基于后基因組學的白蟻品級分化研究簡述

周維 張強

摘要 白蟻是等翅目昆蟲，是世界性五大害蟲之一，分布廣泛，對房屋建筑、園林綠化、水利工程、通信設施等均會造成嚴重破壞，全球每年因白蟻危害造成的經濟損失多達數十億美元。近年來，分子生物技術越來越廣泛地被應用于白蟻學研究，加深了對白蟻的認知。對白蟻生殖品級、兵蟻品級等品級分化方面的最新研究進行了綜述，旨在通過白蟻分子機制的全新認識和相關功能基因的篩選，為新型高效、環保的白蟻防治藥劑的研發提供新的思路和參考。

關鍵詞 白蟻；分子生物技術；功能；品級分化；基因

中圖分類號：Q969.29+6 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）12–000-03

A Brief Review of Termite Grade Differentiation Research Based on Postgenomics

Zhou Wei et al（Huainan Termite Control Institute， Huainan， Anhui 232001）

Abstract Termites are one of the five major pests in the world， belonging to the order Isoptera. They are widely distributed and can cause serious damage to buildings， landscaping， water conservancy projects， communication facilities， and other areas. The economic losses caused by termites worldwide each year amount to billions of dollars. In recent years， molecular biotechnology has been increasingly applied in termitology research， refreshing new understanding of termites. This article provided a review of the latest research on the differentiation of termite reproductive grades， soldier ant grades， and other grades， aiming to provide new ideas and references for the development of new efficient and environmentally friendly termite control agents through a new understanding of termite molecular mechanisms and screening of related functional genes.

Key words Termites; Molecular biotechnology; Functions; Caste determination; Genes

白蟻屬節肢動物門昆蟲綱等翅目，是世界性害蟲之一，全球每年因白蟻造成的直接經濟損失多達數十億美元。隨著生物分子技術的發展，一些最新的功能基因組學研究方法逐漸被應用于昆蟲學研究和白蟻學研究。白蟻是真社會性昆蟲，白蟻品級研究一直是當今白蟻學的熱點領域。從白蟻防治角度來看，若能弄清信息素主導下的白蟻品級分化機制，精準識別信息素受體基因或結合蛋白，有望利用RNAi技術識別白蟻特異性功能基因，研制出RNAi生物農藥高效防治白蟻，大大減少每年因白蟻危害造成的經濟損失和蟻害防治成本。

1 白蟻學主要分子技術

進入后基因組學（Postgenomics）時代，生物學研究已從對單一基因或蛋白質的研究轉向對多個基因或蛋白質進行系統研究。白蟻學研究采用的分子手段主要包括經典的RNA原位雜交[1]，

實時熒光定量PCR技術[2]進行基因表達定量分析和RNA干擾技術[3]等。前2種方法主要用于基因表達定位、定量分析，RNAi技術主要用于基因表達功能分析。

隨著基因組測序工作的完成，基因學研究進入后基因組時代，基因組學研究從結構基因組學過渡至功能基因組學階段，越來越多的基因功能被揭示。作為一項高效的新技術，RNAi技術被越來越廣泛地應用于功能基因組學研究，鑒于RNAi技術在昆蟲基因功能研究和害蟲防治策略的應用上取得了較大進展，昆蟲RNAi技術的應用將對白蟻基因功能研究和白蟻防治策略提供新的思路和方向[4]。

2 品級分化

白蟻的品級分化一直是白蟻研究的一大熱點。白蟻是多態型社會昆蟲，個體漸變態發育，同巢白蟻從外形和分工來看，分為繁殖蟻、工蟻、兵蟻等多種品級，白蟻品級的分化通常是環境因素、社會性因素、個體因素共同作用的結果。個體因素主要是白蟻體內激素，如保幼激素的分泌和體內調控品級分化的相關基因，作用于單個白蟻自身；社會性因素主要是外激素和化學信息素，作用于同巢白蟻個體之間；環境因素作用于整個群體，包括環境食物豐富度（營養）、濕度、溫度等影響個體發育的因素。為明確決定品級的直接影響因素，有必要闡明各品級分化的分子機制。

2.1 保幼激素（JH）依賴性品級分化

各品級的白蟻個體通常在保幼激素、外激素和化學信息素的共同作用下完成品級分化并維持品級穩態，保幼激素（JH）調控下的個體基因表達是品級分化研究中涉及最多的一個因素。來自Cyp15家族基因的細胞色素P450（Cyp15F1）參與白蟻保幼激素的合成。研究表明：Cyp15F1在體內各個部位廣泛表達（包括腸道組織），至少在一定程度上促進了保幼激素依賴性品級分化[5]。

山林原白蟻（Hodotermopsis sjostedti）體內的品級特化細胞色素P450（CYP6-AM1）在擬工蟻和兵蟻的脂肪體中有特異性表達[6]。表觀遺傳調控，比如DNA甲基化和組蛋白修飾等能影響保幼激素合成、結合、信號傳導相關基因的表達，從而影響個體品級分化。

內華達動白蟻（Zootermopsis nevad-ensis）組蛋白修飾基因在兵蟻分化蛻皮期中起到特定作用，對兵蟻分化中表觀遺傳相關基因進行功能分析，顯示沉默相關基因后，與保幼激素合成、結合和信號傳導相關的基因表達水平下降，表明表觀遺傳相關基因不直接參與兵蟻分化，但一些蛋白修飾基因會對蛻皮期產生影響，可能是與兵蟻分化過程中保幼激素作用的調控有關[7]。

北美散白蟻（R. flavipes）中提取出2種儲存蛋白基因（Hex-1、Hex-2），其作用是在保幼激素（JH）依賴性品級分化調控中維持幼齡期現狀[8]。

2.2 兵蟻品級分化

白蟻的兵蟻品級通常被認為是昆蟲分類學中最早的非生殖性品級，也是品級分化和形態發生機制研究中的一個熱點。兵蟻的分化形成受多種因素的共同影響，主要是指在保幼激素調控下相關基因表達的改變。

高滴度的保幼激素對前兵蟻的蛻皮必不可少，而且整個前兵蟻期會一直維持一個高的滴度水平。烯蟲酯耐受蛋白（Methoprene-tolerant protein，Met）是一種公認的保幼激素受體，敲除保幼激素受體基因會阻止內華達動白蟻（Z. nevadensis）的兵蟻形態發生[9]。

研究表明：TGFβ參與兵蟻分化過程中的激素調節[10]。通過抑制尖唇散白蟻（Reticulitermes aculabialis）中兵蟻品級特化蛋白1基因（RsSsp1）的表達，可顯著影響前兵蟻到兵蟻的分化，RsSsp1通過結合和轉運JH參與工蟻到兵蟻的品級分化[11]。

北美散白蟻（R. flavipes）與品級分化相關的93個基因中，78%顯示出兵蟻特化類型，這種顯著的兵蟻偏向性的基因組表達表明這一防御品級的功能性分化來自生殖性品級，也可來自其他非生殖性品級，即使和工蟻享有共同的發育程序[12]。

脂質運載蛋白Neural Lazarillo （NLaz）

廣泛存在于昆蟲血淋巴中，NLaz是社會互動的關鍵，這種社會互動能促進白蟻兵蟻分化。白蟻脂質運載蛋白NLaz1在內華達動白蟻（Z. nevadensis）幼蟲中的高表達對通過白蟻個體間社會互動決定兵蟻分化至關重要[13]。山林原白蟻（Hodotermopsis sjostedti）的肌動蛋白結合蛋白（HsjCib）作為兵蟻特化形態發生中下游效應基因的典型代表，可能參與頭部形態發生和神經重構，該基因在兵蟻分化形成的下頜骨部位高度表達[14]。

研究表明：兵蟻形態改變發生在蛻皮形成前兵蟻之前。Hox基因（同源異型基因）家族中的Deformed（Dfd）可能參與高山象白蟻（Nasutitermes takasagoensis）前兵蟻分化過程中下頜退行性改變，而且可能與高山象白蟻兵蟻的后唇基、額腺的形成和兵蟻下頜退行性改變相關，可能參與決定前兵蟻分化過程中下頜的位置和形態特化改變[15]。

2.3 環境因素和社會因素對品級分化的影響

環境因素和社會因素對品級分化的影響研究主要體現在通過社會互動進行的營養攝入方面。內華達動白蟻（Z. nevadensis）通過社會互動攝入營養，在此影響下的品級分化存在轉錄組的改變，這種變化可能受到個體營養差異的影響，其兵蟻和工蟻品級形成過程中存在巨大的表達差異，表明存在多個與品級形成相關的關鍵信號通路，這些信號通路與品級形成和社會互動相

關[16]。該信號通路具體品級形成過程中的分子機制有待進一步研究。

2.4 生殖品級分化

白蟻蟻巢中的工蟻或若蟻具備分化成補充繁殖蟻的潛能，成為新的蟻王或蟻后。補充繁殖蟻的誘導分化受基因和保幼激素等多種因素的共同作用。利用分子技術分析黃胸散白蟻（Frontotermes flaviceps）中卵黃蛋白原基因（RsVg1～3），顯示RsVg1～3在蟻后中高度表達[17]。對補充繁殖蟻發育形成機制進行研究，結果表明：保幼激素信號基因Met通過調控卵黃蛋白原基因表達，提高保幼激素滴度、激活腹部保幼激素，從而誘導補充繁殖蟻生成。通過觀察分析Met基因在補充生殖蟻分化過程中頭、胸、腹不同部位的表達變化，顯示補充生殖蟻體內的保幼激素滴度明顯高于分化前的若蟻和工蟻，保幼激素信號基因在補充生殖蟻腹部高度表達[18]。Korb等[19]在干木白蟻Cryptotermes secundus中識別出一種與生殖分工相關的基因，稱為“queen gene”，從基因機制解釋了白蟻的生殖利他主義，并對queen genes的進化起源提出了假設。

3 總結與展望

3.1 白蟻覓食基因和社會免疫研究

白蟻不同品級間存在嚴格的分工合作，個體間存在復雜的化學信息交流。最近基于組學技術進行的白蟻覓食基因的研究表明，覓食基因似乎與調節工蟻的行為任務和形態品級相關的特定行為相關[20-23]。

此外，社會免疫行為在多種昆蟲社會中均有描述，其在預防新出現的傳染病方面的作用已成為昆蟲研究的一個主要課題。若能弄清白蟻抵御致病性微生物的分子機制，提取出致病菌感染后的白蟻免疫相關基因，以及免疫相關的功能基因轉錄組和免疫誘導基因，篩選出高效的靶標基因，可以為研究新的白蟻防治策略提供一定的參考[24-31]。

3.2 RNAi生物農藥開發

在精準識別和克隆白蟻特異性相關功能基因的前提下，展開了一些關于白蟻防治RNAi生物制劑的研究。白蟻RNAi生物制劑目前還沒有實際應用的報道，但國內已有相關研究[32-33]。弄清白蟻形態結構分化的分子機制，加強基因功能和基因表達研究，有針對性地篩選出白蟻特異性靶標基因，對研制新型環保、高效的白蟻RNAi生物農藥具有較大的參考意義。

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作者簡介 周維（1982—），男，湖北隨州人，工程師，主要從事白蟻防治研究工作。

收稿日期 2023-09-11