豌豆蚜神经肽F信号通路维持代谢稳态的分子机制及其在生物农药开发中的潜在应用

本研究针对豌豆蚜(Acyrthosiphon pisum)这一重要农作物害虫，揭示了神经肽F(NPF)与其受体(NPFR)通过高度特异的配体-受体相互作用调控代谢稳态的分子机制。研究人员通过钙报告基因检测、qRT-PCR表达分析和免疫组化等技术，发现NPFR对NPF具有高度选择性激活特性，其表达模式与发育阶段和营养状态密切相关。该研究不仅阐明了NPF信号在蚜虫"脑-肠轴"中的核心作用，还为开发靶向NPFR的选择性生物农药提供了理论依据。成果发表于《Heliyon》期刊。

　　

在昆虫世界中，豌豆蚜(Acyrthosiphon pisum)堪称"植物吸血鬼"的典型代表，这种体型微小却破坏力惊人的害虫，通过刺吸式口器专门取食植物韧皮部汁液。然而，这种看似取之不尽的食物来源实则暗藏危机——虽然富含碳水化合物，却严重缺乏某些必需氨基酸和维生素。更令人称奇的是，豌豆蚜演化出了"代孕母亲"的繁殖策略，能够根据环境变化在孤雌生殖和两性生殖间自由切换。面对如此特殊的生存挑战，这些微小生物究竟如何维持代谢平衡？其背后的分子调控机制一直是个未解之谜。

比利时鲁汶大学等单位的研究人员将目光投向了神经肽F(NPF)信号系统——这个在昆虫中高度保守的代谢调控通路。通过多学科交叉研究，团队首次全面解析了豌豆蚜NPF-NPFR系统的分子特性、时空表达模式及其在代谢调控中的作用。研究发现NPFR对NPF的激活具有高度选择性，且这种特异性反映了物种间的进化距离；NPF信号通过"脑-肠轴"协调蚜虫的生长发育和代谢适应；特别值得注意的是，胚胎和含菌细胞等特殊组织也表现出对NPF信号的响应能力。这些发现不仅丰富了昆虫生理学的理论基础，也为开发靶向NPFR的新型生物农药提供了分子靶点。相关成果发表在《Heliyon》杂志。

研究采用了以下关键技术：1)通过钙报告基因检测系统分析NPFR的配体激活特性；2)qRT-PCR技术检测npf和npfr基因在不同发育阶段和组织中的表达谱；3)免疫组织化学定位NPF肽的分布；4)代谢物测定评估NPF注射对脂质、糖原和蛋白质含量的影响；5)行为学分析系统量化NPF对运动活性的调控。实验使用实验室长期培养的单性生殖克隆LL01品系豌豆蚜，在标准条件下饲养。

【NPFR信号依赖的代谢稳态维持由高度选择性的配体-受体相互作用介导】
研究发现豌豆蚜NPFR(LOC100166824)对NPF的激活具有严格的序列特异性。通过构建CHO-WTA11细胞表达系统，证实内源性NPF能以纳摩尔级亲和力(EC₅₀
=3.595×10^-9
M)激活受体，而结构相似的sNPF、ApRYa等肽段则完全无效。跨物种比较显示，同为半翅目的吸血蝽(Rhodnius prolixus)NPF具有相当的激活效力，而鳞翅目、直翅目等远缘物种的NPF需要更高浓度才能激活受体，这种差异与进化距离呈正相关。特别值得注意的是，膜翅目蜜蜂NPF因C端基序差异完全不能激活蚜虫受体，揭示了NPF-NPFR相互作用的分子基础。

【npf和npfr mRNA表达呈现发育阶段特异性】
qRT-PCR分析揭示了npf/npfr表达与发育需求的紧密关联。在快速生长的1-2龄若虫期，npf表达达到峰值，显著高于成虫期；npfr表达也呈现相似模式，且在老龄成虫中再次升高。这种"双峰型"表达模式暗示NPF信号可能通过不同机制调控生长发育和衰老过程。免疫组化在脑中鉴定出6个NPF阳性神经元，其中4个位于昆虫神经分泌中心——脑间部，为NPF的内分泌调控功能提供了结构基础。

【组织特异性表达揭示"脑-肠轴"的核心地位】
在成虫组织中，npf选择性富集于头部，免疫染色显示其定位于6个脑神经元；而npfr则在头部和肠道高表达。不同于多数昆虫，蚜虫肠道中未检测到npf表达，但发现NPF免疫活性呈环状分布于消化道周围，可能是神经投射的残留痕迹。这种独特的分布模式提示蚜虫可能通过"脑源性NPF→肠道NPFR"的神经内分泌轴调控消化代谢。

【饥饿诱导组织特异性表达变化】
营养胁迫实验揭示了NPF系统的动态响应机制。整体水平上，饥饿显著上调npf表达(48小时达峰值)，而npfr保持稳定；但在组织层面，头部npfr延迟上调(48小时)，含菌细胞npfr则显著下调。特别引人注目的是，胚胎链中npf表达对母体饥饿产生快速响应，提示存在"胚胎-母体"代谢对话。免疫荧光强度分析显示，饥饿状态下脑NPF神经元呈现分泌活跃状态，为NPF的饥饿信号功能提供了直接证据。

【NPF调控脂质代谢稳态】
代谢干预实验表明，外源NPF注射能显著提高蚜虫体内脂质含量(24小时达峰值)，但对糖原和蛋白质水平影响不显著。这与NPF在其他昆虫中作为"促脂因子"的功能一致，可能通过促进脂肪体储存能量来应对食物短缺。行为学分析发现注射操作本身会显著增加蚜虫运动活性，但NPF处理组与对照无差异，提示NPF可能不直接调控觅食行为。

该研究首次系统阐明了豌豆蚜NPF-NPFR信号系统的分子特性和生理功能，主要得出以下结论：1)NPFR对配体的识别具有严格的序列特异性，这种特性可用于开发靶向害虫NPFR的选择性生物农药；2)NPF信号通过"脑-肠轴"协调蚜虫的生长发育和代谢适应；3)含菌细胞和胚胎等特殊组织被整合入NPF调控网络，反映了蚜虫对特殊生活方式和生殖模式的适应；4)NPF主要作为促脂因子维持能量稳态，与其他昆虫中的功能既保守又有所分化。这些发现不仅为理解昆虫代谢调控的进化提供了新视角，也为开发基于神经肽信号干扰的新型害虫防控策略奠定了理论基础。特别值得注意的是，研究揭示的NPFR激活特性差异，为设计只靶向特定害虫而不影响益虫的选择性农药分子提供了关键依据。