近日，王进军教授团队在蚜虫翅可塑性调控机制研究领域取得新进展。研究揭示了激素依赖性miRNA级联通路汇聚于糖原磷酸化酶（glycogen phosphorylase, GP），进而调控蚜虫翅的命运决定与形态建成的分子机制。研究成果以“Hormone-dependent miRNA cascades converge on glycogen phosphorylase to regulate wing plasticity in aphids”为题，发表于国际知名学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）。
表型可塑性使生物体能够适应不断变化的环境，但环境线索如何诱导不同表型的产生尚不清楚。蚜虫是重要农业害虫，具有典型的翅可塑性。在适宜环境下，蚜虫主要产生无翅型个体，以快速繁殖扩大种群；而在高密度、寄主质量下降或环境胁迫等条件下，蚜虫则产生有翅型后代，实现扩散并定殖新寄主。因此，翅可塑性是蚜虫适应复杂环境并维持种群扩张的重要生物学基础。已有研究表明，保幼激素和胰岛素等内分泌信号以及miRNA参与调节蚜虫翅可塑性，但这些调节层之间如何在机制上相互关联尚不清楚。
两个激素调控的miRNAs共同靶向同一代谢基因AcGP
研究团队首先围绕蚜虫翅可塑性过程中的关键miRNA开展功能筛选与靶标鉴定，发现miR-305在4龄有翅若蚜到有翅成蚜阶段显著下调，而miR-317在高种群密度下显著下调，暗示二者可能参与蚜虫翅可塑性调节。进一步研究表明，miR-305和miR-317共同靶向AcGP，但二者发挥功能的发育阶段不同。miR-305和AcGP共同在4龄有翅若蚜翅芽附近组织高表达，调控翅的形态建成（图1）；而miR-317和AcGP共同在无翅成蚜头部及胚胎高表达，调控翅型分化（图2）。
图1 miR-305靶向AcGP调控翅发育过程
图2 miR-317靶向AcGP调控蚜虫翅型分化
胰岛素通过转录因子FoxD3抑制pri-miR-305的表达
研究发现，在4龄有翅若蚜到有翅成蚜阶段，胰岛素通路基因表达显著变化，胰岛素含量升高。外源施用胰岛素可诱导转录因子FoxD3表达，进而抑制pri-miR-305的转录，解除miR-305对AcGP的靶向抑制，使AcGP表达升高。干扰FoxD3表达会造成翅畸形。上述结果表明，胰岛素-FoxD3-miR-305-GP级联通路在有翅蚜翅形态建成过程中发挥重要作用，是保障有翅型个体翅正常发育的关键通路（图3）。
图3 胰岛素–miR-305–GP轴调控蚜虫翅发育
保幼激素通过核酸外切酶RRP44促进pre-miR-317的降解
在高种群密度下，蚜虫体内保幼激素水平升高。外源保幼激素处理会降低miR-317的表达，而pri-miR-317和pre-miR-317水平却显著升高。为解析这一差异的原因，团队分别检测了细胞核和细胞质中miR-317各级转录本的丰度变化。结果表明，细胞核中pre-miR-317显著升高，而细胞质中pre-miR-317显著降低。团队进一步通过RNA pull-down实验聚焦于一个能与pre-miR-317结合的核酸外切酶RRP44。最终发现，保幼激素可促进RRP44介导的细胞质pre-miR-317降解，降低成熟miR-317水平，从而解除miR-317对AcGP的抑制，使AcGP表达升高（图4）。
图4保幼激素–miR-317–GP 轴调控蚜虫翅型分化
综合以上研究结果，团队提出了一个“激素-miRNA-靶基因”协调调控蚜虫翅可塑性的模型：在翅型命运决定阶段，高密度诱导保幼激素信号升高，通过RRP44介导的pre-miR-317降解使成熟miR-317水平降低，进而上调AcGP，促进有翅型后代产生；在翅形态建成阶段，胰岛素信号通过FoxD3抑制miR-305表达，解除其对AcGP的抑制，从而保障有翅型个体翅的正常发育。因此，AcGP作为两个激素依赖性miRNA级联通路共同汇聚的代谢节点，将环境密度信号、内分泌调控、miRNA靶向调控和能量代谢连接起来，从而协调调控蚜虫扩散相关的翅可塑性（图5）。
图5 激素依赖性miRNA级联通路调控蚜虫翅可塑性的模式图
该研究系统揭示了蚜虫翅可塑性调控中的两条激素依赖性miRNA级联通路，阐明了它们如何在不同阶段共同汇聚于糖原磷酸化酶这一代谢节点，分别调控有翅型后代产生和有翅个体正常发育。研究不仅加深了对昆虫表型可塑性和激素-miRNA调控网络的认识，也为探索蚜虫扩散行为调控和绿色防控靶点提供了新的理论基础。
西南大学植物保护学院为第一完成单位，博士研究生卢金明为论文第一作者，王进军教授、豆威教授和尚峰副教授为论文共同通讯作者。法国国家农业食品与环境研究院（INRAE）Jean-Christophe Simon教授和Akiko Sugio教授、学院蒋红波教授、丁碧月高级实验师、在读博士研究生刘玉晶、谢秀成、已毕业研究生王霖参与了研究工作。该研究得到国家自然科学基金重点项目、面上项目、重庆市自然科学基金、现代农业（柑桔）产业技术体系岗位科学家经费等项目资助。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2616112123
供稿：卢金明
初审：黄垭飞
复审：牛金志
终审：蒋红波
