廁所遭蟑螂圍攻後為其開闢實驗室中國學者發現斷肢再生奧秘

最新 03-21

蟑螂,學名蜚蠊,地球上最古老的昆蟲之一,在中國又被稱為「打不死」的「小強」。

一年多以前,華南師範大學生命科學學院和昆蟲科學與技術研究所的李勝教授將多年的研究對象從家蠶和果蠅轉移至果蠅和美洲大蠊(蜚蠊目一種)。北京時間3月21日凌晨,頂級學術期刊《自然》子刊《自然-通訊》在線發表了李勝團隊和該項研究有關的論文,」The genomic and functional landscapes of developmental plasticity in the American cockroach」(美洲大蠊發育可塑性的基因組與功能詮釋)。

李勝2006年從約翰霍普金斯大學博士後出站後回國工作,至今從事昆蟲科學研究20餘年。目前是華南師範大學昆蟲科學與技術研究所所長,2016年當選長江學者特聘教授。論文的另一通訊作者為中科院植生生態研究所的詹帥研究員。

李勝在接受採訪時表示,「研究蟑螂的初衷其實有一個蠻有趣的一個故事,當時我剛來到廣東,6月份的時候一去廁所就有好幾隻大蟑螂飛到身上來,非常討厭。國內當時也沒什麼對蟑螂的深入研究,我後來就跟詹帥討論了下決定研究蟑螂。」

彼時,李勝剛結束了在中科院植生生態研究所的10年工作生涯,去華南師範大學任職。正是在華南等熱帶和亞熱帶地區,蟑螂肆意滋生、危害猖獗,成為了臭名昭著的衛生害蟲。

隨後,李勝就專門開闢了一間蟑螂屋。二十幾平方米的蟑螂屋內,放置了許多鐵架子,架子上一層一層撂了很多塑料收納箱,每個箱子里放著一個菜市場隨處可見的紙漿雞蛋托盤。就在這樣的收納箱里,培養著數萬隻品種不同、大小不一的蟑螂,雞蛋托盤的一個個凹陷處成了蟑螂平日喜歡躲藏的地方。

白蟻由蟑螂進化而來

研究團隊首先通過二代測序技術獲得超過1Tb的數據。美洲大蠊的測序深度為295×,通過高質量基因組裝最後獲得3.38Gb基因組序列。

在所有的「家居」蟑螂中,美洲大蠊體型最大,長度可達53毫米,在發育成成蟲之前會蛻皮6-14次,生命周期也最長,將近有700天。

李勝表示,「在已知的昆蟲基因規模中,美洲大蠊是除東亞飛蝗外的第二大物種。」和東亞飛蝗類似,美洲大蠊60%左右的基因組為重複序列,研究團隊還預測到21336個蛋白編碼基因。

通過和其他蜚蠊目物種的基因組對比,研究團隊得出了他們的第一個重大發現:白蟻由蟑螂演化而來,而美洲大蠊介於德國小蠊和白蟻之間,並且美洲大蠊和白蟻的遺傳距離更加接近。

論文中提到,德國小蠊、濕材白蟻和美洲大蠊之間分別存在9633個和9573個同源序列。在其中7640個共同的同源序列中,近2/3的美洲大蠊基因在序列一致性上和白蟻更接近,另外1/3和德國小蠊更接近。

研究團隊認為,美洲大蠊和白蟻遺傳距離更近這一新發現,「為白蟻由蟑螂進化而來提供了重要的基因組證據」。

「目前來說,只能確定蜚蠊是白蟻的祖先,具體由那一種蜚蠊進化成白蟻還是不清楚,這也是我們目前非常重要的一個研究方向。」李勝表示,「另外,尋找蟑螂的起源,以及它們如何遷移,這都是我們非常感興趣的內容。」

追蹤、辨別食物的三大感受器家族

研究團隊隨後將研究聚焦於和美洲大蠊獨特的生物學特點相關的基因家族,以此破解它們適應城市環境的成功秘密。

李勝表示,「第一個是美洲大蠊攝食範圍特別廣,不被苦味受體識別的都能吃,萬一吃進去有毒的話還能通過一個非常複雜的解毒酶系統解毒,相關的基因家族會大規模擴張。它還有很強的免疫能力,能容忍病原微生物的侵入。」

眾所周知,美洲大蠊攝食廣泛,這也是它們適應多種食物來源的基礎。而這實際上源於它們能容忍各種化學、生物因素,例如殺蟲劑等帶來的毒素,或者各種病原體。因此,研究團隊開始分析和化學感應、解毒作用和免疫有關的信號通路。

昆蟲負責識別化學感應刺激的感受器家族主要有三大類,即嗅覺感受器(ORs)、味覺感受器(GRs)和離子型谷氨酸受體(IRs)。通常,化學刺激物質散發的氣味分子首先會被氣味結合蛋白(OBPs)會結合、轉移至嗅覺感受器。

研究團隊比較了美洲大蠊、白蟻和果蠅之間的上述感受器的基因家族。美洲大蠊基因中一共發現154個嗅覺感受器,是其它參照物種的兩倍。研究團隊認為,嗅覺感受器的擴張幫助美洲大蠊更易追蹤到食物,尤其是美洲大蠊最喜歡的發酵食物。

研究團隊進一步發現,美國大蠊有522個味覺感受器,這也是迄今在昆蟲中發現最多的。有趣的是,這其中有329個味覺感受器在系統發育中形成了特定的進化枝,也被稱作苦味受體。

能辨別苦味通常被認為是生物體應對苦味和有毒食物的自我保護系統。美洲大蠊中苦味受體的大量擴張或許可以解釋這種雜食性的物種可以適應不同環境中變化的食物。

此外,研究團隊還發現,離子型谷氨酸受體在美洲大蠊中也發生了本質性的擴張,達到640個,而濕材白蟻的基因中僅發現了148個。此前,在果蠅研究中曾報道,離子型谷氨酸受體在和觸角的腔錐感受器相關的神經元中被表達,以此調節對揮發性化學線索和溫度的響應。

因此,研究團隊假設,對美洲大蠊來說,離子型谷氨酸受體或許在環境適應性方面發揮了重要作用。

誤食了能自我解毒、微生物入侵有天然抗菌肽

美洲大蠊不僅攝食範圍廣,重點還在於一旦誤食還能自我解毒。

對昆蟲來說,克服毒素的解毒系統主要包括各種酶和異型物質(殺蟲劑、除草劑等)轉運蛋白。

研究團隊在美洲大蠊中確認了178個細胞色素P450s,90個羧酸脂酶或膽鹼酯酶,39種穀胱甘肽轉移酶和115種ATP結合盒轉運蛋白。這些就構成了美洲大蠊獨特的解毒系統。論文提到,和其他蜚蠊目物種比較,美洲大蠊中的P450s擴張最明顯。

除人類使用的殺蟲劑等毒素對蟑螂產生威脅外,微生物也是其「老朋友」。蟑螂通常生存在潮濕、不衛生的環境中,又尤其喜歡發酵食物。因此,蟑螂有大量暴露於細菌和病原菌的機會。

對所有的昆蟲來說,它們會依賴先天免疫系統來對抗微生物感染。先天免疫力的體液應答主要靠三種主要的信號通路調節:Imd、Toll和JAK-STAT。在果蠅等昆蟲中發現,被革蘭氏陰性細菌、革蘭氏陽性細菌和真菌感染後,Imd、Toll通路被分別激活,從而合成和分泌抗菌肽進入血淋巴,最終殺死入侵的微生物。

研究團隊發現,美洲大蠊含有Imd、Toll和JAK-STAT通路的關鍵組成成分和效應物質。和其他昆蟲相比,美洲大蠊Toll通路的基因顯著擴張。並且通過功能分析發現,Toll通路是美洲大蠊最為重要的天然免疫信號途徑。研究團隊還在美洲大蠊基因中檢測到11種抗菌肽。

研究團隊還給美洲大蠊注射微生物,通過測量蟑螂粗提液的抗菌活性來測試抗菌肽的感應。

研究團隊發現,注射革蘭氏陰性細菌後,抗菌活性很強,注射革蘭氏陽性細菌後,抗菌活性中等,注射真菌後,也存在較弱的抗菌活性。這些結果表明,蟑螂抗菌肽具有廣譜潛力。

「小強」斷肢再生的秘密

通常,在昆蟲的蛻皮和變態發育過程中,會受到20-羥基蛻皮甾酮(20E)和保幼激素(JH)的共同調節。

研究團隊發現,在美洲大蠊中,調節昆蟲發育的重要生物合成和信號通路,例如20-羥基蛻皮甾酮、保幼激素、胰島素、幾丁質代謝、AMPK、TORC1等均存在並高度保守。尤其是,研究團隊還發現了和保幼激素生物合成和代謝有關的兩種關鍵基因(Jhamt和Jhe)),另外胰島素樣肽基因顯著擴張。除此之外,表皮蛋白家族是美洲大蠊中擴張最顯著的。

為更好理解這些上游信號是如何調節蛻皮、變態和生長的,研究團隊通過RNA干擾技術破壞了美洲大蠊若蟲期的20-羥基蛻皮甾酮、保幼激素和胰島素信號,肉眼可觀察到蛻皮出現缺陷。

在RNA干擾敲低EcR和RXR這兩種編碼20-羥基蛻皮甾酮核受體的基因情況下,美洲大蠊最終會死亡。

研究團隊通過類似的實驗綜合得出,20-羥基蛻皮甾酮、保幼激素和胰島素對蛻皮、變態和生長分別能產生重要作用。當然,論文中還提及,這三者如何相互作用還有待研究。

美洲大蠊在較長的成蟲期會定期繁殖。另外,美洲大蠊還能孤雌生殖,即單性生殖,卵不經過受精也能發育成正常後代。這為蟑螂的泛濫成災也提供了源源不斷的動力。

李勝提到,「這個蟲子長得特別快,它是受吃所吃東西多少所調控的,具有很強的可塑性。有吃的東西話它可以長得很快,沒有吃的東西時候它可以保持很長時間的靜止,它會根據外界環境,改變蛻皮次數來調整其可塑性。」

據李勝描述,在野外美洲大蠊將近一年發育成成蟲,但在實驗室條件下三個月就可以到達成蟲。

值得注意的是,論文中強調,除美洲大蠊外,白蟻也能孤雌生殖,而德國小蠊不能。這也再次支持了美洲大蠊更接近於白蟻的假設。

蟑螂最被人熟知的還是其很強的「斷肢再生」能力,這也是被稱為「小強」的主要理由。論文中提到,美洲大蠊在若蟲期具有很強的斷肢再生能力,而斷肢再生的恢復程度則取決於創傷程度。

「如果把它的頭摘掉,它的身體還能活動五六天,如果把腿或者觸角剪掉,它幾天之內就能長出來,蛻皮以後就能清晰觀察到幾乎完好如初。」李勝表示。

在以往對果蠅和脊椎動物的研究中,已經有很多重要的信號通路被認為和傷口癒合和組織修復有關,例如Dpp(轉化生長因子)、JNK、GRH、Wg等。這些在美洲大蠊基因同樣被顯示存在。

研究團隊通過實驗著重證明,Dpp通路在蟑螂斷肢再生過程中對其傷口癒合和組織再生起到關鍵作用。