蛻皮激素對黑化黏蟲體液免疫的影響

張乃元　張蕾　程云霞等

中圖分類號：S 433.4 文獻標識碼：A DOI：10.16688/j.zwbh. 2020225

外界微生物時刻威脅著昆蟲的存活，因此免疫系統(tǒng)在昆蟲的生長發(fā)育過程中至關重要。先天免疫系統(tǒng)是昆蟲的主要免疫系統(tǒng)，主要由細胞免疫和體液免疫組成。體液免疫中酚氧化酶（phenol oxi-dase，PO》和溶菌酶（lysozyme）是免疫關鍵酶，PO和溶菌酶活性是免疫反應的重要指標。昆蟲免疫系統(tǒng)受內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)，內(nèi)分泌激素在昆蟲的免疫反應中起重要的調(diào)節(jié)作用。昆蟲體內(nèi)主要的內(nèi)分泌激素是保幼激素（juvenile hormone，JH）和蛻皮激素（molting hormone，MH），它們在昆蟲的生長過程中不僅可以聯(lián)合調(diào)控昆蟲的變態(tài)、遷飛和繁殖，而且在昆蟲的免疫系統(tǒng)中也有非常重要的調(diào)控功能。JH是昆蟲咽側(cè)體分泌的一種生長調(diào)節(jié)劑，能夠保持幼蟲狀態(tài)、抑制蛻皮和變態(tài)，調(diào)控昆蟲生命周期中每一個重要發(fā)育階段的轉(zhuǎn)變，在昆蟲發(fā)育的臨界期高濃度JH會阻礙變態(tài)提前發(fā)生。蛻皮激素的主要成分是20羥基蛻皮酮（20-hydroxyecdys-one，20E），主要作用是激發(fā)昆蟲的蛻皮活動，調(diào)節(jié)昆蟲所有的幼蟲態(tài)、蛹以及成蟲的轉(zhuǎn)換。在針對黑腹果蠅Drosophila melanogaster的研究中發(fā)現(xiàn)，注射20E后，黑腹果蠅的細胞吞噬功能和PO活性得到了增強。棉鈴蟲Helicoverpa armigera在注射20E后，細胞吞噬功能提高，細胞免疫明顯增強。JH和MH對昆蟲細胞免疫既有正調(diào)控作用，也有負調(diào)控作用，并可通過增強或抑制PO活性來調(diào)節(jié)昆蟲體液免疫。

黏蟲是嚴重威脅我國主要糧食作物生產(chǎn)安全的重大農(nóng)業(yè)害蟲。由于近年來黏蟲在我國局部地區(qū)常常暴發(fā)，對糧食生產(chǎn)安全帶來重大威脅。暴發(fā)的黏蟲幼蟲發(fā)生黑化現(xiàn)象已成常態(tài)，其免疫能力顯著增強。但這種免疫能力是否受到內(nèi)分泌激素的影響還不清楚，關于黑化黏蟲內(nèi)分泌激素MH如何調(diào)控免疫反應未見報道。因此，本研究旨在明確黑化黏蟲6齡幼蟲被球孢白僵菌Beauveria bas-siana侵染后其內(nèi)分泌激素MH的含量變化。注射20E稀釋液后，明確被白僵菌侵染的黑化黏蟲幼蟲死亡率的變化以及體液免疫中PO和溶菌酶活性的變化，揭示黑化黏蟲體液免疫和內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機制間的關系。

1材料與方法

1.1材料

供試菌株：球孢白僵菌Beauveria bassiana菌株由中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所蔬菜害蟲組提供。使用0. 01%吐溫80溶液配制10⁵、5×10⁵、10⁶、5×10⁶、10⁷cfu/mL和10⁸cfu/mL的球孢白僵菌孢子懸浮液進行預試驗，經(jīng)SPSS-Probit回歸模型分析處理，球孢白僵菌對黑化黏蟲的LC₅₀約為10⁶cfu/mL，本試驗所有黏蟲感染球孢白僵菌的濃度均為10⁶cfu/mL。

供試昆蟲及飼養(yǎng)：供試黏蟲采集于吉林省四平市公主嶺市田間。在飼養(yǎng)瓶（直徑9 cm×高13 cm）中高密度誘導飼養(yǎng)，飼養(yǎng)密度為10頭/瓶。飼養(yǎng)方法參照郭棟、呂偉祥等室內(nèi)人工飼養(yǎng)方式，每日更換30～50cm高的玉米苗直至幼蟲停止取食。飼養(yǎng)溫度設置為（23±1）℃，濕度設置為（70±5）%，光周期設置為L∥D=14 h∥10h。

1.2球孢白僵菌和外源蛻皮激素注射方法

1.2.1黑化黏蟲幼蟲白僵菌注射方法

根據(jù)預試驗的結果，球孢白僵菌濃度10⁶cfu/mL注射后可以激活黑化黏蟲6齡幼蟲的免疫反應，且有近半數(shù)黏蟲幼蟲可以完成世代發(fā)育。將蛻皮24h內(nèi)的黑化黏蟲6齡幼蟲置于冰上冷凍麻醉15 min，幼蟲靜止后，使用微量注射器吸取10⁶cfu/ml_的球孢白僵菌孢子懸浮液1μL，注入幼蟲第3與第4腹足之間的腹部。處理對照組注射0. 01%吐溫80溶液。每個處理組30頭蟲，每個處理重復3次。幼蟲傷口閉合并且晾干后，放入裝有新鮮玉米幼苗的飼養(yǎng)瓶中繼續(xù)飼養(yǎng)。

1.2.2黑化黏蟲幼蟲20E稀釋液注射方法

取20 mg 20E加入1mL無水乙醇充分溶解混勻后，得到20μg/μL的20E母液。用無水乙醇對20μg/μL的20E母液2倍梯度稀釋，得到濃度為1. 25、2.5、5、10μg/μL的20E稀釋液并進行編號。蛻皮24h內(nèi)的黑化黏蟲6齡幼蟲注射球孢白僵菌孢子懸浮液后，立刻對其注射20E液。對照組為注射球孢白僵菌孢子懸浮液后立刻注射無水乙醇。每個處理組30頭蟲，每個處理重復3次。注射方法同1.2.1。

1.3免疫指標測定方法

1.3.1 MH含量測定方法

在注射球孢白僵菌后8、24、48、72h和96h分別取對照組（注射吐溫80）以及處理組（被白僵菌侵染）的黏蟲血淋巴樣品，每次采集3頭黏蟲，每頭幼蟲采集血淋巴約50μL，每頭黏蟲血淋巴樣品重復測試3次。使用昆蟲蛻皮激素（MH）試劑盒測定MH含量。在96孔酶標板中設空白孔、標準孔和樣品孔。標準孔中加入稀釋為10、20、40、80、160ng/L的MH標準品，樣品孔中加入待測樣品及樣品稀釋液后在預熱至37℃的水浴鍋中溫育30 min。溫育后棄去板中的液體，使用洗滌液洗板并拍干。加入酶標試劑溫育30 min并使用洗滌液洗滌拍干。加入顯色試劑在37℃的水浴鍋避光顯色15 min。避光顯色后加入終止劑終止反應，用酶標儀在450 nm波長下測定吸光度（OD），分別通過標準曲線計算樣品中的MH含量。

1.3.2被球孢白僵菌侵染的黑化黏蟲注射20E后幼蟲死亡率測定

每天觀察記錄對照組（被白僵菌侵染后僅注射無水乙醇）的黑化黏蟲6齡幼蟲，以及處理組（被白僵菌侵染后）分別注射1. 25、2.5、5、10、20 μg/μL20E稀釋液的黑化黏蟲6齡幼蟲的存活情況，統(tǒng)計幼蟲死亡數(shù)量，直至幼蟲化蛹。統(tǒng)計分析黑化黏蟲幼蟲的校正死亡率。每個處理組30頭蟲，每個處理重復3次。選取對黑化黏蟲死亡率影響最顯著的20E稀釋液進行血淋巴免疫酶活性測定試驗。

1.3.3血淋巴PO和溶菌酶活性的測定

處理組在注射球孢白僵菌孢子懸浮液后注射5μg/μL20E稀釋液。處理對照組在注射球孢白僵菌后注射無水乙醇。另設空白組不作處理以驗證注射球孢白僵菌的黑化黏蟲6齡幼蟲被侵染成功。在被白僵菌侵染后8、24、48、72 h和96 h取黏蟲血淋巴樣品，每次采集3頭黏蟲，每頭采集約50μL，每頭黏蟲血淋巴重復測試3次。使用酶聯(lián)免疫試劑盒測定溶菌酶和PO活性。試劑盒操作方法參照1.3.1。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用Excel進行統(tǒng)計，所有數(shù)據(jù)采用平均值±標準誤（mean±SE）表示，應用統(tǒng)計軟件SPSS24.0對數(shù)據(jù)進行分方差分析。用單因素方差分析（ANOVA）Tukeys HSD和獨立樣本t測驗進行差異顯著性分析。

2結果與分析

2.1白僵菌侵染對黑化黏蟲幼蟲體內(nèi)MH含量的影響

從圖1可以看出，黑化黏蟲幼蟲的MH含量隨侵染后時間的增加呈先降低再升高的趨勢，總體上呈現(xiàn)侵染組高于對照組（侵染后24h除外）。對照組（注射吐溫-80） MH含量在處理后8～72 h呈下降趨勢。在處理后96 h時MH含量顯著升高（F_4，40=25. 131，P<0. 05），達到120. 00 ng/l_。與對照組相比，注射球孢白僵菌后，在侵染初期8h時黑化黏蟲幼蟲的MH含量達到136. 96 ng/L，顯著高于對照組的95. 25 ng/L（t=-9.028，fg=16，P<0. 05），是對照組的1. 44倍。在侵染中期24 h時，MH含量低于對照組，僅為54. 54 ng/L。48h時MH含量高于對照但無顯著差異（t=-1.112，df=16，P>0. 05）。而在侵染后期72 h（t=-4.510，df=16，P<0. 05）、96h（t=-6.889，df=16，P<0. 05）時，黑化黏蟲幼蟲的MH含量顯著增加，并且顯著高于對照組。在侵染后96h時達到最大值197. 79 ng/L，是對照組的1. 65倍。

2.2注射20E對被菌侵染的黑化黏蟲死亡率的影響

由圖2可以看出，注射球孢白僵菌的黑化黏蟲幼蟲在注射不同濃度20E后，其校正死亡率有不同程度的下降。注射1. 25、2.5μg/μL和20μg/μL的20E后黑化黏蟲的校正死亡率有所降低，但與注射無水乙醇的對照組相比，差異不顯著（F_5，12=2.909，P>0.05）。注射5μg/μL和10μg/μL的20E后黑化黏蟲的校正死亡率顯著降低（F_5，12=2.909，P<0. 05），分別為19. 28%和26. 51%。供試的5個濃度中，5μg/μL的20E處理后被侵染的黑化黏蟲的死亡率顯著低于對照組（F_5，12=2.909，P<0.05）。這說明注射20E有利于黏蟲免疫能力增強。

2.3注射20E對被茵侵染的黑化黏蟲幼蟲溶菌酶活性的影響

從圖3中可以看出，空白對照組（不作處理）溶菌酶活性較低，在不同時間其活性無顯著差異（F_4，40=0. 366，P>0. 05）。對照組（被球孢白僵菌侵染后僅注射無水乙醇）被球孢白僵菌侵染后，體液免疫激活，溶菌酶活性增加。被球孢白僵菌侵染后注射20E的處理組免疫反應增強，溶菌酶活性高于對照組。注射20E的處理組的溶菌酶活性與對照組變化趨勢相同，在侵染后隨時間增加溶菌酶活性降低。對照組溶菌酶活性在被侵染后8h最高，達到最大值717. 61 U/mL，隨后溶菌酶活性開始下降，隨侵染后時間的增加，溶菌酶活性逐漸趨于穩(wěn)定。經(jīng)20E誘導的黑化黏蟲幼蟲的溶菌酶活性在8h時最高，并顯著高于其他時間（F_4，40=97. 262，P<0. 05）。被白僵菌侵染后8h（F_2，24=386. 35，P<0. 05）和24 h（F_2，24=128. 323，P<0. 05）時20E處理組溶菌酶活性顯著高于對照組，在侵染48h之后，注射20E的處理組的溶菌酶活性也逐漸回到空白組基線水平。

2.4注射20E對被菌侵染的黑化黏蟲幼蟲PO活性的影響

從圖4中可以看出，空白組PO活性較低，在不同時間無顯著差異（F_4，40=2. 885，P>0. 05）。處理對照組在注射球孢白僵菌后，球孢白僵菌激活了黑化黏蟲的體液免疫，其PO活性增加。24h時PO活性達到最大值132. 25 U/mL。隨被侵染時間的增加，其PO活性顯著降低（F_4，40-225. 340，P<0. 05）。注射球孢白僵菌后又注射20E的處理組，黑化黏蟲經(jīng)20E誘導后免疫反應增強，PO活性高于對照組。在侵染后8 h（F_2，24=250. 345，P<0. 05）、24 h（F_2，24=235. 849，P<0. 05）和48 h（F_2，24=121. 385，P<0. 05）20E處理組PO活性均顯著高于對照組，并在侵染后8h達到最大值156. 83 U/mL。

3討論

昆蟲種類繁多、形態(tài)各異，在長期的進化過程中，作為地球上數(shù)量最多、分布最廣的動物群體，逐漸形成了獨特的免疫機制。神經(jīng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)對昆蟲的免疫功能起到主要的調(diào)節(jié)作用。昆蟲體內(nèi)的蛻皮激素（MH）已被證明在發(fā)育、變態(tài)、生殖等方面具有重要作用，并且對昆蟲的先天免疫反應有重要調(diào)控作用。蛻皮激素的主要成分20羥基蛻皮酮（20E）可以激活細胞免疫和體液免疫來對抗外源入侵微生物，而外源微生物的刺激也會通過3脫氫蛻皮激素-3β-還原酶促進20E滴度升高。本試驗通過對黑化黏蟲6齡幼蟲注射球孢白僵菌來測定黑化黏蟲幼蟲體內(nèi)的MH含量，發(fā)現(xiàn)被侵染后的黑化黏蟲體內(nèi)的MH含量出現(xiàn)顯著變化。MH含量在侵染后高于對照組，侵染后8、72 h和96 h尤為明顯。其原因是被球孢白僵菌侵染后，20E可以迅速激活免疫反應來對抗外源入侵微生物。這說明MH在黑化黏蟲體液免疫反應中起到重要的調(diào)節(jié)作用。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲體液免疫可以受20E調(diào)控，酚氧化酶（PO）和溶菌酶等保護昆蟲免受傷害。酚氧化酶是昆蟲體液免疫中非常重要的免疫因子。在昆蟲表皮的硬化和黑化的過程中酚氧化酶具有重要作用。在昆蟲受到外源病原物的刺激時酚氧化酶同樣具有重要作用。酚氧化酶活性是衡量昆蟲體液免疫的重要指標之一。黑腹果蠅注射MH后，其體內(nèi)的PO活性增強。針對埃及伊蚊Aedes aegypti的研究發(fā)現(xiàn)，鑒定到的一條PO基因序列中有2個可以結合20E受體復合物EcR/USP的順式作用元件，20E的刺激能上調(diào)PO的轉(zhuǎn)錄表達。本試驗結果與上述試驗結果一致。通過對球孢白僵菌侵染后的黑化黏蟲6齡幼蟲注射20E稀釋液來測定黑化黏蟲血淋巴中的酚氧化酶活性。黑化黏蟲6齡幼蟲被球孢白僵菌侵染后，經(jīng)20E稀釋液誘導其PO活性顯著增強，幼蟲的免疫水平因外源20E誘導而提高。未經(jīng)20E稀釋液誘導的對照組黑化黏蟲幼蟲的酚氧化酶活性顯著低于經(jīng)20E稀釋液誘導的試驗組。這表明20E處理組的黑化黏蟲幼蟲的體液免疫功能明顯增強。

在昆蟲的非特異性免疫中，溶菌酶同樣是非常重要的免疫因子。溶菌酶通過昆蟲的脂肪體分泌釋放到血淋巴中。昆蟲在受到外界環(huán)境刺激時，溶菌酶的活性急劇增加。當外界的病原物進入昆蟲體內(nèi)后，病原體細胞壁會在溶菌酶的作用下破裂并使內(nèi)容物溢出，最終病原細胞破裂死亡。針對棉鈴蟲的研究發(fā)現(xiàn)，棉鈴蟲20E滴度增高，脂肪體中溶菌酶基因的轉(zhuǎn)錄表達上調(diào)。針對東亞飛蝗Lo-custa migratoria的研究發(fā)現(xiàn)，溶菌酶基因在轉(zhuǎn)錄水平上可被20E顯著上調(diào)。本試驗結果與上述試驗結果一致。本試驗通過對白僵菌侵染后的黑化黏蟲6齡幼蟲注射20E稀釋液來測定黑化黏蟲血淋巴中的溶菌酶活性。試驗中被侵染的黑化黏蟲幼蟲在注射20E稀釋液后，溶菌酶活性的變化與酚氧化酶活性的變化趨勢大致相同。這同樣表明20E對黑化黏蟲幼蟲的體液免疫功能有增強作用。

綜上所述，對黑化黏蟲內(nèi)分泌激素含量的分析表明，黑化黏蟲6齡幼蟲被球孢白僵菌侵染后，MH的分泌顯著提高。對酚氧化酶和溶菌酶活性的分析表明，在注射20E稀釋液后，黑化黏蟲幼蟲的酚氧化酶活性和溶菌酶活性顯著提高。本試驗證明，黑化黏蟲6齡幼蟲在受到外源病原微生物侵染后，蟲體通過內(nèi)分泌激素對免疫系統(tǒng)進行調(diào)控從而增強免疫反應。本文試驗結果對黑化黏蟲免疫機制和內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機制間的關系提供了一定的理論依據(jù)，對揭示黑化黏蟲、防御能力和免疫應答三者間聯(lián)系具有重要意義。