保幼激素在蚁后体内的多效性效应与逃避生殖-免疫能力平衡外文翻译资料

 2022-12-30 11:12

保幼激素在蚁后体内的多效性效应与逃避生殖-免疫能力平衡

作者：Tobias Pamminger, David Treanor and William O. H. Hughes

单位：School of Life Sciences, University of Sussex, Brighton BN1 9QG, UK

摘要：

普遍存在的生存和高成本的繁殖之间的权衡是制约生命史进化的最基本的因素之一。在许多动物中，促性腺激素的拮抗作用，抑制其免疫功能，从而导致了免疫平衡。许多群居昆虫的蚁后无视生殖和生存的平衡，既获得了超长的寿命，又获得了很高的繁殖能力，但它们是如何做到这一点的，我们不得而知。我们通过整合基因表达，生理学和行为的定量实验,实验显示，蚁后Lasius niger的长寿区躲过了生殖与免疫的权衡，通过解除独居昆虫生殖和免疫能力内分泌调节因子保幼激素的影响。这种调节结构的修改使蚁后能够在不提高JH滴定度和抑制免疫能力的情况下维持较高的生殖产量，从而避免了可能导致许多群居性昆虫（蚁后）寿命延长的生殖与免疫能力平衡。

关键词:

群居昆虫，免疫学，保幼激素，Lasius niger，生活史，权衡

  1. 简介

在一个广泛的分类单元[1]中，繁殖需要付出生存成本，这一基本现象被称为生殖和生存RS权衡，已经在物种内部和物种之间观察到[1,2]，并被认为在形成生活史策略[3]的进化过程中发挥了关键作用。这种交换是普遍存在的，从昆虫到哺乳动物，暗示了一种共同的潜在机制，但尽管做出了大量的努力，这种拮抗特征联系的生理学基础仍然知道的很少[2,4,5]。传统上，RS权衡是在竞争资源分配的背景下解释的，在竞争资源分配中，用于生殖的能量从躯体维持中撤出，反之亦然，导致观察到的生活史具有连续性[6]。近年来，这一解释在实验基础上受到了挑战，证明繁殖和生存可以通过实验分离[6]。由于其多效性和中枢调控功能，激素已成为调节近因水平权衡的主要候选者[5,7]。在群居昆虫中，保幼激素(JH)起着这样的核心作用，调节着与生殖和生存相关的过程[8,9]。JH在大多数成年昆虫中扮演促性腺激素的角色，刺激卵黄原蛋白(Vg)的表达，这是在卵中发现的卵黄蛋白的前体[10,11]。此外，JH在某些昆虫中作为一种有效的免疫抑制因子，调节昆虫先天免疫的主要途径[12-15]，提示由此产生的JH介导的免疫能力和生殖平衡可能是昆虫RS平衡的基础[5,7,12,16]。

与独居昆虫相比，一些群居昆虫的生殖能力不仅表现出超长的寿命，还是独居昆虫平均寿命的100倍[17-20]，而且还表现出惊人的生殖能力，某些种类昆虫每月产卵超过12万枚[21,22]。虽然寿命和繁殖取决于多种多样的群居昆虫（蚁后）的超长寿命和繁殖能力，人们认为它们可能在某种程度上逃脱了JH介导的RS交换[23]。我们假设一些群居昆虫（蚁后）通过释放促性腺激素功能相似的JH，使其在先天免疫系统中维持中心调控的抑制作用，从而避免了这种权衡。通过应用JH类似物(JHa)的甲基戊二烯对内分泌进行实验操作，我们研究了JH在长寿(28岁，蚂蚁物种Lasius niger[24]，我们整合了产卵数据(实验1)、母性行为、育雏和基因表达分析(实验2)，以获取JH在生殖过程中预期的多效性效应。我们还通过检测JH在三个关键途径(phenolox-idase,PO)和（pro-phenolox-idase，PPO)活性、抗微生物肽防御素(def)的表达、蛋白酶组织蛋白酶(cath)的表达中的调控作用，来确定JH对L.niger蜂王先天免疫系统的影响(实验3)。通过用真菌病原体Metarhizium对经JHa处理的黑曲霉蜂王进行试验，来测试先天免疫系统的内分泌抑制是否会带来健康成本。

2.材料与方法

电子补充材料（S1）中提供了完整的方法学详细信息。简而言之，2014年7月17日，在英国布莱顿苏塞克斯大学的校园内(50o52rsquo;02.8rsquo;rsquo;N0o05rsquo;09.6rsquo;rsquo;W)。新交配的L.niger蜂王在交配飞行中被收集。在这个物种中，蚁后是同步产生的，所以所有的蚁后的年龄都差不多，一旦交配，蚁后就会以循世的方式找到他们的领地。在所有实验中，蜂王被随机分配到一个治疗组。在每个实验开始时，各治疗组的头宽在所有实验中，育雏项目（实验2和3中的幼虫和蛹）或蚁后的数量（实验3）都没有差异（见结果）。在所有实验中，每天检查一次蜂王，以检测治疗之间存活率的潜在差异。我们使用甲基戊二烯（PESTANALreg;，Sigma-Aldrich），一种合成的JHa来模拟L.niger蜂王区JH滴定度的增加。在所有情况下，均在实验过程中每周5次向腹部局部注射（每次1mu;l1.1mu;g）。该剂量是根据之前在L.niger蜂王区的JH研究[24]选择的，并在剂量反应实验中被确认与生物学相关。我们发现该浓度可最大程度地提高预期的生理效果，同时最大程度地减少JHa暴露（详见电子补充材料）。在实验过程中未发现该剂量会增加死亡率，并且该剂量完全在先前的昆虫（包括群居昆虫）研究中使用的范围之内[25-29]。

3.实验1：产卵率

将六十只L.niger蜂王蜂王随机分配到三个治疗组。第一组蜂王接受JHa治疗，第二组蜂王接受1mu;l丙酮作为溶剂对照（CoA），第三组蜂王每天用移液管打扰以作为操作对照（CoH，治疗不会影响生存，见结果）。实验开始三天后，将所有蜂王/王后转移到新的玻璃试管中，并计算接下来两周内产下的卵数。

4.实验2：蜂王的产妇行为，生殖生理和免疫能力

因为无论是初步实验（T Pamminger 2014，未发表的数据），还是实验1指出丙酮和处理对照之间有任何区别，后者在随后的两个实验中删除。在实验2中，将156个蜂王随机分配给JHa或CoA组，并在三周内进行了治疗（治疗不影响生存观察结果）。为了确定治疗对活动的影响，我们在治疗14天后随机选择了35个蜂王，并记录了蜂王在两个2分钟内花费的活动时间或进行产妇行为的时间。为了确定处理对育雏的影响，我们在实验结束时从存在足够幼虫的所有菌落中收集了幼虫，并在Nanodrop 2000reg;[30]上分析了蛋白质含量。为了确定生殖能力，我们在每次治疗中记录了10个随机选择的卵泡的最远端卵母细胞的状态（卵黄卵的比例和非卵黄卵）。为了确定免疫活性，我们每个治疗组随机选择40个蜂王，用无菌玻璃毛细管（每个蜂王1-4mu;l血淋巴）从他们的胸腔收集血淋巴液，然后将这些样品以1:40的比例稀释在甲藻酸钠缓冲液中，并用15mu;l稀释的血样稀释至量化PO和PPO的水平[31]。

此外，我们随机选择每种治疗方法中选取15个蜂王，以确定中心生殖基因卵黄蛋白原和两个免疫基因防御素和组织蛋白酶的表达。使用无菌杵匀浆每个蜂王的冷冻加工剂，并使用Trizol试剂盒（ABI）提取总RNA。将提取物用DNase处理，在Nanodrop 2000reg;上测定RNA的浓度和纯度，并使用Phuson RT-PCR试剂盒（Thermo Scientific）将300ng的总RNA用于逆转录。用于卵黄蛋白原，防御素，组织蛋白酶和参考基因的所有RT-qPCR分析的引物使用Primer3和公开的序列设计延伸因子alpha;和18S，或者直接从文献中获得[32]。所有分析均使用ONESTEP分析软件在ABI OneStep qPCR仪上进行。

5.实验3-病原体挑战

为了确定处理方法对蜂王区抵抗病原体能力的影响，将72个巢（由一个蜂王区，工人和巢组成）随机分配到四个不同的处理组中。两组接受了JHa治疗，而其他两组为CoA对照组。全部接受了两个星期的治疗。两周后，将蜂王从他们的殖民地中分离出来，并分别放入含有湿棉絮的培养皿中（直径90毫米）中。用1mu;l悬浮在0.05％Triton-X（菌株KVL02-73[32,33];2.44*107分生孢子ml-1;分生孢子存活率大于92％）中的平剪分生孢子攻击蜂王区。或用1mu;l无菌0.05％Triton-X对照处理，然后每天记录死亡率21天[33,34]。这种病原体的剂量通常会杀死约25％的蜂王（见结果）。

图1.保幼激素对Lasius niger 蚁后行为和生殖性状的平均效应。（a）在实验的两周内，蜂王在不同处理组下的卵数。（b）不同处理组中蜂王区卵巢中含蛋黄(卵黄)的鸡蛋与不含蛋黄(非卵黄)的卵的比例。（c）在2分钟的观察中蜂王区活跃的时间（以秒为单位）。（d）蜂王进行母性行为的时间。（e）治疗三周后幼虫中存在的总蛋白质量。（f）实验结束时蛹蛹化的比例(作为发育速度的代表）。（e）与两个参考基因（18S和Elong1）相比，不同治疗组之间相对Vg表达的差异。在所有图中，CoAfrac14;丙酮对照，CoHfrac14;处理对照（仅在图1a中显示）和JHafrac14;少年激素类似物甲基戊二烯处理后的蜂王。处理之间的显着差异以星号表示；“n.s.”表示它们没有区别（误差线表示plusmn;s.e.）。

6.数据分析

数据是呈非正态分布的，因此我们使用非参数检验来检验治疗组之间的显著差异。我们在实验1中使用Kruskal–Wallis（KW）测试比较了用JHa，溶剂控制或处理控制处理的蜂王蛋的产卵率。在Mann-Whitney-Wilcoxon（MWW）试验中，我们在实验2中比较了用JHa处理的蜂王和溶剂控制的繁殖和免疫变量。在多重测试（KW）的情况下，我们使用成对的MWW作为实验后测试，并使用顺序Bonferroni方法校正了后续的p值。采用Breslow方法，Cox比例风险模型，用于在所有三个实验中分析蜂王生存率，其中治疗作为预测变量，蜂王寿命作为响应变量。在每次分析之前，都要测试模型假设（即比例风险）。对于两个以上的治疗组（实验1和3），我们使用成对的Tukey post hoc实验后测试进行组间比较。使用Holms方法对所得的p值进行校正，以考虑多次测试。所有分析均在R3.1.0[35]中进行。软件包“survival”[36]和软件包“multcomp”[37]用于生存分析。使用包“sciplot”[38]生成小区。

7.结果

属于不同治疗组的蜂王在大小上没有差异（所有pgt;0.11，头部总宽度为1.62plusmn;0.058 mm），实验1和实验2的治疗之间的危险率也没有差异（在所有情况下均pgt;0.075）。在实验2和3开始时，所有治疗方法的蜂王区都有相似数量的育雏者或工人（全部pgt;0.45）。

8.生殖和产妇护理

JHa处理对黑曲霉的产卵率有显著影响(n=57,KWx2=34.3,d.f.=2,0.001; figure1))与丙酮处理对照组相比，经JHa处理的蚁后产卵量更少(Bonferroni调整了lt;0.001;图1a)。此外，与对照组(n=39,W=32,plt;0.001)相比，JHa的应用增加了非卵黄卵(不含卵黄且不能成活的卵)的比例(n=39,W=32,plt;0.001);图1b)。在观察JHa应用的行为影响时，我们发现总体活动的增加(n=70,W=468.5,p=0.022，图1c)，而在母婴护理方面的投资减少(n=70,W=784,p=0.009;图1d)。此外，经过JHa处理的蚁后饲养的幼仔，其蛋白质含量均有所下降(n=54,W=620.5,plt;0.0001;图1e)和发育速度(n=50,W=537.5,plt;0.0001;图1f)。与这些明显的影响相比，基因表达分析对JHa inVgexpressioninL的调控功能提供的支持很少。黑蜂王，JHa无明显作用(n=30,W=149,p=0.137;图1g)。

图2. JH对黑蚁蚁后先天免疫系统的调节作用。(a,b)JH对均值plusmn;s.e的影响。最大

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