黏蟲黑化引起的免疫致災新機制的思考

張 蕾, 劉悅秋, 程云霞, 江幸福*

(1. 植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 中國農業科學院植物保護研究所, 北京 100193; 2. 北京農學院園林系, 北京 102206)

黏蟲黑化引起的免疫致災新機制的思考

張 蕾1#, 劉悅秋2#, 程云霞1, 江幸福1*

(1. 植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 中國農業科學院植物保護研究所, 北京 100193; 2. 北京農學院園林系, 北京 102206)

本文根據田間發現的黏蟲大發生遷飛種群的多數個體均發生了不同程度黑化的現象,結合近年來遷飛昆蟲的密度依賴性防御能力、體液免疫與細胞免疫應答機制、防御的神經內分泌調控機制以及生態免疫等方面的研究進展,提出黏蟲防御反應及其與遷飛致災關系的思考,對于揭示遷飛性黏蟲成災新機制以及指導其生物防治均具有重要意義。

黏蟲; 密度依賴性防御; 免疫機制; 生態免疫; 免疫致災

黏蟲Mythimnaseparata是一種典型的遠距離遷飛害蟲,也是嚴重威脅我國玉米、小麥和水稻三大主糧生產安全的重大生物災害[1]。其發生范圍廣, 危害世代多,每年在我國有4～5次大范圍的遷飛危害,嚴重時可造成糧食絕產絕收[2]。歷史上黏蟲曾被稱為“神蟲”,大發生時出現“食稼殆盡、斗米千錢”的現象。1950-1989年間,黏蟲有17年暴發成災,成災面積7 191萬hm2,糧食損失超過1 643萬t。近年來,黏蟲危害呈加重之勢,2012年和2013年連續在全國大發生,其發生面積之大,蟲口密度之高,損失之重,均屬歷史罕見[3-4]。

正是由于黏蟲發生危害的嚴重性,我國對黏蟲災害十分重視。20世紀50-70年代末,曾組織全國力量對黏蟲越冬遷飛規律及防控技術進行過系統研究。90年代后對其成災機理和遷飛行為發生與調控機制的研究取得了一系列重要進展。但由于近年來全球氣候、農作物種植結構、品種布局和耕作栽培制度以及黏蟲本身適應性和致害性等變化,黏蟲成災規律發生了明顯變化。我們在全國開展黏蟲危害調查時發現田間所有大發生成災種群均出現了不同程度的黑化,幼蟲黑化已成為高密度成災種群典型的預警指標。進一步調查發現這些黑化黏蟲的天敵寄生率和病原物侵染率明顯下降且一些常用的真菌、細菌和病毒等生物制劑對其防治效果均不明顯,導致近年來其在生產上危害程度加重[1]。這些問題引起了我們高度重視,這些黑化黏蟲是否存在密度依賴性防御反應？如果有,其防御的免疫應答機制是什么？黏蟲黑化-防御能力-免疫應答三者間如何聯系？與免疫相關的神經內分泌激素是否以及如何調節其免疫功能？黏蟲防御反應(被寄生或侵染)后是否會調控其行為及發育方向從而影響種群動態與發生危害？明確這些來源于田間生產上的科學問題,無論是在理論上對于揭示黏蟲免疫致災機制、促進對其進化與環境適應性認識,還是在應用上對于掌握黏蟲抵抗天敵與病原物侵害的生存策略,從而指導和發展其生物防治均具有重要意義。

1 昆蟲防御反應

1.1 遷飛性昆蟲密度依賴性防御能力

密度依賴性防御反應(density-dependent prophylaxis, DDP)廣泛存在于鱗翅目、直翅目、鞘翅目、膜翅目和雙翅目等種類中,即昆蟲為了抵御高密度下寄生物或病原物侵入與傳播風險的增加而將更多的資源投入到免疫以獲得較強的防御能力[5]。這種防御特性在密度依賴性黑化的昆蟲中更為普遍[6]。昆蟲可以利用幼蟲密度來預測受天敵寄生和病原物侵染的幾率,從而對資源進行最佳分配,以增強抵抗寄生物和病原物能力,而大多數遷飛昆蟲還可以利用密度作為一種環境條件變化的信號,當種群密度變化時,昆蟲會改變能源投資方向,如較高密度下能源從用于卵巢發育轉向翅和飛行肌發育或脂類積累,從而分化出遷飛型[7-8]。因此,遷飛昆蟲的資源分配更加復雜,其密度依賴性防御反應研究不僅可促進對環境適應策略的認識,揭示其進化理論,而且還有助于從免疫學和遷飛行為學多方面了解昆蟲種群動態變化規律,指導生物防治。因此,遷飛昆蟲密度依賴性防御反應已成為多學科交叉研究熱點。

通常隨著種群密度的增加,昆蟲被寄生或侵染的幾率明顯增加,但與低密度種群相比,較高密度種群對寄生物和病原物抵抗力增強。對草地螟Loxostegesticticalis不同密度下抗天敵寄生和病原菌侵染能力的研究表明,較高密度下防御能力顯著高于單頭的[9]。對非洲黏蟲Spodopteraexempta的研究表明,黑化的高密度群居型對核多角體病毒(Nuclear polyhedrosis viruses,NPV)的抵抗力是低密度種群的10倍[10]。甘藍夜蛾Mamestrabrassicae在一定密度范圍內,對NPV抵抗能力隨密度增加而增強[11]。沙漠蝗Schistocercagregaria群居型個體對綠僵菌的抵抗力顯著高于散居型的[5,12]。當然并不是所有昆蟲都具備密度依賴性防御特性[13]。

1.2 昆蟲密度依賴性免疫應答機制

昆蟲免疫過程非常復雜,昆蟲密度依賴性防御能力主要受包括體液免疫和細胞免疫在內的一系列天生免疫應答的影響[14]。免疫指標主要體現在酚氧化酶(polyphenol oxidase,PO)和溶菌酶等活性變化、抗菌肽產生、血細胞種類與數量、細胞吞噬與包囊作用等方面。通常情況下,昆蟲在寄生物和病原物侵染時多項免疫指標隨著密度的增加而提高,但不同免疫通道間也會存在平衡(trade-off)。PO是昆蟲黑色素合成的關鍵酶,不僅是黑化昆蟲產生的重要物質,同時也是免疫系統的重要組成,血淋巴、中腸、表皮組織PO活性與其對許多天敵和病原菌的抵抗力直接相關。群居型非洲黏蟲對NPV的抵抗力比散居型的強,其對應個體血淋巴PO活性也高。中腸和表皮也是許多寄生物和病原菌侵入寄主的重要部位,這些組織中PO活性隨幼蟲體色黑化的加深也增強,表明這些部位PO活性增加也是防御能力增強的主要原因。較高密度下草地螟防御能力增強與其血淋巴中PO活性、抗菌活力以及血細胞總數等增加相關[9]。海灰翅夜蛾Spodopteralittoralis黑化個體的血淋巴和表皮的PO活性均高于非黑化個體的[15]。沙漠蝗群居型個體血細胞數目明顯較散居型增加,血淋巴抗菌活力也明顯高于散居型的[12]。但昆蟲的免疫指標之間也存在相互平衡,如海灰翅夜蛾黑化幼蟲的血淋巴和表皮PO活性、血細胞數量都高于非黑化個體,但血淋巴中抗菌物質的抗菌活力在非黑化幼蟲中明顯偏高[15]。群居型沙漠蝗防御能力的提高與血淋巴抗菌活力提高、血細胞數量增加有關,而血淋巴中PO活性、血細胞包囊作用在群居型個體中均較低[12],也表明其免疫系統存在平衡關系。

1.3 昆蟲免疫防御的神經內分泌調節機制

昆蟲免疫通常受神經和內分泌系統調節,特別是神經和內分泌激素。激素對免疫的調控作用主要體現在免疫細胞上存在多種激素受體,其與受體結合能顯著影響細胞免疫。章魚胺、5-羥色胺和多巴胺等生物胺是昆蟲體內重要的神經激素,同時也是免疫調節因子[16-17]。外源注射章魚胺、5-羥色胺和多巴胺能顯著增強美洲蜚蠊Periplanetaamericana血細胞的吞噬作用,且感染金黃色葡萄球菌后血淋巴中章魚胺和5-羥色胺含量顯著增加[18]。煙草天蛾Manducasexta幼蟲被繭蜂寄生或注射失活細菌均可引起血淋巴中章魚胺含量的明顯升高[19]。蟋蟀Gryllustexensis血淋巴、脂肪體、大腦及神經索中都有章魚胺受體基因表達且與免疫功能相關[20]。另外,種群密度也可顯著影響昆蟲章魚胺、多巴胺及5-羥色胺的含量。與低密度種群相比,高密度下蟋蟀Gryllusbimaculatus腦部章魚胺、5-羥色胺和多巴胺的含量均明顯增高[21]。不同種群密度下飛蝗Locustamigratoria體內神經激素受體基因也差異表達[22]。因此,神經激素生物胺是調節昆蟲密度依賴性防御的重要物質。

保幼激素(juvenile hormone,JH)和蛻皮激素(molting hormone, MH)是昆蟲體內主要的內分泌激素,不僅調控昆蟲生長發育、變態、遷飛與生殖,而且還對免疫功能具有調節作用。其中JH能抑制昆蟲的免疫反應,如外源JH能降低海灰翅夜蛾幼蟲對寄生蜂的包囊作用,并且隨著激素劑量的增加抑制作用增強[23]。黃粉蟲Tenebriomolitor成蟲交配后高濃度JH能抑制體內PO活性和包囊作用[24-25]。另一方面,MH能促進昆蟲的免疫反應。黑腹果蠅Drosophilamelanogaster注射MH能增強細胞吞噬功能、誘導某些抗菌肽基因表達、增強PO活性[26]，并可促進病原物模式識別蛋白基因的表達[27],而在MH缺失的個體中,細胞包囊作用則被抑制[28]。總之,JH和MH不僅能夠正負向調控昆蟲的細胞免疫,而且還可以通過誘導或抑制抗菌肽調控其體液免疫[29-30]。另外,昆蟲內分泌激素還可以與神經激素相互作用,共同對免疫系統進行調控[31]。

1.4 防御反應對昆蟲行為及發育方向的影響

昆蟲在受到外界天敵寄生或病原物侵染時,會被其免疫受體識別并開始一系列免疫反應。這些免疫反應影響昆蟲的資源分配并可能改變其行為或發育方向從而影響種群動態[32-33]。然而,導致這方面改變的機制很少被研究[34]。對于遷飛昆蟲而言,防御反應如何影響遷飛和生殖行為從而影響寄主和病原物種群動態在生態免疫學上尤為重要[35]。對群居型飛蝗被一種微孢子蟲Paranosemalocustae寄生后的免疫反應和發育方向研究表明,寄生后顯著影響群居型蝗蟲后腸細菌群落生長從而減少糞便中聚集信息素的產生,導致群居型蝗蟲向散居型轉變。其原因主要是由于寄生減少了蝗蟲神經激素(5-羥色胺和多巴胺)的生物合成[36]。煙草天蛾在被寄生后取食行為會受到顯著抑制,血細胞數量下降。注射滅活的細菌同樣也能引起寄主取食行為和血細胞數量的下降,但兩者均能引起血淋巴章魚胺濃度的升高和前腸蠕動性下降,這表明煙草天蛾免疫反應引起了相關免疫指標的變化進而影響了寄主的取食行為[19]。因此,昆蟲在受到外來寄生或侵染威脅時,將會通過神經內分泌系統調節免疫系統的功能,進而在行為和發育方向上產生適應性生存策略,從而影響種群動態。盡管目前昆蟲密度依賴性防御反應及其生態學效應已引起科學家重視,但圍繞密度依賴性黑化-防御能力-免疫應答機制-生態免疫效應四者間有機聯系尚未見報道,嚴重制約了昆蟲密度依賴防御理論的發展。因此,綜合昆蟲學、免疫學和生態學等交叉學科的昆蟲密度依賴性防御反應及其生態免疫效應研究成為發展趨勢。

2 黏蟲免疫致災機制研究的發展趨勢

我們前期研究表明黏蟲是一種典型的密度依賴性黑化昆蟲[37-38],這也就是田間出現的高密度大發生種群通常是黑化型的重要原因。那么如何回答大發生黑化黏蟲種群成災的原因呢？盡管前期對黏蟲黑化與成災的關系進行過較為系統的研究，明確了黑化黏蟲生長發育快，存活率高，取食量大但食物利用率低，發育而來的成蟲分化出遷飛型而遷飛到他處危害[7-8,37-38]等生物學和行為學變化,這無疑能很好地闡明黑化黏蟲致災的部分原因,但黑化黏蟲是否具有密度依賴性免疫防御反應？如果有,將會極大地豐富黑化黏蟲成災的機制。實際上,我們前期工作初步表明答案是肯定的。對不同幼蟲密度飼養下的黏蟲防御傘裙追寄蠅Exoristacivilis和綠僵菌Metarrhiziumanisopliae的研究表明:高密度下幼蟲抵抗寄生能力較強,30頭/850 mL下寄生蠅死亡率高;而寄主出蛾率高。同樣,高密度下幼蟲抗病力顯著增強,30頭/850 mL下幼蟲存活率顯著高于單頭飼養的。進一步對不同密度下黏蟲PO活性測定表明,高密度下6齡幼蟲表皮和血淋巴PO活性均顯著高于低密度的,初步明確PO活性的增加是高密度幼蟲黑化及抗病蟲能力增強的主要原因。這些結果為下一步系統開展黏蟲密度依賴性防御反應的免疫應答、神經內分泌調節以及防御后行為與發育方向變化等研究奠定了堅實的基礎。因此,黏蟲免疫致災機制研究可集中在以下幾個方面:第一,建立黏蟲密度依賴性抗天敵寄生和病原物侵染平臺,系統研究其密度依賴性防御能力的變化;第二,系統研究黏蟲體液與細胞免疫應答機制,明確黏蟲黑化-防御能力-免疫應答三者間聯系;第三,通過注射神經和內分泌激素后測定其防御能力和免疫指標的變化以及檢測防御過程中各種激素含量的變化,明確其對免疫的調節機制;第四,檢測黏蟲被天敵寄生或病原物感染后幸存個體飛行與生殖能力的變化,從而鑒定其遷飛型轉化等行為與發育方向的變化,解析黏蟲在種群密度和生物因子雙重壓力下的生存策略。

通過以上系統研究不僅可以揭示黏蟲密度依賴性黑化及防御特性,解析其密度依賴性黑化-抗天敵寄生與病原物侵染能力-細胞和體液免疫應答的三者聯系;而且可以進一步揭示神經內分泌因子對其免疫功能的調節作用以及免疫后遷飛型轉化等行為和發育方向變化。從而在理論上達到明確黑化黏蟲的免疫防御作用、調節機制以及生態免疫效應,在生產上揭示田間大發生種群黑化的生活史與進化策略以及暴發成災機制,為指導黏蟲高效生物防治提供科學依據。

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(責任編輯：田 喆)

Consideration of a novel mechanism of outbreak induced by immunitybased on the field investigation of the larval melanization in theoriental armyworm,Mythimnaseparata

Zhang Lei1, Liu Yueqiu2, Cheng Yunxia1, Jiang Xingfu1

(1. State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests, Institute ofPlant Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China;2. Department of Landscape, Beijing University of Agriculture, Beijing 102206, China)

Based on the field investigation of the larval melanization in the outbreak populations of the oriental armyworm,Mythimnaseparata,combined with the recent research progresses in the insect density-dependent prophylaxis, humoral and cellular immunity mechanisms, neuroendocrine regulation of the immunity and ecological immunity, we hypothesized a possible novel mechanism of outbreak induced by immunity and proposed the future research tendency inM.separata. This review may contribute to further understanding of the immunity response characteristics and guidance of the biocontrol management in this long-distance migratory insect pest.

Mythimnaseparata; density-dependent prophylaxis; immunity mechanism; ecological immunity; outbreak induced by immunity

2017-04-17

公益性行業(農業)科研專項(201403031);國家自然科學基金(31672019,31371947,31301656);北京市自然科學基金(6172030,6142017)

S 433.4

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2017.03.002

* 通信作者 E-mail:xfjiang@ippcaas.cn

#共同第一作者