桿狀病毒誘導寄主行為研究進展

韋玉珊 李烈馨 李彩朝 馬會會 湯翠

摘 要 寄生物通過操控寄主一系列行為變化來促進自己的傳播和擴散。為明確昆蟲病毒調控其寄主行為的策略和機制，總結了桿狀病毒誘導鱗翅目行為和其他寄生物誘導寄主行為的研究進展，分析了egt基因、ptp基因和光照在桿狀病毒誘導鱗翅目上爬行為中的作用及桿狀病毒誘導舞毒蛾上爬行為機制，探討桿狀病毒誘導鱗翅目幼蟲上爬行為致病機制。

關鍵詞 桿狀病毒；行為調控；樹頂??；egt基因；ptp基因

中圖分類號：S476+.13 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.13.002

寄生物通過操控寄主一系列行為變化來促進自己的傳播和擴散。能操控寄主行為的種類很多，常見的寄生物種類范圍廣，小到病毒，大到大型蠕蟲，包括病原真菌、細菌、線蟲和寄生蜂等，被感染的昆蟲會出現體溫上升、取食、繁殖、聚集、防御、趨光和趨地性等有益于寄生物傳播與擴散的行為[1-2]。通過改變寄主昆蟲運動速度、運動方向（包括水平或垂直，通過趨光性或趨向性）等增加其傳播范圍[3-4]。

1? 寄生物誘導寄主行為研究進展

1.1? 桿狀病毒誘導鱗翅目行為研究

桿狀病毒感染鱗翅目幼蟲后會出現活動能力增強的現象，感染后的幼蟲在死亡前遷移至植物的頂部并液化，以此增加病毒顆粒的釋放，增大病毒的傳播范圍[5]。1943年舞毒蛾的上爬行為被證明是桿狀病毒所致；1981年舞毒蛾幼蟲的上爬行為首次被發現，感染的舞毒蛾幼蟲在死亡前遷移至樹梢，最后倒掛死亡。感染的舞毒蛾幼蟲在死亡前遷移至樹梢，最后倒掛死亡，稱為樹頂病或樹梢病，后期比較統一的叫樹頂病[6-8]。在首次量化桿狀病毒在鱗翅目系統中幼蟲行為，發現感染甘藍型夜蛾核多角體病毒的甘藍夜蛾幼蟲會爬到植物的頂部和邊緣，使更多的植物表面污染，增加病毒的傳播[5]。Rebolledo等在辣椒植株上分別放入感染桿狀病毒和未感染的甜菜夜蛾尸體，發現感染的尸體更容易被發現，得出桿狀病毒有改善病毒顆粒在植物葉片上的傳播和誘導的攀爬行為增加的結論[9]，這是該致命病原體傳播的最有效機制。在舞毒蛾核多角體病毒（LdMNPV）誘導舞毒蛾上爬行為中，在感毒后第3 d出現活動能力增強，而“樹頂病”主要發生在感毒后第6 d[10]，兩種行為是否具有連續性未被證明。

1.2? 其他寄生物誘導寄主行為研究

黃蜂通過影響美洲蟑螂的中樞神經系統，使其出現運動機能衰退的狀態，以滿足寄生后代的營養需求[11]。研究發現，蟑螂體內的多巴胺受體因為受寄生蜂毒液的影響，調控多巴胺信號的傳導，從而引起行為的不適[12]。線蟲寄生蟋蟀后，操控其尋找水并以看似自殺的方式跳入水中，為完成線蟲的生命周期需求[13-14]。鄭壽斌等研究不同濃度的東方蜜蜂微孢子蟲對中華蜜蜂行為影響時發現，感染微孢子蟲的中華蜜蜂對蔗糖溶液更加敏感[15]。寄生真菌感染螞蟻會出現稱之為“僵尸螞蟻”的現象，通過釋放化學物質改變和控制寄主行為，使其成為傀儡直至死亡[16]。被蠅蟲霉感染的果蠅同樣出現遠離地面遷移到在植被上部，伸長喙固定位置并同時展開雙翅，以有益于真菌孢子擴散的形態死亡[17]。螢擬蟲疫霉感染的花螢中也出現相似現象[18]。

2? 桿狀病毒誘導鱗翅目幼蟲上爬行為致病機制

桿狀病毒誘導鱗翅目幼蟲的行為變化報道比較常見，但是其中致病機制研究相對較少，主要集中在桿狀病毒egt、ptp基因和外界光照對幼蟲行為的影響上[19-21]。

2.1? egt在桿狀病毒誘導鱗翅目上爬行為中的作用

egt是桿狀病毒體內的一種酶，通過轉移蛻皮激素化學結構中糖分子而使激素失活，從而影響染毒昆蟲的正常發育[22]。蛻皮激素失活后，染毒幼蟲不能進入下一個齡期，延長昆蟲感染病毒后的取食時間，增加寄主體重，產生更高產量的病毒粒子[23]。Hoover研究發現，感染的野生型（WT）LdMNPV的幼蟲在較高的位置倒掛死亡，而幼蟲感染被敲除（Δegt）基因的LdMNPV后死亡位置降低[19]。Alho等人通過對完整基因組序列的分析表明，除了一些顆粒狀病毒外，幾乎在所有鱗翅目桿狀病毒中都發現了egt基因[24]。

egt基因是桿狀病毒的拓展表型基因仍存在爭議，Ros等研究發現egt在誘導鱗翅目幼蟲的樹梢病中沒有高度保守作用，通過用苜蓿銀紋夜蛾多核型多角體病毒感染寄主，發現感染該病毒的寄主出現上爬現象，但其在感染敲除egt基因的病毒感染中未出現死亡位置降低的現象[25]。因此，egt是“擴展表型的基因”的結論不適用于所有桿狀病毒與宿主的相互作用。并推測在某些桿狀病毒宿主系統中，egt對蛻皮相關上爬行為的間接影響可觀察到egt對樹頂病的影響[1]。在研究家蠶核型多角體病毒的egt基因對家蠶行為調控影響中，構建誘變體并通過精子介導將基因轉移到蠶卵中，發現egt通過影響家蠶的蛻皮來影響蠶的發育[26]。感染甜菜夜蛾核多角體病毒的幼蟲同樣出現上爬現象，并得出egt通過延長寄主的死亡時間間接促進了上爬行為[3，27]。Zhang等研究發現miR-8和miR-429通過下調BrZ2的表達參與20E和JH調控棉鈴蟲核多角體病毒誘導的棉鈴蟲的上爬行為[28]。

2.2? ptp在桿狀病毒誘導鱗翅目上爬行為中的作用

蛋白酪氨酸磷酸酶（PTP）是細胞信號轉導的重要酶，如在MAP激酶通路中[29]，是細胞周期調控的關鍵元件，在控制細胞生長、繁殖、分化、轉化及免疫等多個方面有著重要作用，被認為是信號轉導通路中的重要組成部分[20，24]。2005年Kamita等研究證明家蠶核多角體病毒（BmNPV）的蛋白酪氨酸磷酸酶（PTP）的編碼基因ptp，是引起感染幼蟲過度活躍的基因[30]。Van Houte等通過基因敲除構建誘變體，在感染苜蓿銀紋夜蛾多核型多角體病毒的三齡夜蛾幼蟲中也觀察到過度活躍現象，且需要PTP磷酸酶活性，說明AcMNPV的ptp基因在該系統的過度活躍誘導中起關鍵作用[3]。Katsuma等通過顯示ptp基因的PTP產物與桿狀病毒ORF1629作為病毒體結構蛋白締合，意外發現過度活躍不需要PTP相關的磷酸酶活性，并取得桿狀病毒使用宿主來源的磷酸酶為活躍運動建立足夠的感染，作為病毒體相關的結構蛋白而不是酶的結論[31]。為證明PTP蛋白如何誘導過度活躍，通過表征了兩個新的BmNPV突變體，表達無酶活性的PTP蛋白，證實在感染BmNPV的家蠶幼蟲中活躍運動誘導不需要PTP的磷酸酶活性，而主要與PTP蛋白結構的完整性有關。進一步研究發現，PTP是一種與BV囊膜相關的蛋白，主要位于BV囊膜上，ptp的缺失導致BV的結構出現異常，而這種異常的BV能夠減弱病毒的感染和復制能力[32-33]。在前人的研究中，得出桿狀病毒是第一種被鑒定為具有“拓展表型基因”的說法[3]。荷蘭瓦赫寧根大學學者通過田間試驗首次報道棉鈴蟲感染HaSNPV后上爬行為，并發現插入蝎毒基因重組HaSNPV感染棉鈴蟲幼蟲與感染野生型病毒幼蟲相比，其死亡高度明顯降低[1，34]。

2.3? 光照在桿狀病毒誘導鱗翅目幼蟲上爬行為中的作用

光照在桿狀病毒誘導的鱗翅目幼蟲的上爬行為中起著重要的作用[21]。Yue等人研究發現，SeMNPV感染三齡甜菜夜蛾幼蟲后43～50 h，需要從上方發出光來誘發樹頂病，在此期間上方未暴露光線的受感染幼蟲最終在低位死亡，說明樹頂病需要在特點時間內給予光照進行誘發[27]。舞毒蛾3齡幼蟲感染LdMNPV后3 d，會出現活動增強，并持續到第6 d[21]。同時發現不同波長的光照處理感染LdMNPV的舞毒蛾幼蟲后，感染病毒的幼蟲只對從頂部照射的光有反應，其中對藍光的反應最為強烈，波長縮短至短波紫外光（UVB）時，沒有任何誘導行為，說明藍光可能是誘導樹頂病的主要光源[10]。

2.4? 桿狀病毒誘導舞毒蛾上爬行為機制

舞毒蛾隸屬于鱗翅目毒蛾科毒蛾屬，其具有分布廣、食性雜等特點，可取食500多種寄主植物，特別是楊樹、橡樹和樺樹等。舞毒蛾幼蟲以取食葉片為主[35]，幼蟲數量大時，樹葉很快會被吃光，2～3年內樹木就會死亡，是一種世界性森林食葉害蟲[36-37]。舞毒蛾感染舞毒蛾核多角體病毒后會出現上爬現象，其具體的侵染過程在Wang和Hu綜述中有講述，但其具體的上爬機制還在進一步研究中[38]。在實驗室團隊的研究中發現，酪氨酸代謝通路、多巴胺通路和PI3K/AKT信號通路在病毒操控宿主行為變化方面可能發揮作用，這些研究發現為最終完全闡明“樹頂病”的形成提供了重要的科學依據[39-41]。

3? 展望

神經系統是重要的調節系統，調節神經回路，賦予動物在復雜多變的世界中生存所需的行為靈動性，為寄生物提供操控宿主行為的潛在機制[11，16，42]。Bhattarai等人通過轉錄組分析，發現所有在神經活性配體-受體相互作用中的差異表達基因主要有絲氨酸蛋白酶，這一發現為研究桿狀病毒誘導鱗翅目幼蟲行為調控提供新線索[21]。研究表明，寄生蜂通過誘導寄主增加其血淋巴中章魚胺濃度來抑制宿主取食，也有通過影響宿主的5-羥色胺來改變宿主行為[11，42]；Fredericksen等在研究真菌調控螞蟻行為時發現，真菌細胞侵入宿主的肌肉纖維，并以之結合形成環繞肌肉的網絡，促進宿主的操縱[43]；線蟲寄生蟋蟀后，在其體內產生相似的寄主蛋白，使得體內相關蛋白的過量表達，直接影響中樞神經系統的發育，蟋蟀對環境的分析受到干擾，出現以自殺的方式跳入水中[14]。以上結果均表明，神經調節在昆蟲行為中有著重要的作用。桿狀病毒與非病毒性寄生蟲相比，具有基因組較小的特點，可借助現有的產生突變體的技術，作為揭示寄生改變宿主行為分子機制的極好工具，為更好的行為調控研究提供理論依據。

參考文獻：

[1] 張松斗.核型多角體病毒誘導棉鈴蟲幼蟲上爬行為的分子機制研究[D].北京：中國農業大學，2017.

[2] 石旺鵬，李傲梅，邢永杰，等.昆蟲病原微生物對其寄主行為的調控作用研究進展[J].微生物學報，2018，58（6）：1049-1063.

[3]? HOUTE S V， ROS VERA I D， MASTENBROEK T G， et al. Protein tyrosine phosphatase-induced hyperactivity is a conserved strategy of a subset of baculoviruses to manipulate lepidopteran host behavior[J]. PLoS One， 2012， 7（10）： e46933.

[4]? GASQUE S N， MONIQUE M V O， ROS VERA I D. Where the baculoviruses lead， the caterpillars follow：baculovirus-induced alterations in caterpillar behaviour[J]. Current Opinion in Insect Science， 2019， 33（2）：30-36.

[5]? GOULSON D. Wipfelkrankheit： Modification of host behaviour during baculoviral infection[J]. Oecologia， 1997， 109（2）： 219-228.

[6]? BERGOLD G H. Uber polyeder krankheiten bei insecten[J]. Biologische Zeintralblatt，1943，63：1-55.

[7]? MSMIRNOFF W A. Observations on the effect of virus infection on insect behavior[J]. Invertebrate Pathology， 1965， 7（3）： 387-388.

[8] EVANS H F. Ecology and epizootiology of baculoviruses[J]. USA： CRC Press，1986.

[9]? REBOLLEDO D， LASA R， GUEVARA R， et al. Baculovirus-induced climbing behavior favors intraspecific necrophagy and efficient disease transmission in spodoptera exigua[J]. PLos One， 2015，10（9）： e0136742.

[10] BHATTARAI M K， BHATTARAI U R， FENG J N， et al. Effect of different light spectrum in helicoverpa armigera larvae during hearNPV induced tree-top disease[J]. Insects， 2018， 9（4）：183.

[11] ARVIDSON R， KAISER M， LEE S S， et al. Parasitoid jewel wasp mounts multipronged neurochemical attack to hijack a host brain[J]. Molecular & cellular proteomics： MCP， 2019，18（1）：99-114.

[12] NORDIO S， KAISER M， ADAMS M E， et al. Parasitoid wasp venom manipulates host innate behavior via subtype-specific dopamine receptor activation[J]. The Journal of Experimental Biology，2022，225（6）： jeb243674.

[13] THOMAS F， SCHMIDT-RHAESA A， MARTIN G， et al. Do hairworms （Nematomorpha） manipulate the water seeking behaviour of their terrestrial hosts[J]. Journal of Evolutionary Biology， 2002，15（3）：356-361.

[14] BIRON D G， PONTON F， MARCHé L， et al. ‘Suicide’ of crickets harbouring hairworms： a proteomics investigation[J]. Insect Molecular Biology，2006，15（6）：731-742.

[15] 鄭壽斌，和靜芳，李志國，等. 東方蜜蜂微孢子蟲感染對中華蜜蜂免疫基因表達和血淋巴中糖水平的影響[J]. 應用昆蟲學報，2017，54（3）：392-399.

[16] DAVID P H， SANDRA B A， NIGEL L H， et al. Behavioral mechanisms and morphological symptoms of zombie ants dying from fungal infection[J]. BMC Ecololy， 2011，11（1）：13.

[17] ELYA C， LOK T C， SPENCER Q E， et al. Robust manipulation of the behavior of drosophila melanogaster by a fungal pathogen in the laboratory[J]. Cold Spring Harbor Laboratory， 2018，7： e34414.

[18] ZOMBIE I， SOLDIER B， CHAULIOGNATHUS P， et al. Zombie soldier beetles： Epizootics in the goldenrod soldier beetle， Chauliognathus pensylvanicus （Coleoptera： Cantharidae） caused by Eryniopsis lampyridarum （Entomophthoromycotina： Entomophthoraceae）[J]. Journal of Invertebrate Pathology， 2017， 148： 51-59.

[19] HOOVER K， GROVE M， MATTHEW G， et al. A gene for an extended phenotype[J]. Science， 2011， 1209199.

[20] AGOUNI A， TUAL-CHALOT S， CHALOPIN M， et al. Hepatic protein tyrosine phosphatase 1B （PTP1B） deficiency protects against obesity-induced endothelial dysfunction[J]. Biochemical Pharmacology， 2014， 92（4）： 607-617.

[21] BHATTARAI U R， LI F， KATUWAL B M， et al. Phototransduction and circadian entrainment are the key pathways in the signaling mechanism for the baculovirus induced tree-top disease in the lepidopteran larvae[J]. Scientific Reports， 2018， 8（1）：17528.

[22] O’REILLY D R， MILLER L K. A baculovirus blocks insect molting by producing ecdysteriod UDP-glucosyl transferase[J]. Science， 1989， 245（4922）：1110.

[23] GEORGIEVSKA L， HOOVER K， WOPKE V D W， et al. Dose dependency of time to death in single and mixed infections with a wildtype and egt deletion strain of Helicoverpa armigera nucleopolyhedrovirus[J]. Journal of Invertebrate Pathology， 2010，104（1）：44-50.

[24] ALHO I， COSTA L， BICHO M， et al. The role of low-molecular-weight protein tyrosine phosphatase （LMW-PTP ACP1） in oncogenesis[J]. Tumour biology， 2013， 34（4）： 1979-1989.

[25] ROS VERA I D， HOUTE S V， HEMERIK L， et al. Baculovirus-induced tree-top disease： how extended is the role of egt as a gene for the extended phenotype[J]. Molecular ecology， 2015， 24（1）：249-258.

[26] ZHANG X， XUE R， CAO G， et al. Effects of egt gene transfer on the development of Bombyx mori[J]. Gene： An International Journal Focusing on Gene Cloning and Gene Structure and Function， 2012， 491（2）： 272-277.

[27] YUE H， HOUTE S， MONIQUE M V O， et al. Timely trigger of caterpillar zombie behaviour： temporal requirements for light in baculovirus-induced tree-top disease[J]. Parasitology， 2018， 145（6）： 822-827.

[28] ZHANG S D， AN S H， HOOVER K， et al. Host miRNAs are involved in hormonal regulation of HaSNPV-triggered climbing behaviour in Helicoverpa armigera[J]. Molecular Ecology， 2018， 27（2）： 459-475.

[29] MARY A， MARIE B， ELIZABETH L， et al. Glypican-1， phosphacan/receptor protein-tyrosine phosphatase-ζ/β and its ligand， tenascin-C， are expressed by neural stem cells and neural cells derived from embryonic stem cells[J]. ASN Neuro， 2010， 2（3）： e00039.

[30] KAMITA S G， NAGASAKA K， CHUA J W， et al. A baculovirus-encoded protein tyrosine phosphatase gene induces enhanced locomotory activity in a lepidopteran host[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2005， 102（7）： 2584-2589.

[31] KATSUMA S， KOYANO Y， KANG W， et al. The baculovirus uses a captured host phosphatase to induce enhanced locomotory activity in host caterpillars[J]. PLoS Pathogens， 2012， 8（4）： e1002644.

[32] 王國寶.家蠶腦的蛋白質組學分析及桿狀病毒誘導家蠶行為變化的分子機制研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[33] KIM D J， YOON S J， LEE H， et al. Transcriptome analysis of the brain of the silkworm Bombyx mori infected with Bombyx mori nucleopolyhedrovirus： A new insight into the molecular mechanism of enhanced locomotor activity induced by viral infection[J]. Journal of Invertebrate Pathology， 2015， 128： 37-43.

[34] LILJANA G， ROZEMARIJN S M D V， GAO P J， et al. Transmission of wild-type and recombinant HaSNPV among larvae of Helicoverpa armigera （Lepidoptera： Noctuidae） on cotton[J]. Environmental Entomology， 2010， 39（2）： 459-467.

[35] 王清樹，慈維華.舞毒蛾的發生與防治技術[J].現代化農業，2007（7）：44-45.

[36] 錢天榮.舞毒蛾在美國發生危害及美國農業部采取的措施[J].植物檢疫，2000（5）：317-318.

[37] CHEN Y Z， ZHANG B W， YANG J， et al. Detoxification， antioxidant， and digestive enzyme activities and gene expression analysis of Lymantria dispar larvae under carvacrol[J]. Journal of Asia-Pacific Entomology， 2021， 24（1）： 208-216.

[38] WANG M L， HU Z H. Cross-talking between baculoviruses and host insects towards a successful infection[J]. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B， Biological sciences， 2019， 374（1767）： 20180324.

[39] 王亞杰.酪氨酸代謝通路在舞毒蛾感病后爬高行為中的作用研究[D].楊凌：西北農林科技大學， 2020.

[40] 韋玉珊.多巴胺通路在舞毒蛾“樹頂病”中的作用研究[D].楊凌：西北農林科技大學， 2020.

[41] 李鳳佼. LdMNPV介導舞毒蛾“樹頂病”分子途徑研究[D].楊凌：西北農林科技大學， 2022.

[42] ADAMO S A. Modulating the modulators： parasites， neuromodulators and host behavioral change[J]. Brain Behavior and Evolution， 2002， 60（6）： 370-377.

[43] FREDERICKSEN M A， ZHANG Y Z， HAZEN M L， et al， Three-dimensional visualization and a deep-learning model reveal complex fungal parasite networks in behaviorally manipulated ants[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2017， 114（47）： 12590-12595.