成虫期会定期繁殖。另外,美洲大蠊还能孤雌生殖,即单性生殖,卵不经过受精也能发育成正常后代。这为蟑螂的泛滥成灾也提供了源源不断的动力。

李胜提到,“这个虫子长得特别快,它是受吃所吃东西多少所调控的,具有很强的可塑性。有吃的东西话它可以长得很快,没有吃的东西时候它可以保持很长时间的静止,它会根据外界环境,改变蜕皮次数来调整其可塑性。”

据李胜描述,在野外美洲大蠊将近一年发育成成虫,但在实验室条件下三个月就可以到达成虫。

值得注意的是,论文中强调,除美洲大蠊外,白蚁也能孤雌生殖,而德国小蠊不能。这也再次支持了美洲大蠊更接近于白蚁的假设。

蟑螂最被人熟知的还是其很强的“断肢再生”能力,这也是被称为“小强”的主要理由。论文中提到,美洲大蠊在若虫期具有很强的断肢再生能力,而断肢再生的恢复程度则取决于创伤程度。

“如果把它的头摘掉,它的身体还能活动五六天,如果把腿或者触角剪掉,它几天之内就能长出来,蜕皮以后就能清晰观察到几乎完好如初。”李胜表示。

在以往对果蝇和脊椎动物的研究中,已经有很多重要的信号通路被认为和伤口愈合和组织修复有关,例如Dpp(转化生长因子)、JNK、GRH、Wg等。这些在美洲大蠊基因同样被显示存在。

研究团队通过实验着重证明,Dpp通路在蟑螂断肢再生过程中对其伤口愈合和组织再生起到关键作用。

论文中还提到,目前已经成为伤口愈合和组织再生处方药的康复新液(国家药品标准 WS3-B-3674-2000(Z)),实际上就是美洲大蠊的乙醇提取液。

目前,研究团队正在研究,是否真正存在“生长因子”将美洲大蠊断肢再生机制和康复新液这样的乙醇提取液联系起来。