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破解“小强“断肢再生的奥秘

发布时间:2018/05/08

  顶级学术期刊《自然》子刊《自然·通讯》
  在线发表了李胜团队重要研究论文
  美洲大蠊发育可塑性的基因组和功能诠释
  在昆虫进化研究中取得了突破性成果
  “找上门”来的研究对象
  “用拖鞋打,明明打中了却打不死;用药物毒,一两次之后就没有效果了。”作为“臭名昭著”的“四害”之一,蟑螂(学名蜚蠊)顽强的生存能力困扰着许多人,也因此被称为“打不死”的“小强”。
  这一现象也引起了华师昆虫科学与技术研究所所长李胜所带领的研究团队的注意。研究团队聚焦美洲大蠊(蜚蠊目之一),从其独特的生物学特点出发,破解其拥有超强环境适应性的原因。


  “研究蟑螂的初衷,其实有一个蛮有趣的故事。”李胜笑着说。当时正是 2016年6月,李胜作为学校引进的长江学者,全职到华南师范大学生命科学学院工作。“每回一去厕所就有好几只大蟑螂飞到身上来,非常讨厌。”但这也给了他一个灵感,同样为困扰人的害虫,关于蚊子的研究常有耳闻,而对于蟑螂的研究却少见。
  经过与同行的研究员詹帅一番讨论后,决定除果蝇以外,将实验室的主要研究对象改为蟑螂:这种在华南等热带和亚热带地区肆意滋生、危害猖獗、臭名昭著的卫生害虫,它们严重危害人们生活质量和财产安全。
  李胜介绍,相对果蝇等模式的昆虫而言,美洲大蠊的绝大部分研究都显著滞后,高质量基因组信息的获得有助于大大提高美洲大蠊的基础与应用研究水平。


  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。


  白蚁是蟑螂进化来的?!
  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,具体由哪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。”
  城市环境的最佳适应者!
  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。
  不死“小强”助研再生医药
  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


  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。
  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。
  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。”
  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。
  呼吁建立高效系统防治


  除了对蟑螂进行深入的研究,李胜也呼吁全社会建立一个高效的害虫防治系统。这是他作为广东省政协委员,在今年一月份的广东省政协会议上提出的提案。李胜建议,在安全绿色的防治害虫技术方法上,由政府部门牵头将科研单位和社区家庭有机结合实现卫生害虫防治由传统的点-点防治升级到点-面和面-面的高效系统防治。
  李胜认为,传统的以家庭为单位的治理是低效的,应当将政府、社区与家庭相结合,一方面利用化学气味,捕杀或驱赶蟑螂,另一方面,利用病毒在对人无害的前提下,更高效地杀死蟑螂。李胜提出《关于组建政府部门、科研单位、社区家庭相结合的卫生害虫防治体系的建议》的提案,得到了省政协的高度重视。

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