蝗虫为什么这么猛
生信干货
兔子 ·2020年2月26日 22:43
近日沙漠飞蝗席卷印度和巴基斯坦。虽然这一次对我们来说有惊无险。
但是其从非洲一路干到印度的超强的集团军作战能力，我们还是应该认真对待。沙漠飞蝗之所以这么猛，小编觉得其在于如下的物种超能力。小编通过解读文献，希望大家能对这些能力有深入认识。
我们所熟知的蝗虫是世界性的重要农业害虫，主要危害性的蝗虫物种有沙漠蝗（Schistocerca gregaria）和飞蝗（Locusta migratoria），沙漠蝗就是这次印度蝗灾的主角，而我国千百年来主要是被飞蝗危害，主要危害水稻、小麦、玉米高粱等禾本科的粮食作物。早在2014年，中科院动物所的康乐院士的研究团队就已经成功破译了飞蝗的基因图谱，飞蝗基因组大约6.3G，是人类基因组的两倍多，是果蝇基因组的30倍,但很可惜危害范围更广的沙漠蝗的基因图谱却至今未被报导。飞蝗基因组如此之大，当然少不了重复序列在基因组中过多积累。虽然我们现在对这些重复基因并没有完全了解，但蝗虫超越其它害虫“超能力”却正一点一点的被科学家揭示开。身体颜色的变化对动物适应多变环境有重要影响。飞行迁移的蝗虫在体色的展现上具有非遗传多型性（polyphenism），主要是在群居型蝗虫和散居型蝗虫的体色上不同。那么什么是非遗传多型性呢？简单解释就是单个基因型在不同的环境下产生多种离散表型的性状。在动物中有几种类型的非遗传多型性，比如由环境决定的性别和蜜蜂等社会性昆虫的存在。一些多型性现象也可能是季节性的，例如某些蝴蝶在一年中的样式各不相同。飞蝗（Locusta migratoria）在散居和群居个体之间表现出体色多型性，散居型飞蝗呈现均匀的绿色，群居型飞蝗呈现黑色背板和棕色腹面。当蝗灾发生时，人们总是用黑压压一片来形容蝗群，实际上就是指这样体色的蝗群。反之，绿色个体的散居型蝗虫并不成灾。但是即使人们发现了这种密度依赖型会影响蝗虫的体色变化，但对其分子机制却了解不多。在康乐院士团队的这个研究中，以此为出发点主要探究种群密度造成蝗虫体色不同的分子机制。研究发现β-胡萝卜素结合蛋白的上调促进了红色素的积累，这种色素加入了散居型蝗虫的绿色体色调色板中，使其从绿色变为黑色，相反，在群居型的黑色蝗虫群体中，这种蛋白下调，会使蝗虫体色由黑色变为绿色。也就是蝗虫颜色的变化取决于这种携红色素的蛋白形成复合体--β胡萝卜素结合蛋白（βCBP）的变化。研究发现群居型蝗虫和散居型蝗虫β胡萝卜素结合蛋白（βCBP）表达差异巨大，而且随着种群密度的增加呈正相关变化。在图1A中，群居蝗虫体色为黑色，散居型蝗虫体色为绿色。在430个编码蛋白的DEGs（差异表达基因）中有68个参与了体色合成（图1B）。在最高的前17个中分别对群居型和散居型蝗虫做了qPCR，在17个基因的转录水平上，有9个基因在群居蝗虫的前胸背板内表现出高于散居蝗虫的，并且有6个基因群居蝗虫明显低于散居蝗虫（图1C）。这些结果与转录组数据一致。在17个基因中，我们研究了前8个DEGs（群居蝗虫与散居蝗虫基因表达的差异>3），其中6个在群居蝗虫中表达较高，2个在散居蝗虫中表达较高，以筛选参与颜色变化的关键候选基因。为了探讨这8个基因是否在蝗虫行为变化过程中对调节体色有可塑性，对这些基因在群居和散居蝗虫中进行了转录敲除分析。在8个基因中，只有βCBP对调节身体颜色转变有显著影响。蜕皮后，60%的群居蝗虫在βCBP敲除后，前胸背板的暗纹明显减少（图1D）。因此这一部分数据说明CBP可能是控制体色的关键基因。
图1 确定了βCBP是控制群居型和散居型蝗虫体色的关键蛋白紧接着证明了随着群居型蝗虫龄期增长，发现其逐渐加深的黑色与β胡萝卜素结合蛋白表达水平直接相关，而散居型蝗虫则保持不变。在群居的蝗虫中，βCBP在前胸背板中的表达明显高于在胸部和腹部的表达，而在散居型的蝗虫中βCBP的表达较少，且无变异性（图2A）。为了探究是否与蝗虫发育阶段有关，随着虫龄的增加，发现在群居的蝗虫中βCBP的表达水平呈现出正相关性，而散居型蝗虫则保持不变（图2B）。βCBP在群居个体的前胸和腹部的转录水平明显高于散居个体的前胸和腹部（图2C）。在群居蝗虫中，蝗虫前胸背板内的CBP蛋白水平明显高于散居蝗虫（图2D）。大量的βCBP在群居蝗虫的胞间被广泛地检测到，而βCBP在散居蝗虫中分布非常零星（图2E）。在群居蝗虫的前胸背板中，βCBP蛋白的含量比散居蝗虫的相应量高39.5倍（图2F和G）。考虑到βCBP可以在组织中结合和积累β-胡萝卜素，所以在体内评估了βCBP在群居和散居蝗虫的前胸背板中结合β-胡萝卜素的数量。群居蝗虫β-胡萝卜素含量比散居蝗虫高2.8倍（图2H）。这些结果表明，βCBP蛋白水平和相关的β-胡萝卜素含量与蝗虫前胸背板的黑色着色程度直接相关。
图2 β胡萝卜素结合蛋白在体内能特异性绑定β-胡萝卜素（β-carotene）为了证明βCBP参与调控了蝗虫阶段变色，研究利用了RNA干扰技术，来抑制βCBP基因，通过隔离注射的方式来看βCBP的调节模式。在注射dsbCBP-RNA之后，前胸背板的βCBPmRNA和蛋白水平相比对照组（图3B和D）分别减少了99%和85%（图3A和C）。由于dsbCBP-RNA沉默效应，使得群居蝗虫的前胸背板的βCBP减少了80%（图3E和F）。因为蝗虫体内有许多游离的β-胡萝卜素，而b-胡萝卜素只能结合利用βCBP蛋白参与体色的形成，因此研究测定了β-胡萝卜素与βCBP的结合量。dsbCBP的使用大大减少前胸背板内的β-胡萝卜素含量从104.8毫克/克降到74.3毫克/克（图3H）。
为了证明βCBP的直接作用，通过持续喂β胡萝卜素和对蝗虫进行群聚饲养处理。发现在β-胡萝卜素喂养和群聚饲养后，单个蝗虫的前胸背板细胞中βCBP的信号强度比正常饮食中的强度增加了22.7倍（图3E和G）。除此之外，研究人员发现群居型蝗虫的β-胡萝卜素含量高出散居型近三分之一的量，表明β胡萝卜素结合蛋白和β-胡萝卜素与群居型黑色体色直接相关。当将散居蝗虫饲喂β胡萝卜素后进行群居饲养，体内β胡萝卜素结合蛋白水平显著增加，几乎一半蝗虫体色由绿色转变成黑色背板/棕色腹面，而其余蝗虫转变为类似于群居的体色。RNA干扰群居型β胡萝卜素结合蛋白基因则产生体色由黑色转变成绿色（图4）。
图4 βCBP及其与β-胡萝卜素的结合促进了蝗虫的体色转变最后证明βCBP与β-carotene形成的复合体确实是红色的。 体外和群居虫体内β胡萝卜素结合蛋白的免疫共沉淀实验证明了βCBP与β-carotene形成的复合体是红色的。同时，通过免疫电镜实验发现β胡萝卜素结合蛋白（βCBP）定位于黑色素颗粒，共同证明了β胡萝卜素结合蛋白在体内确实通过绑定红色的β-胡萝卜素来调控黑色体色的形成。β胡萝卜素结合蛋白与β胡萝卜素（β-carotene）的结合与分离受到种群密度的调控，高密度时相互结合呈现红色导致黑色体色的形成，低密度时相互分离，不显红色从而体现本地的绿色，因此，βCBP-色素复合体是群居蝗虫前胸背板黑色形成的关键介质。（图5）。
图5 βCBP的红色复合体位于色素颗粒上，并且βCBP结合β胡萝卜素，直接导致了群居蝗虫的黑色背纹。总结：蝗虫的体色在野外可以随着种群密度的改变而改变，对于其躲避天敌有重要意义。在散居型蝗虫中，它们依靠与植物颜色相同的保护色绿色来隐藏自己，而在群居的黑色蝗虫中，它们组成的庞大黑色群体又可以对天敌起到警示作用。蝗虫通过βCBP来实现体色在黑色和绿色之间的转变，这种巧妙利用物理的三原色配色来形成群居体色的适应性进化机制在自然界的其它昆虫中也存在（图6）。
这是一篇2018年来自色列特拉维夫大学关于沙漠蝗交配前性行为偏好的实验，但很可惜这是一篇纯行为实验的工作，并没有解释分子机制。在沙漠蝗虫种群中，也有群居型和散居型蝗虫种群，它们之间的相互作用对蝗虫种群动态有重要影响。然而，以往关于蝗虫性行为的研究几乎都局限于群居阶段。这篇文章提供了散居的沙漠蝗虫交配前行为的详细描述。研究结果与先前关于群居蝗虫交配前行为的报告进行了比较，重点关注在性别之间信号和交流中起作用的行为因素。同时还研究了阶段间(混合配对)生殖相互作用。研究发现，散居的雄性比群居的雄性在交配前更喜欢求爱和发出相应信号，而且散居的雌性比群居的雌性在性别间的交流中更占主导地位。与群居的雌性相比，散居的雌性表现出拒绝相关行为模式的可能性更小。根据每个阶段特有的行为特征得出结论，群居的雄性和散居的雌性配对成功的几率最高。散居的雄性和群居的雌性配对成功几率最低。这种结果表明它们在生殖交互作用中存在很大的不对称性。下面我们就来看一次沙漠蝗在交配偏好上具体有何特点。首先研究者利用了一套行为实验范式（图7），来追踪不同蝗虫的行为轨迹。
紧接着就是确定研究对象包括群居雄性GM、群居雌性GF、散居雄性SM、散居雌性SF。然后再分别让群居与群居的交配，散居与散居的交配，混合交配。通过将蝗虫交配前腿部的震动和翅膀震动的频率作为蝗虫是否更倾向于交配的参考数据。关于蝗虫群居的原始数据主要是在Golov等人2018年发现的，但注意当前的研究包括所有被测试对的行为数据(N=31)，而Golov等人2018年只提供了成功交配的实验数据。证明了在图2a，散居雄性表现出更高的腿部振动和翅膀振动频率。与此相反，后腿缓慢的重复抬高，以及腹部的信号(腹部摆动)，都是行为因素，与散居雄性相比，它们的特点要少得多。总体而言，散居雄性在性行为中的主导地位较低，这表现在它们在交配前倾向于走开(与群居的雄性相比)。利用翅膀发出信号(即在骑乘前的短翅和长翅鸣叫)被发现是散居雌性的一种典型行为，而群居的雌性几乎从未表现出这种行为(图3a)。在与雌性排斥反应相关的行为元素中观察到一种主要的行为差异，这种差异在散居雌性中大大减少(图3b)。
图2 雄性交配前行为的差异。 图3 雌性交配前行为的差异接下来，我们通过重复上面介绍的实验，解决 “混合”组对。有趣的是，我们发现蝗虫倾向于保留它们性行为的主要特征，而不考虑它们配偶的阶段特征(参看图4和图5)。当散居雄性遇到群居雌性时，它们仍然全神贯注于腿的振动和翅膀的鸣叫，而群居雄性仍然表现出强烈的缓慢的重复的抬腿动作，同样朝向独处雌性。同样，与群居的雌性相比，散居的雌性表现出强烈的翅膀鸣叫，以及减少与拒绝相关的行为模式(图5a)。
图4 混合配对的雄性交配行为。 图5 混合配对的雌性交配前行为。最重要的是，两种类型在成功交配的发生率上有很大的差异(图6)。我们可以看到群居雄性和散居雌性交配成功率最高，而散居雄性和群居雌性交配成功率最低。看了下面的总结图你可能会豁然开朗。
沙漠蝗（Schistocerca gregaria）是一种著名的迁徙昆虫，数百万个体成群结队地长途旅行。在2004年11月，这样的蝗虫群从西奈沙漠向东南移动到达了亚喀巴湾的北部海岸。到达海岸后，它们没有飞越水面，而是沿海岸向北飞行。过了海湾的尖端，它们才又转向东方。这篇2004年的实验研究文章中，通过用绳子系起来的蝗虫做的实验，表明它们能避免飞越有反射光线的镜子，而且在选择是从反射表面飞过还是从反射线偏振光的表面飞过时，它们宁愿飞过前者。结果还表明，蝗虫能探测到水体的偏振反射，避免了与水体的交叉，而且至少在低空飞行时，它们可以避免飞越这些危险地区。在2004年11月，一大群蝗虫从西奈沙漠向亚喀巴湾北部海岸低空飞来(主要蝗群在2004年11月19日至23日之间飞来，随后10天内小群蝗虫跟随其后)。到达海岸时，它们没有越过3 -5公里宽的海湾，但转而向北。过了海湾的北端，蝗群才又转向。大部分蝗群向东转向约旦，而其余的继续沿着阿拉瓦山谷向北移动(图1)。
图1亚喀巴湾附近蝗虫群的轨迹。在2004年11月21日至23日来自西奈半岛的亚喀巴湾的成群沙漠蝗虫迁徙到北方亚卡巴湾，刚刚到了水边就向北转，然后过河去约旦。由追踪飞行中的个体蝗虫的观察者在岸上和船上进行的初步观察证实，这种昆虫很少飞越水面，而且如果被风吹过，它会迅速地转向岸边。值得注意的是，沙漠蝗在高空飞行时，通常在几百米的高度，或者在强风吹过的时候，能够很好地穿越大片水域。蝗虫如何探测和识别这样的水面呢? 研究发现，蝗虫可以利用不同形式的视觉信息来选择飞行的方向。其中之一是极化视觉（polarization vision）。极化视觉是动物检测光电矢量振荡平面的能力。这种能力在动物类群中很普遍，但在无脊椎动物尤其是节肢动物中尤为突出。偏振光既可以隐式地用于增强图像对比度，又可以向彩色视觉系统添加另一个维度，也可以用作单独的视觉通道，因此，极性化可能给蝗虫提供物质表面性质指示。的确，有些昆虫利用它们的极化敏感性来探测吸引它们的水体。蝗虫对偏振光很敏感，在它们的复眼背缘上有一组特殊结构，用来分析偏振光模式，从而作为导航的线索。这篇研究主要探究，通过蝗虫趋向和远离地面的方法来判断蝗虫是否利用了极化敏感性，从而使蝗虫能感知到大的水体和反射线性偏振光。为了测试蝗虫对反射表面的反应，当它们遇到镜子时，我们检查了它们的飞行偏好。15只刚从野外捕获的蝗虫个体，被拴在镜子附近和上面，以及附近没有镜子的地方，然后释放蝗虫 (图2)。
图2 蝗虫的飞行方向限制在1*1*平方米的镜子和周边一个可控制区。箭头表示飞行方向的平均矢量; 数字表示向量的平均方向、标准差和平均向量的长度; n=15只。星号表示放生的大致地点。虽然蝗虫一般都是迎风飞行，它们避免飞向反射光线的镜子，也避免飞离镜子。蝗虫被释放到离地10-15厘米的地方，距离边长1x1平方米的镜子(在图2中用星号标记)。镜子水平放置在地面上，记录了被束缚蝗虫释放后飞行的方向。镜子至少反射部分线偏振光在330-800纳米范围。来自镜子的强烈反射可能会使飞行蝗虫的背光反应触发，从而飞行转向。为了确定迁徙的蝗虫是否更喜欢飞向两极表面，我们在接下来的实验中测试了40只系住的新蝗虫。在两个1.2*0.8 m的黑色材料平面区域，之间有10厘米宽的暴露空间。测试材料包括线性偏振光反射塑料用成像偏振计检测。每一个黑色背景都在缺口两边进行了相同数量的测试。该装置不受自然风的影响，用一台风扇使微风沿着中央的缝隙吹向光源方向。这些蝗虫被拴在一个预先设置好的装置上，装置位于距离缝隙中央50厘米的地方，然后被人直接从离地5-7厘米缝隙下面放出来。在昆虫被释放后，实验者立即沿着缝隙的方向移动到远处，记录飞行路径。随后，逐帧分析被用来确定昆虫释放后的飞行方向。相机被放置在顺风方向，这样就不会在实验表面产生阴影。对镜子附近飞行反应的检查显示，除了北部的那个释放点，蝗虫都避免飞向镜子。在北部释放点，有风来自镜子反射方向，缺乏首选的方向;可能说明迎着风飞行和躲避镜子之间的有冲突(在自然界中，蝗虫通常是迎着风飞行，如果不是太强烈的话)。没有镜子的控制位置的平均飞行方向往往与迎风的方向一致(图2)。检查飞行偏好当面对两个相似的黑色表面偏振反射，蝗虫无明显的偏好选择(18/22左/右的选择,x²=0.5 p< 0.53), 但相比极性背景更偏向飞向无极性背景。(分别为28/12, x²=0.64 p< 0.015)。也就是说，在具有强线性偏振反射的表面上，蝗虫是不会飞行的。生活在水体或水体附近的昆虫中发现了一种性质相似但方向相反的反应(即对极化表面的吸引)。对于迁徙的沙漠昆虫来说，水是一种潜在的危险，大面积的水域，比如大海，尤其危险。因此，检测和避免水域对它们是有益的。到目前为止，对偏振敏感度与蝗虫眼睛的背缘区域联系起来进行了研究。结果显示，这些昆虫也能够检测偏振光在腹侧视野。使这种敏感性形成的潜在机制尚未查明，它可能涉及到解剖学或行为适应。偏振光反射可能确实有助于迁徙的蝗虫避免飞越沿海地区的水面。当蝗虫在低空飞行时，当风速和方向等其他天气条件允许它们朝特定方向飞行时，这种能力很可能与它们的飞行行为最为相关。昆虫迁飞行为的发生与调控机制一直是国内外昆虫迁飞研究领域中的热点。昆虫迁飞是指昆虫种群由自身控制或借助外力，从一个发生地成群而有规律地远距离转移至另一个发生地，以保证其生活史的延续和物种的繁衍。迁飞昆虫在整个迁飞过程中并不是完全被动地随风漂流，它们可以主动地去寻觅可利用的新生境，这是一种高度进化的适应性对策。研究表明直翅目、半翅目、双翅目、鳞翅目、蜻蜓目、膜翅目的许多昆虫具有迁飞现象。随着蝗虫种群密度增大、食物竞争压力增强，迫使一部分蝗虫开始迁飞，以获得更丰富的食料。研究表明，大量的沙漠蝗（Schistocerca gregaria）因干旱季节来临和植物干枯发生迁出生境地的行为。降雨会影响昆虫迁飞和降落行为，迁飞路径上的降雨和下沉气流，对昆虫有迫降作用，进而在降落地形成灾害。散居型意大利（Calliptanus italicus）雌虫 6 日龄飞行能力达到最强，6-10 日龄逐渐减弱，雄虫 2 日龄达到最强，之后开始下降。昆虫迁飞能力还受其种群密度、外界温度、风速与风向等条件影响，高密度下亚洲小车蝗（Oedaleus decorus asiaticus）雌虫最大飞行距离可达 14 km，雄虫可达 10 km，低密度雌雄个体累计飞行距离差异不显著，平均为 3 km。[1] Yang, M., Wang, Y., Liu, Q., Liu, Z., Jiang, F., Wang, H., ... & Kang, L. (2019). A β-carotene-binding protein carrying a red pigment regulates body-color transition between green and black in locusts. Elife, 8, e41362.[2]Golov, Y., Rillich, J., Douek, M., Harari, A. R., & Ayali, A. (2018). Sexual behavior of the desert locust during intra-and inter-phase interactions. Journal of Insect Behavior, 31(6), 629-641.[3]Shashar, N., Sabbah, S., & Aharoni, N. (2005). Migrating locusts can detect polarized reflections to avoid flying over the sea. Biology letters, 1(4), 472-475.[4]刘琼. 中哈边境毗邻蝗区生态特征差异及意大利蝗飞行能力研究[D].新疆师范大学,2017.
