昆虫是地球上物种多样性最丰富的生物类群,其生殖行为作为种群繁衍、物种延续的核心生命活动,不仅维系着自身种群稳定,还对生态系统平衡及农业生产具有重要影响。性信息素介导的异性识别、求偶、交配等生殖环节,是昆虫生殖行为的核心特征,而这一过程的精准调控依赖于复杂的神经调节网络,其中神经肽作为关键调控因子,在生殖行为调控中发挥着不可替代的作用。1984年,RAINA等
[1]首次发现,玉米夜蛾(
Helicoverpa zea)雌虫性信息素的产生受脑部因子调控,这一发现为后续信息素生物合成激活神经肽(Pheromone biosynthesis activating neuropeptide,PBAN)的鉴定奠定了基础。此后,该团队深入研究,在玉米夜蛾脑组织中首次分离并鉴定出PBAN,这是昆虫生殖调控中的关键神经肽,其核心功能是调控雌蛾性信息素的生物合成
[2]。在此之后,JURENKA等
[3]采用标记前体追踪、气相色谱-质谱联用(Gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)等方法,明确了PBAN通过调控脂肪酸合成,实现对玉米夜蛾性信息素合成的精准调控。在多数昆虫中,PBAN含有5条具有鳞翅目保守FXPRLamide基序的成熟肽,其功能的正常发挥依赖于与细胞膜上特异性G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors,GPCRs)的结合,通过启动胞内信号通路实现下游生理效应。
在昆虫绿色防控领域,性信息素干扰与生理调控技术表现出良好的应用前景,其中,性信息素干扰通过模拟昆虫天然性信息素的主次要化学成分进行组合,构建虚假信息素源或高浓度信息素环境,干扰雄虫对雌虫的定位,进而阻碍其交配
[4];生殖生理调控技术则聚焦昆虫生殖生理的核心环节,通过解析神经肽与激素合成的分子细胞学机制,构建细胞器间信号通讯互作网络,调控雌性害虫生殖周期中保幼激素(Juvenile hormone,JH)的合成及水平动态改变,实现对生殖过程的精准干预
[5]。目前,关于昆虫生殖行为的调控机制已有较多研究,明确了保幼激素、20-羟基蜕皮激素(20-hydroxyecdysone,20E)等内分泌因子与环境因子的协同调控作用,但PBAN及其受体作为性信息素合成与生殖行为执行的核心调控系统,其介导昆虫生殖行为的信号传导机制,以及与其他神经肽、内分泌因子的互作关系等方面,仍存在诸多亟待阐明的科学问题。
本文系统综述昆虫生殖行为的调控特征、PBAN及其受体的研究进展,重点探讨PBAN信号系统在昆虫生殖行为中的功能及调控机制,以期为该领域的深入研究提供参考。
1 昆虫生殖行为及其调控机制
1.1 昆虫生殖行为概述
昆虫通过漫长的演化历程,形成了具备物种特异性且相对稳定的繁殖策略
[6]。作为生物界最基础的生命活动之一,昆虫生殖行为于成虫羽化后开始,随着性成熟的不断提升,通过多样化的异性召唤方式,逐步完成求偶、交配、产卵等关键环节,实现种群繁衍
[7]。对昆虫生殖行为的研究,不仅能揭示动物行为进化与物种分化的内在规律,还能为昆虫分类鉴别、害虫绿色防控及生物多样性保护提供重要理论与实践支撑
[8-9]。
昆虫生殖行为的核心环节包括召唤、求偶、交配、产卵及抚幼,其中,召唤、求偶与交配直接决定繁殖成功率
[7]。根据召唤方式的差异,可将其分为3类:一是性信息素召唤,以鳞翅目、双翅目昆虫为代表,膜翅目、鞘翅目等也普遍采用此方式;二是鸣声召唤,半翅目蝉类是该召唤方式的典型;三是闪光召唤,主要存在于萤火虫等类群
[7]。其中,性信息素召唤因研究广泛、应用潜力大,成为当前昆虫生殖行为研究的核心方向
[10]。
不同类群昆虫的生殖行为具有鲜明的物种特异性,这也是其实现物种分化与种群稳定的重要保障。对于双翅目实蝇类昆虫而言,其生殖活动的起始标志为雄蝇释放由多种化合物组成的混合性信息素,以此构建专属求偶场;与此同时,处女雌蝇会分泌协同性信息素,进一步提高种群的交配成功率。为保障自身繁殖机会,雄蝇会通过多种防御行为守护其求偶场,而雌蝇则通过识别雄蝇振翅信号等关键特征,完成配偶选择过程。此外,实蝇类昆虫的生殖行为还受到多种因素的综合调控,包括自身营养状况、个体年龄及生长环境拥挤程度等
[11]。鳞翅目昆虫生殖行为多种多样且纷繁复杂
[12],多数蛾类由雌蛾释放性信息素为主要召唤方式,雄蛾通过触角感器追踪雌蛾,同时部分昆虫的雄蛾自身也会释放性信息素以吸引雌虫完成交配
[6,13];其求偶行为具有明显的物种特异性,且交配后雌蛾的性信息素释放会受到负反馈抑制
[6]。在常见鳞翅目害虫中,斜纹夜蛾(
Spodoptera litura)、草地贪夜蛾(
Spodoptera frugiperda)、苹果蠹蛾(
Cydia pomonella)的生殖行为均遵循召唤、求偶、交配、产卵的核心四阶段,其中草地贪夜蛾具有明显的择偶偏好,倾向于选择年轻、体型较大的配偶,交配率随日龄增长而显著下降
[14-15]。苹果蠹蛾的生殖行为同样以性信息素召唤为核心,雌蛾释放的性信息素成分复杂,可通过空气传播精准传递自身位置、距离等信号,吸引雄蛾追踪前来完成求偶交配,其性信息素的特异性也使其成为绿色防控的核心靶点
[16]。
1.2 昆虫生殖行为的调控机制
昆虫生殖行为是保障种群繁衍、维持物种延续的核心生命活动,其调控过程并非单一因素作用的结果,而是内源性生理信号与外源环境因子协同作用,共同构建的复杂调控网络。其中,内分泌系统作为生殖调控的核心驱动力,通过激素、神经肽及生物胺等信号分子,贯穿从性信息素合成到交配、产卵的全过程
[17],而外界环境因子则通过干扰内分泌通路,间接实现对生殖行为的间接调控。
在内分泌调控通路中,JH与20E是两类核心调控激素
[18-19],与PBAN、神经肽F(Neuropeptide F,NPF)、性肽(Sex peptide,SP)等神经肽,以及多巴胺等生物胺类物质相互协调,形成多层次调控网络。其中,PBAN作为信息素合成的关键启动因子,主要由食管下神经节的神经分泌细胞合成,通过心侧体释放,与信息素腺细胞膜上的G蛋白偶联受体(PBANR)结合,通过钙离子信号通路启动性信息素的生物合成(
图1)
[20-21]。王桂荣团队明确性信息素受体(PR)是蛾类性信息素通讯系统进化的核心功能载体,通过直接配体结合和间接变构调控实现功能分化
[22]。而JH与20E则以物种特异性方式调控信息素合成过程,在黏虫(
Mythimna separata)、小地老虎(
Agrotis ipsilon)等长寿命蛾类中,JH通过刺激成熟雌虫释放PBAN,间接诱导性信息素合成
[23-24];在棉铃虫(
Helicoverpa armigera)等短寿命蛾类中,JH需预先诱导雌蛹信息素腺发育,使其获得应答PBAN的能力,20E则通过参与嗅觉相关基因的精细调控
[25-26],间接影响性信息素的通讯过程。此外,GUO等
[27]揭示了JH调控昆虫生殖的新路径,通过直接诱导卵黄原蛋白(Vitellogenin,Vg)合成、间接诱导Greglin表达以保护Vg的协同作用,保障雌性生殖过程的正常进行。李胜教授团队则聚焦性别分化与激素信号通路的互作机制,揭示了
CYP4PC1基因作为核心整合因子,调控雌性特异性性信息素合成的分子机制
[28];同时围绕细胞器通讯机制,深入探究了细胞器对JH合成与雌性繁殖过程的动态调控作用
[5]。以上研究表明,JH、20E与PBAN可通过调控CYP4PC1等关键转录因子,在基因转录水平协同调控性信息素合成,同时在胞内信号通路中,JH、20E信号还可与PBAN介导的Ca
2+/cAMP第二信使通路发生交叉对话,协同调控下游性信息素的合成效率。
在信息素感知与中枢整合层面,内分泌因子通过作用于外周嗅觉系统与中枢神经环路,调控昆虫对信息素的识别与响应能力。JH、20E及多巴胺等可调节触角受体神经元敏感性
[29-30],并作用于触角叶,通过调节神经元兴奋性与突触转导效率,实现对信息素信号的中枢整合
[31-32]。例如,小地老虎雄虫体内的JH可增强触角叶神经元对性信息素的敏感性,促进雄虫定向飞行行为的发生
[33],而沙漠蝗(
Schistocerca gregaria)中JH则随日龄增长降低触角叶神经元敏感性,调控聚集行为启动
[34]。除此之外,性信息素受体在昆虫识别过程中发挥关键作用,如苹果蠹蛾中4个性信息素受体OR1、OR2a、OR5和OR7仅在触角中表达,且OR5是识别苹果蠹蛾性信息素关键成分的核心受体
[35]。
在生殖行为执行阶段,各类内分泌因子分工协作,确保求偶、交配、产卵等行为的有序开展。NPF对昆虫交配行为具有显著调控作用,可促进沙漠蝗雄虫交配行为
[36],敲除黑腹果蝇(
Drosophila melanogaster)体内NPF合成神经元,会显著减少雄虫求偶行为
[37];SP作为雄性来源信号分子,可随精液转移至雌虫体内,通过抑制信息素合成与鸣求行为,降低雌虫性接受度,促进产卵行为
[38];JH与20E则通过核受体信号通路,维持求偶、交配行为的正常启动与时序稳定,若缺失相关激素,会导致生殖行为异常或启动延迟
[39-40]。
外源性环境因子通过调控内分泌通路,间接影响昆虫生殖行为的适应性。光周期通过调控PBAN释放节律,决定昆虫性信息素合成与鸣求行为的发生节律
[41];温度影响神经环路成熟度与酶促反应效率,低温可提前求偶行为启动,高温则会显著推迟,且适宜温度可提升交配成功率与产卵量。此外,寄主植物分布、农药暴露、气候变暖等因素,可通过改变昆虫生理状态与内分泌平衡,间接调控生殖行为的强度与适应性。除自然因素外,人工干预手段也可通过调控昆虫生殖行为,实现害虫绿色防控。章勇
[42]鉴定获得柑桔木虱(
Diaphorina citri)交配敏感期化合物成分,为十二烷、D-柠檬烯、4-羟基-4-甲基-2-戊酮,将这些化合物合成并释放后进行诱捕试验,可显著引诱该虫聚集。刘帅
[43]研究发现一种常见的植物挥发物——芳樟醇,对棉铃虫性信息素具有增效作用,可增强雄虫交配的相关行为。
因此,昆虫生殖行为是内分泌、神经与环境信号高度整合的结果。内源因子主导核心调控,外源因子提供时序与选择压力,二者共同维系生殖活动的精准性与稳定性。
2 昆虫神经肽PBAN及其受体研究
2.1 昆虫神经肽简介
昆虫与农业生产、人类健康及生态系统稳定密切相关
[44],无论是有益昆虫的经济价值,还是农林害虫、卫生媒介昆虫带来的危害,其背后都依赖体内的信号调控网络
[45]。随着相关研究的不断深入,科研人员发现,昆虫体内的多种生理过程均受到一类小分子生物活性肽的调控,因其主要在神经细胞内合成与分泌,故称之为神经肽
[46]。昆虫神经肽是由神经分泌细胞或神经腺体分泌的一类多肽类信号物质,其广泛分布于中枢神经系统(CNS)、外周神经系统(PNS)、唾液腺(SG)及肠道等多种组织器官中,以激素或递质释放为主,具有含量低、生物活性高、作用范围广泛且调控机制复杂的典型特点
[47]。作为昆虫体内种类最多、分布最广的一类胞外信号分子,神经肽参与调控昆虫生长发育、生殖行为、新陈代谢及昼夜节律等一系列关键生理过程,对维持昆虫个体正常生命活动及种群持续繁衍具有至关重要的生物学意义
[48]。
随着各类检测技术和分子生物学技术的发展,通过对相应受体的鉴定,神经肽发挥功能的分子机制逐渐被阐明,其概念也得到更为精准的界定,即“神经肽是一类由神经元合成分泌、并作用于神经靶标的小分子多肽类物质”
[49],其作为昆虫体内关键调控因子,因其特异性高、不易产生抗药性等优势,已成为害虫绿色防控的潜在分子靶点
[50-51]。
昆虫神经肽的作用机制具有高度特异性,主要通过与细胞表面的特异性受体结合,激活细胞内的第二信使通路,启动下游级联反应,从而调控特定的生理过程。神经肽的合成与加工是一个复杂的过程,其合成始于细胞核内的基因转录,最终在致密的核心囊泡中成熟。这类活性多肽的氨基酸数量通常在3~80个,发挥生理作用时多以单体或寡聚体的形式存在。神经肽的生成本质上是前体分子的程序化剪切与修饰过程。前体蛋白作为其初始翻译产物,本身不具备生物活性,在信号肽的引导下进入内质网,经信号肽酶切割去除信号肽后,形成前肽;前肽再经过一系列酶切修饰、翻译后加工等步骤,最终形成具有生物活性的成熟神经肽。成熟后的神经肽会被储存于囊泡中,等待适宜的信号刺激后释放,发挥其调控功能
[52-53]。
2.2 昆虫神经肽受体简介
昆虫神经肽受体可划分为两大类型,即单次跨膜受体和7次跨膜受体,后者为G蛋白偶联受体(GPCRs),也是昆虫体内绝大多数肽类及蛋白激素所对应的受体类型
[54]。GPCRs命名源于早期对β2肾上腺素能受体与视蛋白的结构分析,二者均含有7个α螺旋跨膜结构域
[52]。其典型结构特征在于肽链的羧基端及第5、第6个α螺旋的胞内环部位,均存在能够与G蛋白发生特异性结合的功能位点
[55]。
作为细胞跨膜受体中种类最丰富、数量最多的膜蛋白家族,GPCRs主要通过调节细胞内环核苷酸(cAMP、cGMP)及Ca
2+等第二信使的浓度变化,完成胞外信号向胞内的转导与生理功能调控
[56]。神经肽与受体结合并发挥作用主要存在2种方式:一种是直接结合突触后神经元上的受体,诱发膜电位改变,进而产生神经兴奋;另一种则是作用于突触前轴突末梢的受体,促进其他小分子神经递质的释放,间接介导神经兴奋效应。
神经肽受体的研究始于果蝇类速激肽受体的鉴定
[57],随着黑腹果蝇全基因组测序的完成为该领域研究带来了突破性进展。此后,依托基因组信息开展的受体预测手段得到了普遍应用。近些年来,已有数十个受体的功能得以解析。通常一种神经肽可对应多种受体,而同一受体也能识别多种神经肽,进而介导下游生理功能的实现。
2.3 PBAN及其受体简介
依据氨基酸组成和生理功能,神经肽可被划分成不同家族,其中信息素生物合成激活神经肽(PBAN)是昆虫焦激肽/信息素生物合成激活神经肽(PK/PBAN)家族的典型代表,该家族是昆虫中规模较大的神经肽家族,以C端存在的保守FXPRLamide基序为核心特征
[58],这一保守基序也是其发挥生理功能的关键结构基础。在鳞翅目昆虫中,PBAN的生理功能具有多效性,除参与性信息素合成外,还可影响昆虫滞育进程
[59]、幼虫和蛹的生长发育
[60]以及成虫的繁殖效率
[61]等多个生理过程。在多数昆虫类群中,
pban和
capa这2个基因共同承担PK/PBAN家族神经肽的编码任务,其中
pban基因最多可编码包括PBAN、DH在内的5种神经肽,其编码产物在不同昆虫目间存在保守性与多样性,如在鳞翅目昆虫中可完整编码这5种神经肽
[62],而膜翅目、半翅目等仅能编码部分神经肽
[41,63],这种编码差异也反映了PK/PBAN家族神经肽在昆虫演化过程中的功能分化。通过免疫组织化学和RT-qPCR技术证实,PBAN主要在脑、食道下神经节(SEG)、心侧体(CC)、胸神经节(TG)和腹神经节(AG)等中枢神经系统中表达
[64],其中SEG是
pban基因的核心表达部位,在此合成的PBAN可通过心侧体释放到血淋巴中循环。PBAN的功能发挥依赖于与细胞膜上的GPCRs结合,这类受体均具有7个跨膜结构域,依据配体结合特异性分为PK2/PBANR和PK1/DHR两类,二者在系统发育上亲缘关系较近,但存在明确分化
[58]。受体PBANR最早在玉米夜蛾
[65]和家蚕
[66]中被克隆鉴定,目前已在鳞翅目、双翅目等绝大多数昆虫目中被证实广泛存在,主要位于昆虫腹部性信息素腺体的细胞膜上。
目前,国内外学者已对多种鳞翅目昆虫的PBAN及其受体开展了系统研究,苹果蠹蛾PBAN与梨小食心虫(
Grapholita molesta)具有高度同源性;甜菜夜蛾(
Spodoptera exigua)
[67]的PBAN编码200个氨基酸,与螟蛾科同源性较高;家蚕(
Bombyx mori)
[66]中PBANR具有典型的7个跨膜结构域,且与棉铃虫、果蝇的同源性较高。PBAN与受体结合后可触发胞内信号通路,在夜蛾中通过激活钙/钙调蛋白依赖性腺苷酸环化酶和环腺苷酸(cAMP)启动性信息素合成
[20],在家蚕中则通过促进脂滴中前体脂肪酸的释放实现该功能
[68]。与此同时,PBAN及其受体的研究已拓展至其他类群,在膜翅目昆虫中,红火蚁(
Solenopsis invicta)基因结构显著简化,虽包含完整的DH序列,但PBAN序列部分缺失,使其不再调控性信息素合成,转而参与幼虫、蛹和成虫的生长发育调控
[69]。半翅目昆虫内部呈现高度分化特征,异翅亚目普遍缺失典型DH序列
[70]。缨翅目的西花蓟马(
Frankliniella occidentalis)中PBAN可诱导聚集信息素合成
[71],功能发生明显分化。
PBAN及其受体作为昆虫生殖、发育等生理过程的核心调控系统,因其序列的保守性和功能的重要性,成为害虫防控的潜在靶点,针对FXPRLamide基序设计的受体拮抗剂,在害虫绿色综合防治中具有重要的应用前景。
3 神经肽PBAN信号系统在生殖行为中的功能研究
3.1 昆虫生殖行为的神经肽调控
神经肽作为昆虫体内一类微量但活性高的调控因子,通过与特异性膜受体结合,参与取食、蜕皮、滞育、代谢及生殖等生理过程的调控。
在性信息素合成层面,PBAN诱导性信息素合成,同时促肌肽(Myotropin,MT)、热激肽(Pyrokinin,PK)、暗化红化激素(Melanization and reddish coloration hormone,MRCH)以及滞育激素(Diapause hormone,DH)等家族成员也参与其中
[72]。能量代谢层面,神经肽通过调控能源物质分配,间接影响生殖输出。林乾坤
[73]在桃小食心虫(
Carposina sasakii)中克隆获得
DH-PBAN基因,发现其表达水平与虫体活跃度及滞育状态密切相关,推测该神经肽可能通过调控能量代谢,参与生殖准备阶段。刘斌
[53]在华山松大小蠹(
Dendroctonus armandi)中发现,
NPF、
sNPF、
SK及
ILP基因沉默后可显著改变脂肪酸、糖原及海藻糖含量。马静怡
[74]研究证实,
sNPF、
NPF1b及
SIFamide基因沉默导致舞毒蛾(
Lymantria dispar)幼虫生长缓慢,成虫产卵量减少。在行为执行层面,多种神经肽被证实直接调控交配和产卵。
NTL基因沉默对草地贪夜蛾求偶与交配行为的抑制效应
[75],及其在斜纹夜蛾中引发的产卵量骤降
[76],凸显了神经肽NTL在生殖行为中的重要作用。Corazonin信号通路参与调控美国白蛾(
Hyphantria cunea)配子与卵黄发生
[77];神经肽NPF在多种鳞翅目昆虫中保守并调控昆虫的产卵行为
[78-79];性肽受体SPR参与调控雌性棉铃虫交配后长期的性接受度、产卵行为及生命周期
[43]。这些发现展现了神经肽功能的多效性与物种特异性。
3.2 神经肽PBAN及其受体敲除/沉默对昆虫生殖行为的影响
多数鳞翅目昆虫的成功繁殖依赖于雌虫借助物种特异性性信息素,吸引同种雄虫完成交配
[80],昆虫性信息素的合成位点主要为第8、9腹部节间的信息素腺
[81]。已有研究表明,RNA干扰
PBAN基因后,玉米夜蛾
[69]、斜纹夜蛾
[82]等重要害虫的雌成虫体内性信息素的合成水平显著下降;西花蓟马
[71]体内聚集信息素合成通路关键基因的转录水平显著下调,导致信息素合成受阻。在小菜蛾(
Plutella xylostella)中,RNAi沉默
PBANR后性信息素合成显著减少,丧失雄性吸引力
[83];且在注射dsPBAN后,
PBAN表达量降低的同时,其体内保幼激素通路相关基因,如
JHAMT、
JHBP、
Met及与性信息素合成通路相关基因
ACC、
FAR6的表达水平均显著下调,得出
PBAN是调控小菜蛾生殖繁衍的关键基因
[84]。在草地贪夜蛾中,
PBANR在各发育阶段和组织中均有表达,利用RNAi沉默后导致雌成虫繁殖力下降,同时发现亲代雌雄均沉默的产卵量和孵化率的下降幅度显著高于亲代单一处理
[61];通过基因编辑技术敲除
PBAN,可显著影响交配,致使野生雄虫和突变雌虫无法完成交配,其作用机制为
PBAN基因的缺失会阻碍雌虫性信息素的合成,进而导致交配行为无法完成
[85]。因此,
PBAN及其受体
PBANR是调控草地贪夜蛾雌虫交配的关键基因。
DH-PBAN基因在甜菜夜蛾未交配的雌雄虫脑组织中高表达,且基因沉默后对其交配和生殖产生影响,表明PBAN在食道下神经节开始合成,进而导致雌虫合成性信息素,吸引雄虫交配
[67]。
4 展望
神经肽PBAN作为一类小分子化合物,在调节昆虫生殖行为中起着关键作用。值得注意的是,PBAN及其受体的调控功能主要作用于生殖行为,已有研究表明,其在昆虫滞育调控、生长发育调控中同样发挥重要作用,且研究范围已拓展至部分非鳞翅目昆虫,形成了多维度、多类群的研究格局。在滞育调控方面,PBAN及其受体主要通过调控昆虫体内能源物质代谢、激素平衡,影响滞育的启动、维持与解除,研究多集中于鳞翅目昆虫,如桃小食心虫、家蚕等,不同物种中其功能呈现明显的物种特异性
[73,86]。在生长发育调控方面,PBAN及其受体通过参与蜕皮激素、保幼激素的调控网络,影响昆虫幼虫生长、蛹期发育及成虫羽化,核心研究对象为玉米夜蛾、家蚕等鳞翅目模式昆虫,其功能异常会导致昆虫发育畸形、羽化失败等表型
[65-66]。在非鳞翅目昆虫中,PBAN及其受体的研究相对薄弱,目前已在膜翅目火蚁、双翅目黑腹果蝇中发现其同源序列及受体,具体调控机制仍处于探索阶段。上述研究丰富了PBAN及其受体的功能认知,也为该领域的深入研究提供了更多方向。
尽管目前关于PBAN及其受体调控昆虫生殖行为的研究已取得诸多进展,但仍存在一些亟待解决的科学问题。一是PBAN与PBANR结合后的胞内信号通路细节尚未完全阐明,不同昆虫类群中信号传导的差异机制仍需深入探究;二是PBAN与其他神经肽、内分泌因子的互作关系及其协同调控生殖行为的分子路径,仍缺乏系统性研究;三是PBAN及其受体在非鳞翅目昆虫生殖行为中的功能研究相对薄弱,其进化规律与功能分化机制有待进一步明确。未来,可利用基因编辑、RNA干扰等技术,结合单细胞测序、蛋白质互作分析等手段,解析PBAN与PBANR结合后的胞内信号传导机制;系统探究PBAN与其他神经肽、内分泌因子的互作网络;拓展PBAN及其受体在非鳞翅目昆虫中的研究。
国家重点研发计划(2023YFC2605200)
国家重点研发计划(2024YFC2607600)