每日科研进展 l 2024.10.25 l-337_

调节摄食行为的复杂基因网络：害虫管理的高效新靶标

摘要

取食行为是昆虫的一项基本活动，对其生长、发育和繁殖至关重要。昆虫摄食行为的调控是一个复杂的过程，受到外部刺激和内部生理信号等多种因素的影响。本综述介绍了涉及昆虫摄食行为的大脑、肠道和脂肪体信号通路，并为开发 RNA 杀虫剂提供了一系列靶基因。此外，本综述还总结了目前鉴定和应用参与摄食行为的功能基因所面临的挑战，最后提出了未来的研究方向。

简介

摄食行为是昆虫的一项基本活动，主要受营养需求和食物适口性的影响，对昆虫的生长、发育和繁殖至关重要。昆虫的摄食过程可分为四个阶段：产生摄食动机、觅食、识别食物营养和摄食这四个阶段由相应的神经系统调控，确保昆虫获得合适的食物并保持营养和代谢平衡。例如，在定向和着陆阶段，昆虫主要受寄主植物的光学和气味特征影响，其中视觉和嗅觉起着关键作用。接触植物后，触角和跗节上的味觉感受器会评估植物的适宜性。在整个取食过程中，各种感觉机制与神经和激素调节相互作用，各种外部刺激和内部生理信号调节着昆虫的取食行为。

环境刺激直接影响神经系统，诱导短期的神经和内分泌改变或长期的基因表达改变，导致昆虫不同程度的摄食行为改变。具有不同分子功能的多种神经调节剂参与了这一过程。在特定环境中，昆虫的摄食行为主要受关键基因的转录改变控制，并受到大脑内神经调节剂相互作用的复杂调节。例如，编码与哺乳动物神经肽 U 类似的神经肽的hugin基因在果蝇幼虫和成虫的食管下神经节中都有表达。因此，表达 hugin 的神经元似乎能调节摄食的启动。

RNA 干扰（RNAi）是一种沉默或关闭特定基因表达的技术，已被广泛应用于人类疾病的功能基因鉴定和治疗方法。在昆虫领域，RNAi 被认为是一种绿色害虫管理技术，抑制关键基因可达到良好的害虫控制效果。最近，纳米技术在癌症和肿瘤治疗的药物递送方面显示出巨大潜力，可用于提高药物的溶解度和生物活性。而在农业领域，纳米递送系统实现了外源因子的高效递送，用于植物保护。

目前，调节昆虫取食的信号通路尚未在不同组织中进行分析，如何将这些基因用于精确的害虫管理仍未得到讨论。本综述根据最新研究，分析了大脑、肠道和脂肪体中参与摄食行为的基因网络，并提供了一些关键基因作为抑制昆虫摄食的潜在靶标。此外，本综述还提出了应用纳米载体传递最佳靶基因以开发 RNA 杀虫剂的建议。本综述不仅有助于理解昆虫取食行为的调控机制，还有利于借助纳米载体开发基于 RNAi 的产品。

2 调节昆虫摄食行为的脑神经信号通路

黑腹果蝇是研究昆虫摄食行为的分子和神经元机制的绝佳模型。黑腹果蝇的摄食行为是在食物信号的刺激下，将体内营养状态与摄食欲望相结合的结果。黑腹果蝇可通过中枢神经系统（CNS）和外周组织监测体内营养状况，从而确保及时有效地调节摄食行为。黑腹果蝇成虫的大脑包含 100 000 个神经元，其中的特化神经元可感知特定的循环营养物质并调节摄食行为。

2.1 胰岛素分泌细胞（IPCs）的调控网络

胰岛素和胰岛素样生长因子（IGFs）在调节生长、发育、新陈代谢、摄食行为、繁殖、应激反应和寿命方面起着至关重要的作用。在果蝇中，八种胰岛素样肽（ILP1-ILP8）与单一的胰岛素受体 dInR 相对应。在果蝇的幼虫和成虫阶段，Dilp2、Dilp3、Dilp5由大脑中的 14 个中枢神经内分泌细胞表达和分泌，这些细胞被称为胰岛素分泌细胞（IPCs）昆虫摄入的能量和营养物质是调节 IPC 活性以及 ILPs 产生和释放的重要因素。ILPs 的释放取决于脂肪体信号未配对-2（Upd2），它通过抑制 IPC 脑 GABA 能神经元中的 JAK/STAT 信号激活 IPC。这导致 ILPs 释放到血淋巴中，高浓度的 ILPs 随后会抑制昆虫的摄食行为（图2）。此外，饥饿还能诱导脂肪AKH的释放，从而逐渐增强昆虫的摄食行为。相反，如果减少 AKH 的释放，昆虫的摄食行为就会减少（图 2）。值得注意的是，AKH 和 ILP 可以相互抑制。如果移除 IPC，AKH 的释放就会增加。位于大脑 PI 区域的饕餮神经元也是一种参与饥饿调节的肽能神经元。这些神经元可以减少 ILP 的分泌，促进昆虫摄食（图2 ）。此外，果蝇成体 IPC 中的葡萄糖转运体 1（GLUT1）会影响胰岛素的表达和释放。

IPC 还能接收来自各种神经肽和生物胺的信号。在果蝇大脑中，表达短神经肽 F（sNPF）和 corazonin（CRZ）的神经元分别通过各自的受体（由 IPC 分泌的 sNPFR 和 CRZR）促进摄食。抑制果蝇摄食行为的神经肽allatostatin-A（AST-A）和 CCHa2 受体，以及促进果蝇摄食的章鱼胺（OA）、多巴胺（DA）、白激肽（LK）和血清素（5-HT）也参与了 IPCs 的调控（图2 ）。例如， NPF 和 sNPF 在调节取食行为方面的功能已在下列昆虫中得到探索：Apis mellifera、Acyrthosiphon pisum、Bactrocera dorsalis、Dendroctonus armandi、Locusta migratoria、Schistocerca gregaria和Ostrinia furnacalis、AST-A 参与埃及伊蚊和库蚊摄食行为的调节。CCHa2 信号调节Acyrthosiphon pisum和Gryllus bimaculatus 的食物摄入和新陈代谢。

2.2 嗅觉神经系统的调控网络

许多昆虫主要依靠嗅觉神经系统来确定远距离食物来源的位置。昆虫的嗅觉传感器主要位于触角上，少数嗅觉传感器位于下颌和唇瓣上。昆虫通过嗅觉受体神经元（ORN）检测到气味后，通过触角神经（AN）将嗅觉信号传递到大脑的触角叶（AL）区域（图1 ）。这一过程涉及分泌各种气味蛋白，包括气味结合蛋白（OBPs）、化学感觉蛋白（CSPs）、气味受体（ORs）、离子受体（IRs）、感觉神经元膜蛋白（SNMPs）和气味降解酶，进而调节摄食行为。

其中，嗅觉受体是嗅觉系统的重要成员之一，在识别气味分子和向下游传递嗅觉信号方面发挥着重要作用。嗅觉受体主要分为两类：传统嗅觉受体和非典型嗅觉受体。果蝇Or43a 是第一个被确认的功能性气味受体。当 Or43a 在果蝇触角中表达时，会增强果蝇对环己酮、环己醇、苯甲醛和苯甲醇的反应（图3）。在黑腹果蝇大脑中，表达气味受体 OR42b 的 ORNs 能感知低浓度的食物气味苹果醋，从而吸引黑腹果蝇寻找食物。在黑腹果蝇幼虫中，Or42a、Or74a 和 Or85c 负责识别脂肪族气味分子（如醋酸乙酯），而 Or30a、Or45b、Or59a 和 Or94b 则对含有苯环的芳香气味分子有反应。然而，Or67b 是个例外，因为它对脂肪族和芳香族气味分子都有很强的反应（图3）。随后，人们在其他昆虫物种中也发现并鉴定了 ORs。

2.3 味觉神经系统的调控网络

虽然嗅觉神经系统在寻找食物的过程中起着至关重要的作用，但昆虫最终是否进食取决于味觉系统对食物营养物质的识别。当刺激性物质到达昆虫的内部感觉器官时，感觉神经元内的味觉感受器（GRs）可以对外界物质的化学刺激进行编码。它们将这些刺激的化学信号转换成电信号，然后通过神经轴突以脉冲的形式传输到中枢神经系统。随后，中枢神经系统输出指令信息以调节行为，受刺激的昆虫完成对刺激物质的化学反应（图1）。

在果蝇成虫中，已发现 68 个 GR 基因、33 个离子受体（IR）基因、4 个PPK基因和 2 个瞬时受体电位（TRP）基因与味觉感知有关。表达果糖受体 GR43a 的脑神经元可感知内部果糖浓度的变化并调节果蝇的摄食行为（图3）。果蝇大脑 PI 区域表达神经肽利尿激素 44（DH44）的神经元可被葡萄糖、果糖、三卤糖和特定氨基酸（l-谷氨酸、l-丙氨酸和 l-天门冬氨酸）等营养物质激活，这种激活会导致营养食物摄入量增加。此外，味觉受体 GR5a 和 GR64f 是甜味的主要受体，能促进昆虫摄食。相反，GR66a 和 GR33a 是苦味的主要受体，会抑制昆虫摄食。IR25a、IR51b 和 IR76b 参与检测盐类、胺类和氨基酸，GR5a、GR61a 和 GR64f 也参与检测低浓度氨基酸以促进摄食，而 GR66a 则参与检测高浓度氨基酸以抑制摄食（图3 ）。近年来，对其他昆虫体内GRs 功能的研究也取得了重大进展。森蝽的 GR4-GR8、蚜蝇的 GR1 和 GR5 以及麦蛾的 GR1 和 GR2 可检测含糖食物，埃及伊蚊的 GR14 和冈比亚按蚊的 GR2 可识别苦味食物。

在果蝇中，饥饿状态下 NPF 的表达增加，NPF 通过作用于 GR5a 神经元中的多巴胺受体（DopEcR）促使多巴胺能神经元释放 DA，从而提高 GR5a 神经元的感觉灵敏度、在Ostrinia furnacalis 的大脑和中肠中，NPF 正向调节GR43a 的表达，GR43a 以饱食依赖性的方式负责营养感觉。前脑侧神经分泌细胞（LNCs）中snpf的 RNAi 可降低饥饿果蝇 GR66a 神经元对苦味物质的敏感性。

2.4 促胸腺激素的调控网络

促胸腺激素（PTTH）是神经系统分泌的一种神经肽，可刺激前胸腺（PG）分泌蜕皮激素，调节昆虫的变态发育和摄食行为。在果蝇中，PTTH 由位于大脑两半球的两个双侧神经内分泌细胞（PTTHn）产生，它们的轴突向对侧延伸，终止于 PG（图1）。PTTH 可刺激 PG 分泌 20E，20E 的作用靶点由蜕皮激素受体（EcR）和超鞘氨醇（USP）组成。

20E 与 EcR/USP 异源二聚体结合形成复合物，然后与目标基因启动子中的蜕皮激素反应元件 (EcRE) 结合，从而调节与蜕皮级联反应相关的基因的表达（图2）。此外，JH 与 20E 相互拮抗，影响果蝇的变态过程。此外，Dilp8由受伤或异常生长的器官分泌，远程作用于中枢脑复合体，抑制 PG 和 20E 的活性，延迟从幼虫到蛹的发育转变（图2）。

除果蝇外，其他昆虫物种也对 PTTH 在发育变态和摄食行为中的重要性进行了研究。PTTH 的分离和特征描述首次在森雌蝇中得到证实。随后，在Culex pipiens、 Antheraea pernyi、Hyalophora cecropia、Manduca sexta、Helicoverpa zea、Heliothis virescens、Helicoverpa armigera、Spodoptera exigua、Chilo suppressalis、Hermetia illucens、Spodoptera frugiperda 中也发现了同源的 PTTH 分子。利用 RNAi 或 CRISPR/Cas9 技术进行的研究发现，PTTH 在多种昆虫（如Bombyx mori、 Chilo suppressali、Hermetia illucens和Spodoptera frugiperda）的蜕皮、化蛹、生长发育和取食过程中发挥着重要作用。

3 调节昆虫摄食行为的肠道信号通路

昆虫的肠道是食物消化和营养吸收的主要场所，由前肠道、中肠道和后肠道三个不同部分组成，每个部分都有其特定的功能。这些功能受多种神经肽激素的相互作用调控，神经肽激素是一组多功能信号分子，参与包括肠道生理在内的多种过程，从消化酶的释放到肌肉活动和饱腹感（图4 ）。

**图 4. 通过黑腹果蝇肠道和赤腹腹果蝇脂肪体中表达的关键基因进行摄食调控**

食物摄入会刺激中枢神经系统或口腔胃肠神经系统（SNS）释放多种神经肽激素，肠道中的肠内分泌细胞也会释放其他一些激素。例如，内分泌细胞可产生肽类激素。柱状细胞可产生和分泌消化酶、溶菌酶和抗菌肽，并能吸收营养。激肽最初是从Leucophaea maderae中分离出来的，在它们的后肠中起肌动肽的作用。

抗利尿肽、CCHa1 和 AST-A 在后中肠表达，整个中肠可产生 AST-C、CCHa2 和速激肽。AST 抑制前肠、中肠和后肠的蠕动，这可能会抑制昆虫的摄食。给Myzus persicae和蚜小蜂Acyrthosiphon pisum施用 AST-A 后，摄食量会显著减少，不利于增重和存活，其作用可能是通过抑制肠道蠕动或抑制咽泵的扩张肌产生的。

此外，异体调节肽还可以控制消化酶的释放。例如AST-A 可以提高濒危鞘翅目昆虫中肠中淀粉酶和蛋白酶活性的水平，而降低鞘翅目昆虫中肠中淀粉酶和胰蛋白酶的水平。更具体地说，leucokinin-III 能抑制消化酶蛋白酶和淀粉酶的释放，而 leucokinin-VIII 能刺激蛋白酶的释放。

一些神经肽激素通过信号通路调节昆虫的摄食。例如，果蝇口渴时，离子转运肽（抗利尿肽）基因的表达水平升高，通过促进水分摄入、抑制食物摄入和水分排泄来调节水分平衡。作为一种脑肠肽，CCHa2 在中肠和脑神经元中都有表达，它能感知肠腔中食物的质量，并与脑中的 CCHa2 受体结合，影响摄食。1速激肽可通过 PKA 抑制 SREBP，从而抑制脂质的产生。NPF 可通过中肠的胰岛素信号通路调控乌塘鳢幼虫的摄食。更具体地说，NPF 通过 PI3K 和 mTOR 参与的胰岛素途径招募转录因子 c-Myc 和 PPARγ，然后分别与中肠 α 淀粉酶和脂肪酶的启动子结合，积极调节中肠 α 淀粉酶和脂肪酶的活性。重要的是，抑制α-淀粉酶或脂肪酶都会降低幼虫的摄食量（图4）。

最近的研究表明，AKH 在调节昆虫肠道功能方面起着关键作用，主要是通过调节肠道内消化酶的活性。在黑腹果蝇中，AKH 可调节食物消耗量，随后在同时缺乏 AKH 和 AKH 受体（AKHR）的成蝇中进行的实验也支持这一结论。施用 AKH 可显著提高中肠消化酶（如肽酶、α-葡萄糖苷酶、蛋白水解酶和淀粉酶）的活性。

4 脂肪体中调节昆虫摄食行为的信号通路

作为昆虫的重要器官，脂肪体是一个代谢传感器，监测昆虫体内环境中碳水化合物和脂质的水平。它可以产生激素信号（ILPs、20E、JH 和 AKH）和营养信号（氨基酸、脂类和葡萄糖），以调节昆虫的摄食和发育。同时，脂肪体可以对这些信号做出反应，调动储存的营养物质（脂类、糖原和蛋白质），并释放作为脂肪体信号（FBSs）的调节分子，FBSs 可以通过远程控制大脑中的 IPCs 来调节 ILPs 的合成和释放。

此外，脂肪体分泌的 Upd2 通过中间 GABA 能神经元的 JAK/STAT 信号将代谢状态传递给大脑中的 IPC。当苍蝇处于饥饿状态时，Upd2的表达会减少，从而导致 ILP 分泌减少。ILP6 在果蝇幼虫的脂肪体中高表达，20E 和 FOXO 都能促进其表达、脂肪体衍生的 ILP6 可远程抑制 IPC 中 ILP2 和 ILP5 的产生，从而增加辅细胞对脂质的吸收，提高饥饿过程中的脂质转化率，改善对饥饿的耐受性（图2 ）。

最新研究表明，NPF 可与其受体 NPFR 结合，激活细胞内第二信使 cAMP 和Ca2+ ，进而导致Ostrinia furnacalis幼虫脂肪体中 AMPK 的磷酸化。这一机制调节脂肪体中脂类和糖原的合成与代谢，并影响摄食行为（图4）。总之，脂肪体被认为是感知各种调控信号的交换中心，然后产生各种 FBS，遥控大脑调节昆虫的发育和摄食行为。

5 饲养相关基因是害虫绿色防控的潜在靶标

RNA 杀虫剂主要是基于 RNAi 原理，抑制重要功能基因的表达，从而降低害虫的环境适应性或使其死亡。纳米技术和生物合成技术的长足进步促进了 RNA 杀虫剂的设计和开发。最新研究表明，RNAi 对取食相关基因的作用可抑制昆虫的取食行为、生长和发育。因此，本综述介绍了涉及昆虫摄食行为的大脑、肠道和脂肪体信号通路，并提供了一系列开发 RNA 杀虫剂的靶基因（表1）。

例如，针对ilp1和ilp2的 RNAi 导致Maruca vitrata和Frankliniella occidentalis幼虫生长迟缓和严重死亡。在Helicoverpa armigera、Locusta migratoria和Ostrinia furnacalis幼虫中通过 RNAi 下调npf导致摄食减少和体重下降。在抑制Or83b基因表达后，Rhodnius prolixus的嗅觉行为明显减弱，寻找宿主的活动受到严重干扰。此外，我们还总结了利用RNAi技术下调与取食相关的基因表达，从而抑制昆虫取食行为的方法（表2）。如唾液蛋白或效应物（A16、DSR33、SP75、MLP、C002、2204、9723 和 Armet）、气味受体共受体（ORco、OR5、OR78 和 OBP11）、丝氨酸蛋白酶抑制剂（S9、S17、S19 和 S32）、更多基因和描述见表2。这些与饲养有关的基因为开发 RNA 杀虫剂提供了潜在的靶标。

在高效细菌系统中共同表达与昆虫摄食和能量平衡相关的两个关键基因npfr和ampk 的 dsRNA 片段。获得的dsNPFR-AMPK与纳米载体（星形多阳离子，SPc）孵育，制备双靶标 RNA 杀虫剂（dsNPFR-AMPK/SPc 复合物）。在实验室中，该 RNA 杀虫剂对幼虫有很好的防治效果，对叶片有很高的保护作用（79%），幼虫体重显著减轻（80%）。在田间，施药后 7 天，RNA 杀虫剂对刚孵化的幼虫和三龄幼虫的防治效果高达 80-84%，高于商用抗食心虫剂氮酮。此外，RNA 杀虫剂还能显著抑制幼虫的生长发育，具有良好的应用前景。

6 研究挑战与方向

总之，本综述不仅全面分析了昆虫取食行为所涉及的信号分子和基因，而且提出了应用纳米载体设计和开发 RNA 农药的建议。一系列研究已经解决了 RNA 杀虫剂开发和生产所面临的挑战。一方面，人们设计了成本低廉、生态友好的纳米载体来提高 dsRNA 稳定性和递送效率，并将其作为有效的佐剂来提高 RNA 农药在田间的防治效果。例如，Ma等人构建了一种新型 pET28-BL21(DE3) RNase III 系统来生产 dsRNA，其 dsRNA 表达效率是广泛使用的 dsRNA 生产系统 L4440-HT115 (DE3) 的三倍。