周維 張強(qiáng)

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(shè)施等均會造成嚴(yán)重破壞，全球每年因白蟻危害造成的經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)數(shù)十億美元。近年來，分子生物技術(shù)越來越廣泛地被應(yīng)用于白蟻學(xué)研究，加深了對白蟻的認(rèn)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(jìn)行了綜述，旨在通過白蟻分子機(jī)制的全新認(rèn)識和相關(guān)功能基因的篩選，為新型高效、環(huán)保的白蟻防治藥劑的研發(fā)提供新的思路和參考。

關(guān)鍵詞 白蟻；分子生物技術(shù)；功能；品級分化；基因

中圖分類號：Q969.29+6 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)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(jīng)濟(jì)損失多達(dá)數(shù)十億美元。隨著生物分子技術(shù)的發(fā)展，一些最新的功能基因組學(xué)研究方法逐漸被應(yīng)用于昆蟲學(xué)研究和白蟻學(xué)研究。白蟻是真社會性昆蟲，白蟻品級研究一直是當(dāng)今白蟻學(xué)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。從白蟻防治角度來看，若能弄清信息素主導(dǎo)下的白蟻品級分化機(jī)制，精準(zhǔn)識別信息素受體基因或結(jié)合蛋白，有望利用RNAi技術(shù)識別白蟻特異性功能基因，研制出RNAi生物農(nóng)藥高效防治白蟻，大大減少每年因白蟻危害造成的經(jīng)濟(jì)損失和蟻害防治成本。

1 白蟻學(xué)主要分子技術(shù)

進(jìn)入后基因組學(xué)（Postgenomics）時(shí)代，生物學(xué)研究已從對單一基因或蛋白質(zhì)的研究轉(zhuǎn)向?qū)Χ鄠€(gè)基因或蛋白質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究。白蟻學(xué)研究采用的分子手段主要包括經(jīng)典的RNA原位雜交[1]，

實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)[2]進(jìn)行基因表達(dá)定量分析和RNA干擾技術(shù)[3]等。前2種方法主要用于基因表達(dá)定位、定量分析，RNAi技術(shù)主要用于基因表達(dá)功能分析。

隨著基因組測序工作的完成，基因?qū)W研究進(jìn)入后基因組時(shí)代，基因組學(xué)研究從結(jié)構(gòu)基因組學(xué)過渡至功能基因組學(xué)階段，越來越多的基因功能被揭示。作為一項(xiàng)高效的新技術(shù)，RNAi技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用于功能基因組學(xué)研究，鑒于RNAi技術(shù)在昆蟲基因功能研究和害蟲防治策略的應(yīng)用上取得了較大進(jìn)展，昆蟲RNAi技術(shù)的應(yīng)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(diǎn)。白蟻是多態(tài)型社會昆蟲，個(gè)體漸變態(tài)發(fā)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(huán)境因素、社會性因素、個(gè)體因素共同作用的結(jié)果。個(gè)體因素主要是白蟻體內(nèi)激素，如保幼激素的分泌和體內(nèi)調(diào)控品級分化的相關(guān)基因，作用于單個(gè)白蟻?zhàn)陨?；社會性因素主要是外激素和化學(xué)信息素，作用于同巢白蟻個(gè)體之間；環(huán)境因素作用于整個(gè)群體，包括環(huán)境食物豐富度（營養(yǎng)）、濕度、溫度等影響個(gè)體發(fā)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(jī)制。

2.1 保幼激素（JH）依賴性品級分化

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

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

內(nèi)華達(dá)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(guān)基因進(jìn)行功能分析，顯示沉默相關(guān)基因后，與保幼激素合成、結(jié)合和信號傳導(dǎo)相關(guān)的基因表達(dá)水平下降，表明表觀遺傳相關(guān)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(chǎn)生影響，可能是與兵蟻分化過程中保幼激素作用的調(diào)控有關(guān)[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(diào)控中維持幼齡期現(xiàn)狀[8]。

2.2 兵蟻品級分化

白蟻的兵蟻品級通常被認(rèn)為是昆蟲分類學(xué)中最早的非生殖性品級，也是品級分化和形態(tài)發(fā)生機(jī)制研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。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(diào)控下相關(guān)基因表達(dá)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(gè)前兵蟻期會一直維持一個(gè)高的滴度水平。烯蟲酯耐受蛋白（Methoprene-tolerant protein，Met）是一種公認(rèn)的保幼激素受體，敲除保幼激素受體基因會阻止內(nèi)華達(dá)動白蟻（Z. nevadensis）的兵蟻形態(tài)發(fā)生[9]。

研究表明：TGFβ參與兵蟻分化過程中的激素調(diào)節(jié)[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(dá)，可顯著影響前兵蟻到兵蟻的分化，RsSsp1通過結(jié)合和轉(zhuǎn)運(yùn)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(guān)的93個(gè)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(dá)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(fā)育程序[12]。

脂質(zhì)運(yùn)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(guān)鍵，這種社會互動能促進(jìn)白蟻兵蟻分化。白蟻脂質(zhì)運(yùn)載蛋白NLaz1在內(nèi)華達(dá)動白蟻（Z. nevadensis）幼蟲中的高表達(dá)對通過白蟻個(gè)體間社會互動決定兵蟻分化至關(guān)重要[13]。山林原白蟻（Hodotermopsis sjostedti）的肌動蛋白結(jié)合蛋白（HsjCib）作為兵蟻特化形態(tài)發(fā)生中下游效應(yīng)基因的典型代表，可能參與頭部形態(tài)發(fā)生和神經(jīng)重構(gòu)，該基因在兵蟻分化形成的下頜骨部位高度表達(dá)[14]。

研究表明：兵蟻形態(tài)改變發(fā)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(guān)，可能參與決定前兵蟻分化過程中下頜的位置和形態(tài)特化改變[15]。

2.3 環(huán)境因素和社會因素對品級分化的影響

環(huán)境因素和社會因素對品級分化的影響研究主要體現(xiàn)在通過社會互動進(jìn)行的營養(yǎng)攝入方面。內(nèi)華達(dá)動白蟻（Z. nevadensis）通過社會互動攝入營養(yǎng)，在此影響下的品級分化存在轉(zhuǎn)錄組的改變，這種變化可能受到個(gè)體營養(yǎng)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(dá)差異，表明存在多個(gè)與品級形成相關(guān)的關(guān)鍵信號通路，這些信號通路與品級形成和社會互動相

關(guān)[16]。該信號通路具體品級形成過程中的分子機(jī)制有待進(jìn)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(bǔ)充繁殖蟻的潛能，成為新的蟻王或蟻后。補(bǔ)充繁殖蟻的誘導(dǎo)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(shù)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(dá)[17]。對補(bǔ)充繁殖蟻發(fā)育形成機(jī)制進(jìn)行研究，結(jié)果表明：保幼激素信號基因Met通過調(diào)控卵黃蛋白原基因表達(dá)，提高保幼激素滴度、激活腹部保幼激素，從而誘導(dǎo)補(bǔ)充繁殖蟻生成。通過觀察分析Met基因在補(bǔ)充生殖蟻分化過程中頭、胸、腹不同部位的表達(dá)變化，顯示補(bǔ)充生殖蟻體內(nèi)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(bǔ)充生殖蟻腹部高度表達(dá)[18]。Korb等[19]在干木白蟻Cryptotermes secundus中識別出一種與生殖分工相關(guān)的基因，稱為“queen gene”，從基因機(jī)制解釋了白蟻的生殖利他主義，并對queen genes的進(jìn)化起源提出了假設(shè)。

3 總結(jié)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(yán)格的分工合作，個(gè)體間存在復(fù)雜的化學(xué)信息交流。最近基于組學(xué)技術(shù)進(jìn)行的白蟻覓食基因的研究表明，覓食基因似乎與調(diào)節(jié)工蟻的行為任務(wù)和形態(tài)品級相關(guān)的特定行為相關(guān)[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(yù)防新出現(xiàn)的傳染病方面的作用已成為昆蟲研究的一個(gè)主要課題。若能弄清白蟻抵御致病性微生物的分子機(jī)制，提取出致病菌感染后的白蟻免疫相關(guān)基因，以及免疫相關(guān)的功能基因轉(zhuǎn)錄組和免疫誘導(dǎo)基因，篩選出高效的靶標(biāo)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(nóng)藥開發(fā)

在精準(zhǔn)識別和克隆白蟻特異性相關(guān)功能基因的前提下，展開了一些關(guān)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(shí)際應(yīng)用的報(bào)道，但國內(nèi)已有相關(guān)研究[32-33]。弄清白蟻形態(tài)結(jié)構(gòu)分化的分子機(jī)制，加強(qiáng)基因功能和基因表達(dá)研究，有針對性地篩選出白蟻特異性靶標(biāo)基因，對研制新型環(huán)保、高效的白蟻RNAi生物農(nóng)藥具有較大的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝曉芳，耿興超，黃瑛，等.細(xì)胞治療產(chǎn)品示蹤技術(shù)研究進(jìn)展[J].藥物評價(jià)研究，2023，46（4）：885-889.

[2] 王光華，趙偉春，程家安.實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)及其在昆蟲學(xué)研究中的應(yīng)用[J].昆蟲學(xué)報(bào)，2008，51（12）：1293-1303.

[3] Napoli C， Lemieux C， Jorgensen R. Introduction of a chimeric chalcone synthase gene into Petunia results in reversible co-suppression of homologous genes in trans[J]. Plant Cell， 1990（2）： 279-289.

[4] 何承偉，劉芳，劉新光，等.RNAi技術(shù)在大規(guī)模基因功能研究中的應(yīng)用[J].國外醫(yī)學(xué).臨床生物化學(xué)與檢驗(yàn)學(xué)分冊， 2005（8）：64-66.

[5] Tarver M R， Coy M R， Scharf M E. Cyp15F1： A novel cytochrome P450 gene linked to juvenile hormone-dependent caste differention in the termite Reticulitermes flavipes[J]. Arch Insect Biochem Physiol， 2012， 80（2）： 92-108.

[6] Cornette R， Koshikawa S， Hojo M， et al. Caste-specific cytochrome P450 in the damp-wood termite Hodotermopsis sjostedti （Isoptera， Termopsidae） [J]. Insect Molecular Biology， 2006， 15（2）： 235-244.

[7] Ryutaro S， Hajime Y， Kiyoto M. Histone modifying genes are involved in the molting period during soldier differentiation in Zootermopsis nevadensis[J]. Journal of Insect Physiology， 2019（117）： 103892.

[8] Zhou X， Tarver M R， Bennett G W， et al. Two hexamerin genes from the termite reticulitermes flavipes： Sequence， expression， and proposed functions in caste regulation[J]. Gene， 2006， 376（1）： 47-58.

[9] Yudai M， Hajime Y， Ryutaro S， et al. Knockdown of the juvenile hormone receptor gene inhibits soldier-specific morphogenesis in the damp-wood termite Zootermopsis nevadensis （Isoptera： Archotermopsidae）[J]. Insect Biochemistry and Molecular Biology， 2015（64）： 25-31.

[10] Yudai M， Hajime Y， Kouhei T， et al. TGFβ signaling related genes are involved in hormonal mediation during termite soldier differentiation[J]. PLOS Genetics， 2018， 14（4）： e1007338.

[11] Wu Z W， Yunliang Du Y L， Zhenya Li， et al. Soldier caste-specific protein 1 is involved in soldier differentiation in termite reticulitermes aculabialis[J]. Insects， 2022， 13（6）： 502.

[12] Wu T， Dhami G K， Thompson G J.. Soldier-biased gene expression in a subterranean termite implies functional specialization of the defensive caste[J]. Evolution and Development， 2018， 20（1）： 3-16.

[13] Hajime Y， Shigenobu S J， Yoshinobu H， et al. A lipocalin protein， Neural Lazarillo， is key to social interactions that promote termite soldier differentiation[J]. Proceedings of the Royal Society. Biological sciences， 2018， 285（1883）： 20180707.

[14] Shigeyuki K， Richard C， Tadao M， et al. The homolog of Ciboulot in the termite （Hodotermopsis sjostedti）： A multimeric thymosin involved in soldier-specific morphogenesis[J]. BMC Developmental Biology， 2010（10）： 63.

[15] Toga K， Saiki R， Maekawa， K. Hox Gene deformed is likely involved in mandibular regression during presoldier differentiation in the nasute termite Nasutitermes takasagoensis[J]. Journal of Experimental Zoology Part B： Molecular and Developmental Evolution， 2013， 320（6）： 385-392.

[16] Hajime Y， Ryutaro S， Masatoshi M， et al. Transcriptomic changes during caste development through social interactions in the termite Zootermopsis nevadensis[J]. Ecology and Evolution， 2019， 9（6）： 3446-3456.

[17] 徐立軍，嵇保中，劉曙雯，等.白蟻的品級和胚后發(fā)育[J].生態(tài)學(xué)雜志，2016，35 （9）：2527-2536.

[18] Saiki R， Gotoh H， Toga K， et al. High juvenile hormone titre and abdominal activation of JH signalling may induce reproduction of termite neotenics[J]. Insect Molecular Biology， 2015， 24（4）： 432-441.

[19] Korb J. Genes underlying reproductive division of labor in termites， with comparisons to social Hymenoptera[J]. Frontiers in Ecology and Evolution， 2016（4）： 45.

[20] Lucas， Christophea， Ben-Shahar， et al. The foraging gene as a modulator of division of labour in social insects[J].Journal of Neurogenetics， 2021（35）： 168-178.

[21] Paula C， Claudia H， Sun Q. Molecular characterization and expression variation of the odorant receptor co-receptor in the Formosan subterranean termite[J]. PLOS ONE， 2022， 17（4）： e0267841.

[22] Schwinghammer M A， Zhou X G， Kambhampatis， et al. A novel gene from the takeout family involved in termite trail-following behavior[J]. Gene， 2011， 474（1-2）： 12-21.

[23] Merchant A， Song D， Yang X， et al. Candidate foraging gene orthologs in a lower termite， Reticulitermes flavipes[J]. Journal of Experimental Zoology Part B： Molecular and Developmental Evolution， 2020， 334（3）： 168-177.

[24] Cremer S， Armitage SA， Schmid-Hempel P.Social Immunity[J].Current Biology： CB，2007，17（16）：693-702.

[25] Dong Y A， Peng X， Hussain R， et al. Elevated expression of immune and DNA repair genes in mated queens and kings of the Reticulitermes chinensis termites[J]. Experimental gerontology， 2023（178）： 112228.

[26] Zhao X Y， Liu L， Zhou W， et al. Roles of selenoprotein T and transglutaminase in active immunization against entomopathogenic fungi in the termite Reticulitermes chinensis[J]. Journal of Insect Physiology， 2020（125）： 104085.

[27] Liu L， Yan F M， Zhao C C， et al. MicroRNAs shape social immunity： A potential target for biological control of the termite Reticulitermes chinensis[J]. Journal of Pest Science， 2023， 96（1）： 265-279.

[28] Thompson G J， Crozier Y C， Crozier R H. Isolation and characterization of a termite transferrin gene up-regulated on infection[J]. Insect Molecular Biology， 2003， 12（1）： 1-7.

[29] Chen W W，Zeng W H， Shen D W. et al. Genome-wide identification of Coptotermes formosanus immune genes?and their potential roles in termite??control[J]. Gene， 2023（877）： 147569.

[30] Feng K， Jiang D B， Luo J， et al. OfGNBP silencing enhances the toxicity of Serratia marcescens Bizio （SM1） to Odontotermes formosanus （Shiraki） [J]. Pesticide Biochemistry & Physiology， 2023（189）： 105306.

[31] Hussain A， Li Y F， Cheng Y. Immune-related transcriptome of coptotermes formosanus Shiraki Workers： The defense mechanism[J]. PLOS ONE， 2013， 8（7）： e69543.

[32] 候亞會，畢可可，孫龍華，等.基于RNA干擾的臺灣乳白蟻纖維素酶活抑制效果分析[J].環(huán)境昆蟲學(xué)報(bào)，2019，41（4）： 837-843.

[33] 谷岱霏.臺灣乳白蟻EG基因RNAi及其在纖維素酶活抑制中的應(yīng)用[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2016.

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