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Nature:浙江大学合作阐明飞虱翅型发育原因

标签:飞虱 水稻田
摘要 : 每年,在亚洲水稻都面对着来自一种芝麻籽大小的昆虫——褐飞虱(brown planthopper)的巨大威胁。现在由浙江大学领导的一项研究揭示出了,使得一些飞虱发育为短翅型,而另一些飞虱发育为长翅型的原因——这是决定它们入侵新水稻田能力的一个重要因素。研究结果发表在3月18日的《自然》(Nature)杂志上。

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 每年,在亚洲水稻都面对着来自一种芝麻籽大小的昆虫——褐飞虱(brown planthopper)的巨大威胁。现在由浙江大学领导的一项研究揭示出了,使得一些飞虱发育为短翅型,而另一些飞虱发育为长翅型的原因——这是决定它们入侵新水稻田能力的一个重要因素。研究结果发表在3月18日的《自然》(Nature)杂志上。

浙江大学的张传溪(Chuan-Xi Zhang)教授和徐海君(Hai-Jun Xu)副教授是这篇论文的共同通讯作者。这项研究得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)和国家科学基金的资助。

寄住在水稻的茎秆中,飞虱利用它们的刺吸式口器来吸取汁液。最终水稻会变黄干枯,这种情况被称作为“虱烧”(Hopper burn)。每年,稻飞虱的爆发摧毁了数十万亩的水稻,水稻是全球近一半人口作为主食的作物。

这些昆虫的一种发育策略让它们成为了特别有效的害虫。当稻田条件好时,幼飞虱会发育为翅膀短粗的成虫。短翅成虫不能飞,但它们是多产的繁殖者。一只短翅雌飞虱在她的一生中可以产下700多个卵。

论文的共同作者、杜克大学生物学家Fred Nijhout说:“短翅飞虱有着肥大的腹部。它们基本上待在原地不动,专职繁殖。”

但在秋天随着白天变短,气温开始下降——这些征兆表明它们正在大快朵颐的水稻将很快消失——会有更多的飞虱若虫发育为具有长翅膀的、苗条的成虫。长翅飞虱产卵减少,但它们能够飞行,并最终飞离入侵新的稻田。

然而直到现在,科学家仍不清楚白日变短及气温下降是如何触发飞虱从短翅转变为长翅的,或有哪些激素参与其中。为了阐明这一问题,研究人员采用了一种叫做RNA干扰(RNAi)的技术来沉默编码两种不同胰岛素受体的基因,并检测了对于动物翅膀的影响。

Nijhout说:“过去人们认为所有的昆虫都只有一个胰岛素受体基因。我们发现褐飞虱有两个。”当研究人员沉默第一个胰岛素受体时,会出现短翅成虫。沉默第二个受体则会生成长翅成虫。进一步的研究揭示,长翅是默认设计。但当飞虱响应气温或日长变化分泌一种特殊的胰岛素时,在发育翅膀中第二种胰岛素受体会失活第一种受体,导致生成短翅成虫。

“第二种胰岛素受体通过干扰第一个受体,由此关闭信号来发挥作用,”Nijhout说。

现在说这些研究发现是否有可能促成一些技术应对飞虱种群,使得它们无法入侵新稻田还为时过早。但研究人员已经在其他的飞虱物种中发现了相似的机制,并正试图弄清楚胰岛素在具有会飞和不会飞两种形式的其他害虫,如蚜虫中是否发挥了相似的作用。

原文链接:Two insulin receptors determine alternative wing morphs in planthoppers

Wing polyphenism is an evolutionarily successful feature found in a wide range of insects. Long-winged morphs can fly, which allows them to escape adverse habitats and track changing resources, wheras short-winged morphs are flightless, but usually possess higher fecundity than the winged morphs. Studies on aphids, crickets and planthoppers have revealed that alternative wing morphs develop in response to various environmental cues, and that the response to these cues may be mediated by developmental hormones, although research in this area has yielded equivocal and conflicting results about exactly which hormones are involved,. As it stands, the molecular mechanism underlying wing morph determination in insects has remained elusive. Here we show that two insulin receptors in the migratory brown planthopperNilaparvata lugens, InR1 and InR2, have opposing roles in controlling long wing versus short wing development by regulating the activity of the forkhead transcription factor Foxo. InR1, acting via the phosphatidylinositol-3-OH kinase (PI(3)K)–protein kinase B (Akt) signalling cascade, leads to the long-winged morph if active and the short-winged morph if inactive. InR2, by contrast, functions as a negative regulator of the InR1–PI(3)K–Akt pathway: suppression of InR2 results in development of the long-winged morph. The brain-secreted ligand Ilp3 triggers development of long-winged morphs. Our findings provide the first evidence of a molecular basis for the regulation of wing polyphenism in insects, and they are also the first demonstration—to our knowledge—of binary control over alternative developmental outcomes, and thus deepen our understanding of the development and evolution of phenotypic plasticity.

来源: Nature 浏览次数:121

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