蟑螂又名蜚蠊，隶属于节肢动物门（Phylum Arthropoda），昆虫纲（Insecta），有翅亚纲（Pterygota），蜚蠊目（Blattaria）。远在3.5亿年前，蟑螂就已生活在地球上，是最古老的昆虫类群之一。全世界蟑螂被记录的有5 000余种，其中我国有253种，室内常见种有美洲大蠊（Periplaneta americana）、德国小蠊（Blattella germanica）和黑胸大蠊（P. fuliginosa）等，一般分布于广东、广西、福建、云南、四川等省（自治区）^[1]。蟑螂是世界上公认的病媒生物，它不仅摄取食物、损害衣物，而且携带和传播大量病原体，可引发霍乱、炭疽、结核等传染性疾病；其排泄物和脱落的表皮也是重要的过敏原，引起咳嗽、哮喘、湿疹、皮疹等过敏反应，严重影响人类的生活质量，威胁人类的身体健康^[1-3]。蟑螂因其特有的超强的环境适应力而素有“小强”之称。化学灭蟑药的使用导致蟑螂抗药性增加，使得蟑螂的防治不尽如人意。针对蟑螂生物学特性亟待精确而深入的分子生物学解析。因此，本文将从食性解毒及共生微生物的利用、天然免疫、生长繁殖及断肢再生4个方面进行概括总结，从分子水平揭示其为“小强”的科学奥秘。

1 发达的取食系统和解毒能力 1.1 食性广泛

蟑螂属杂食性昆虫，取食腐败的有机质、人类的餐厨及生活垃圾、甚至工业垃圾，但它最喜含糖食品，甚至还取食蜕皮、卵荚。其食性杂的生物学特性取决于其发达的味觉信号感知力和解毒能力。昆虫应对寄主植物等环境因子需要识别化学感受信号的特异性受体：嗅觉受体（olfactory receptors，ORs）、味觉受体（gustatory receptors，GRs）以及离子型受体（ionotropic receptors，IRs）^[4-7]。目前在黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中发现有62种ORs，冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）中79个，埃及伊蚊（Aedes aegypti）中131个，意大利蜜蜂（Apis mellifera）中ORs扩张至170个^[8-10]。本实验室从美洲大蠊基因组中鉴定出离子型受体序列640条，嗅觉受体154条，味觉受体522条，其中329条序列出现在苦味受体的分支上，是目前为止在昆虫中找到数量最多的味觉受体家族^[11]。此外，美洲大蠊嗅觉受体包含传统型受体ORs与高度保守的非典型受体（olfactory receptor corecepto，Orco）。Orco不直接识别气味，而是作为共受体与ORs共同形成异源配体门控制离子通道，敲除或干扰Orco基因均会干扰昆虫对种内信息素和寄主挥发物的识别^[12]。因此，扩张的化学信号感受受体使得美洲大蠊可以更好地识别和感受各种食物因子，科学地解释了其杂食性的环境适应性及对药剂产生逃避和拒食等行为的内在分子机制。

1.2 共生微生物的利用

蟑螂是一种杂食性昆虫，主要以含氮量低的腐朽植物为食，鲜以含氮量高的腐朽动物为食^[13]，但蟑螂体内从不缺乏细胞代谢所需的氮源，因为它体内共生微生物可以重新利用含氮废物合成氨基酸等营养物质。蟑螂脂肪体中含有3种细胞：传统的脂肪细胞、尿酸盐细胞和含菌细胞^[14]。蟑螂将含氮排泄物以尿酸盐颗粒的形式储存于脂肪体中的尿盐细胞中，围绕在含菌细胞周围，随后含菌细胞中的内共生菌（杆状体属，一种拟杆菌）将尿酸盐颗粒中的氮源进行再利用，从而合成多种氨基酸^[15-16]，以备摄食氮源不足的情况。美洲大蠊和德国小蠊的拟杆菌基因组测序显示，该拟杆菌具有合成多种氨基酸和其他小分子化合物的酶类，进一步证明蟑螂脂肪体中的内共生菌具有合成氨基酸等营养物质的功能^[17-18]。

1.3 解毒系统发达

昆虫的解毒系统存在众多的氧化还原酶和转运蛋白等解毒酶，可协同抵抗各种各样的有毒物质或杀虫剂，因而产生抗药性。美洲大蠊基因组信息揭示，其中存在178个细胞色素氧化酶（P450）蛋白家族、90个羧酸酯酶（carboxyl/choline esterases）、39个谷胱甘肽转移酶（glutathione transferase）以及115个腺嘌呤核苷三磷酸结合盒式转运蛋白（ATP-binding cassette transporters，ABC transporters）。P450基因的扩张极大地提升了蟑螂抵抗有毒物质的能力，乃至在极端条件下的生存能力^{[11, 19]}。

2 高效的天然免疫系统

众所周知，蟑螂能与其生活环境中大量病原体接触而不感染，这与蟑螂超强高效的天然免疫系统密切相关。天然免疫主要发生在体壁、中肠和血腔，由细胞免疫和体液免疫协同吞噬和清除外源入侵物。细胞免疫是血细胞参与的吞噬和包囊等反应，体液免疫则通过体液中的多酚氧化酶和抗菌肽等蛋白对病原物起免疫作用，包括能诱导抗微生物肽产生的Toll信号通路和免疫缺陷信号通路（immune deficiency，Imd）以及由多酚氧化酶（prophenoloxidase，ProPO）等一系列酶参与的凝结和黑化反应通路。蟑螂的先天免疫应答主要依靠Toll、Imd和Janus激酶-信号转导与转录激活因子（janus kinase-signal transducer and activator of transcription，JAK/STAT）3个先天免疫信号通路。革兰阴性菌或阳性菌（真菌）分别激活蟑螂Imd、Toll信号通路，随之免疫细胞会合成抗菌肽并分泌到血淋巴^[20-22]。本实验室在美洲大蠊中鉴定出了几十种对大肠埃希菌（革兰阴性菌）、金黄色葡萄球菌（革兰阳性菌）和白色念珠菌（真菌）都具有很强的杀灭能力的抗菌肽，如防御素（defensins）、类白蚁抗菌肽（termicins）、类果蝇抗菌肽（drosomycin）、富含脯氨酸肽（Prp，Pro-rich peptides）以及抗真菌肽（Anti-fungus peptide，AFP）等11个抗菌肽^[11]。同时发现大量免疫相关基因参与Toll、Imd和JAK/STAT多种先天免疫信号通路。与饲养环境干净的果蝇相比，蟑螂不但存在保守的免疫基因、微生物的模式识别、免疫信号传导和抗菌肽基因表达调控机制，还存在大量因环境恶劣导致的免疫基因的扩增和进化，尤其是识别外源病菌的肽聚糖识别蛋白（peptidoglycan recognition proteins，PGRPs）和模式识别蛋白的数目显著增多。革兰阴性菌识别蛋白（Gram-negative binding protein，GNBP）是重要的模式识别蛋白，主要作用于病原体的识别并激活Toll通路。美洲大蠊的12个类GNBP1和2个类GNBP3远超过内华达白蚁的6个，14个Toll蛋白超过果蝇9个。这些经典的免疫信号通路和抗菌肽在美洲大蠊中能有效抵御外界病原体，是其高效天然免疫能力的有力证据^[11]。

3 惊人的生长繁殖能力 3.1 生长发育可塑性

为了更好地适应环境，昆虫在长期的进化中拥有一定的可塑性，而昆虫应对环境胁迫的机制则因种而异。如果蝇末龄幼虫中的临界体质量（critical weight）可以响应营养和变态。临界体质量之前饥饿，果蝇的发育延迟或死亡，临界体质量之后饥饿则变态提前^[23]；而鳞翅目烟草天蛾Manduca中，临界体质量之前饥饿与果蝇类似，临界体质量之后饥饿则不影响变态^[24]；而对于没有临界体质量的黄粉虫（Tenebrio molitor）和赤拟谷盗（Tribolium confusum），它们可以通过改变龄期数，只要身体达到一定的大小就可以变态，如果饥饿胁迫则导致超龄若虫响应饥饿的胁迫^[25-26]。超强的发育可塑性是蟑螂得以在复杂环境下生存的重要原因。蟑螂在只有水的情况下可存活2个多月。美洲大蠊在羽化前需要经历6~14次蜕皮，寿命高达700 d。当体质量达到一定值，便可引起变态。食物匮乏时，与甲虫类似，末龄饥饿会延长发育时间。美洲大蠊倒数第4个龄期就已具备变态能力，与美洲大蠊应对各种环境胁迫因子密切相关。蟑螂的生长发育受蜕皮激素、保幼激素及营养信号的协同调控。本课题组在美洲大蠊基因组中发现大量蜕皮激素、保幼激素、胰岛素、几丁质合成代谢、腺苷酸激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）以及雷帕霉素靶标激酶（target of rapamycin，TOR）信号通路等参与调控昆虫生长发育的基因^[27-28]。保幼激素合成与代谢通路里的2个重要因子（Jhamt、Jhe）以及类胰岛素多肽的基因数都有明显的扩张^[11]。这说明美洲大蠊较强的发育可塑性有助于其应对各种环境胁迫因子。

3.2 精妙的两性求偶和交配

蟑螂是绝佳的化学通讯高手，其中主导求偶交配行为的性信息素是两性通讯的生化基础。根据挥发性质，通常将性信息素分为挥发性信息素和接触性信息素。德国小蠊是重要的室内害虫之一^[29-30]，也是为数不多性行为特征鲜明、性信息素组分明确的物种之一。其求偶交配行为包括4个必不可少的阶段：雌雄虫聚在一起、雄虫触角接触性识别、雄虫举翅和雌虫取食雄虫背腺分泌物。具体来讲，性成熟的雌雄个体通过雌虫产生的挥发性性信息素由远距离吸引到一起，然后雄虫通过触角对雌虫进行有效识别后旋转180°并迅速举起翅膀，暴露出腹部第7、8背板的特殊腺体，雌虫随后爬上雄虫背板取食其腺体分泌物并调整合适姿势与雄虫进行交配。在上述过程中，挥发性信息素和接触性信息素精确分工、各司其职，前者主要吸引雄虫远距离定向，后者激发和诱导雄虫近距离求偶和两性交配，二者协同作用，缺一不可，从而保证了德国小蠊精妙的两性通讯过程和高效的求偶交配行为。

德国小蠊挥发性信息素为单一成分龙胆醌异戊酸（又称小蠊醌），由腹部末端背板下的特殊腺体合成分泌。挥发性信息素并不能诱导或激发近距离雄虫的举翅行为。截至目前，已在德国小蠊体表提取物中鉴定出可独立诱导雄虫求偶行为的6种结构相似的长链脂肪族化合物，具有相同的3，11-二甲基碳骨架，可简单分为甲基酮类、醇类和醛类性信息素^[31-32]。截至到目前，未见已发表的参与德国小蠊接触性性信息素合成途径的基因。

美洲大蠊性信息素periplanone-A和periplanone-B（PA/PB）于1974年即被鉴定出来，其在雌虫肠道产生且存留于粪便之中^[33]；雌虫在性成熟后通过释放该性信息素吸引较远距离的雄虫前来交配，雄虫在接收到性信息素后则通常表现出极度兴奋、振翅和行动迅速等行为特征。在此过程中，雄性美洲大蠊通过位于触角上的锥形感器接收性信息素PB^[34]。

3.3 惊人的繁殖力

蟑螂具有极强的繁殖能力：产卵量多且卵历期短。其中美洲大蠊性成熟的雌性成虫平均每周产1枚卵鞘（一生可产30~60枚），每枚卵鞘中含卵14~16粒，在温度28~30 ℃条件下，32~38 d即可孵化。美洲大蠊雌虫除了两性生殖外，还可进行孤雌生殖；而德国小蠊严格营两性生殖。德国小蠊雌虫只需1次交配即可多次受精，在实验室27 C条件下，德国小蠊雌虫在羽化后5~6 d达到交配高峰期，第9天卵荚形成，卵荚随母体携带20 d左右孵化，每粒卵荚孵出约40只若虫，尽管未经交配的雌虫可产生结构不完整的卵荚，但卵荚通常在数天后从母体脱落且不能正常孵化出若虫。

3.4 特异的卵鞘

卵鞘是蜚蠊目昆虫重要的生殖策略。卵鞘对种群的生存、适应乃至繁盛至关重要。对于绝大部分蟑螂来说，它们的生命周期中都要经历一个特殊的阶段——胚胎发育，在这一时期，卵鞘几乎是卵的唯一屏障，它不仅为胚胎提供水分、氧气，还有抵御外界伤害的机械保护作用，可防止水分及药剂进入等，对幼虫的孵化至关重要^[35-37]。

4 强大的断肢再生能力

再生，指的是生物个体的部分肌体在失去或损坏后，全部或者部分重新生成的现象。再生以损伤或失去部位方式的不同，可以分为生理性再生和病理性再生，其中生理性再生发生在正常的生命活动过程中，包括脊椎动物中毛发、羽毛和鹿角的替换及节肢动物生长成熟过程中的蜕皮；而病理性再生则是指意外或者实验损伤后的再生。除了我们熟知的涡虫、植物、斑马鱼、小鼠和人类组织存在再生，节肢动物的昆虫也存在不同程度的附肢再生能力，且再生能力在不同物种间差异较大^[38-39]。蟑螂有着强大的组织再生能力，该能力作为一种应对恶劣环境的生存技能，对其种群环境适应性有着重要的生物学和生态学意义。蟑螂的再生部位包括足和触角等，肢体缺失后经历一次蜕皮可再生出与原肢体形态和功能相近的再生组织或器官^[11]。蟑螂的足部再生能力较强，将足的不同组织部位（转节、腿节、胫节和跗节）做截肢处理，蜕皮后都可实现高效再生。研究发现蟑螂的足部再生受到多种经典信号通路如Decapentaplegic（Dpp）、Wingless（Wg）、Hedgehog（Hh）以及Notch（N）的影响，阻断这些信号通路也将阻碍蟑螂的足部再生过程^[11]。综上所述，强大的肢体再生能力使得蟑螂在面对极端恶劣环境时依然有着顽强的生命力，使其被称为“小强”。

5 展望

蟑螂作为一种世界性的卫生害虫，携带大量病毒、细菌和寄生虫，其繁殖能力强，分布范围广。尤其在广东省及华南地区，蟑螂甚至超越鼠、蝇和蚊虫，严重影响人们的日常生活，威胁人们的身体健康。化学灭蟑药的使用导致蟑螂的抗药性不断增强，加大了防治难度，提高了防治成本。为减少和有效使用农药防治蟑螂，必须创制新的绿色、安全、低毒和专一的卫生杀虫剂，采取新的防治策略和方法。本团队利用基因组学结合生化实验从分子水平解析了蟑螂食性解毒、天然免疫、生长繁殖、求偶交配、断肢再生及共生微生物6个方面的生物学特性^[11]，这些研究成果不仅可以解释“蟑螂为小强”的科学奥秘，也必将推动害虫防治领域的发展。

利益冲突  无