臭虫与椿象中高度分化的Imd样基因功能解析揭示昆虫免疫通路进化新机制

针对半翅目昆虫IMD免疫通路关键基因Imd的缺失争议，日本农业食品产业技术综合研究机构等团队通过基因组挖掘和RNAi实验，在臭虫Cimex lectularius和椿象Halyomorpha halys中鉴定出功能性的Imd样基因。研究证实这些序列高度分化的基因仍保留死亡结构域（Death domain）和三维结构保守性，并通过正选择分析揭示其与微生物共生体的进化军备竞赛，为昆虫先天免疫系统适应性进化提供了重要案例。

　　

昆虫的先天免疫系统是抵御病原体的第一道防线，其中IMD（Immune Deficiency）通路作为对抗革兰氏阴性菌的核心信号通路，长期以来被认为在昆虫中高度保守。然而近年基因组研究发现，半翅目昆虫（包括蚜虫、臭虫、椿象等）存在惊人的免疫基因丢失现象——特别是关键基因Imd的"缺失"引发学界争议。这种异常现象究竟反映真实的基因丢失，还是因序列高度分化导致的检测盲区？日本农业食品产业技术综合研究机构等团队在《Scientific Reports》发表的研究给出了颠覆性答案。

研究人员选择曾被报道"缺失"Imd基因的温带臭虫（Cimex lectularius）和茶翅蝽（Halyomorpha halys）为对象，以先前在绿椿象（Plautia stali）中鉴定的低同源性Imd基因为探针，通过基因组数据挖掘结合功能验证，揭示了这些"隐形"Imd样基因的生物学奥秘。

关键技术包括：1）基于绿椿象Imd序列的跨物种BLASTp搜索；2）RNA干扰（RNAi）敲低实验验证基因功能；3）定量RT-PCR检测抗菌肽（AMPs）表达；4）AlphaFold 2预测蛋白三维结构；5）使用BUSTED和aBSREL模型进行正选择分析。

检测到Imd样基因序列
通过改进的搜索策略，团队在臭虫（LOC106664617）和茶翅蝽（LOC106687624）基因组中鉴定出Imd样基因，其与果蝇Imd的氨基酸序列相似性仅15.8-20.1%，但具有显著的结构域保守性。特别值得注意的是，茶翅蝽的Imd样转录本（XM_067047805）虽在早期研究中被忽略，但新分析显示其在各组织中稳定表达。

RNAi验证IMD通路功能
实验设计巧妙区分了IMD与Toll通路：注射革兰阴性菌（大肠杆菌）和阳性菌（藤黄微球菌）的肽聚糖（PGN）后，臭虫中Imd样基因敲除导致三种抗菌肽（Defensin 1/2和Prolixicin 1）表达显著抑制，效果与敲除下游基因Relish相当，而Toll通路基因MyD88敲除无此效应。茶翅蝽实验同样显示Defensin表达受IMD通路特异性调控。这些结果证实Imd样基因在两类昆虫中均行使经典Imd功能。

高度序列分歧与结构保守
多重序列比对显示，半翅目Imd蛋白的N端存在显著变异，但C端死亡结构域（Death domain）保留关键残基。引人注目的是，AlphaFold 2预测的三维结构显示：尽管序列差异巨大，人类RIPK1、果蝇Imd与半翅目Imd样蛋白的折叠相似性显著（Z-score>14），特别是去除固有无序区域（intrinsically disordered regions）后结构保守性更强。

分子进化特征
aBSREL分析检测到椿象（P. himetyabane）和臭虫（C. japonicus）分支存在强烈正选择信号（ω₂
=1790-100000），BUSTED模型进一步证实死亡结构域受多样化选择驱动。这种进化模式在果蝇中未观察到，暗示半翅目Imd基因可能持续与微生物共生体进行"军备竞赛"。

通路完整性验证
除Imd外，研究还在两类昆虫中发现完整的IMD通路组分（FADD、Dredd），推翻先前关于半翅目IMD通路不完整的观点。系统发育分析显示，Imd基因的进化树与昆虫分类学一致，支持其共同起源而非趋同进化。

这项研究从根本上改变了人们对半翅目昆虫免疫系统的认知：1）揭示序列高度分化的Imd样基因可通过结构保守维持功能；2）建立基于三维结构而非序列相似性的基因识别新策略；3）为理解宿主-微生物协同进化提供典型案例。作者特别指出，蚜虫等昆虫中报道的"基因丢失"现象可能需要重新评估——这些"缺失"基因可能只是躲过了传统序列比对方法的检测。该成果不仅修正了昆虫免疫学的基础理论，也为其他物种的"假基因"功能研究提供了方法论启示。