明星昆蟲：胚胎大勝利–蚜蟲篇
102/01/08
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張俊哲｜
臺灣大學昆蟲學系
蚜蟲（aphid）是一種身長1至10毫米的半翅目昆蟲，牠以刺吸式的口器吸取植物汁液，並且在代謝後由肛門分泌含糖的蜜露。因此， 蚜蟲有個響亮而且溫馨的外號—螞蟻的乳牛。不過，蚜蟲也被稱為「植物的蚊子」，因為牠既會吸食植物的汁液，又會藉此傳播植物病毒，和許多病媒蚊在叮咬寄主動物的同時又會傳病一樣，只是一是葷（蚊）、一是素（蚜）。
正因蚜蟲危害重要農作物甚巨，不管是牠的「身家背景」（基礎生物學）或是「犯罪紀錄」（蟲害管理）等相關研究資訊都頗為豐富，藉由網路搜尋就可輕易地取得，若我再為文描述，應可完美地達到「拾人牙慧」的境地。因此，想和大家分享「Google不到的」訊息，寫一篇有關自己和蚜蟲的互動，讓讀者明瞭蚜蟲為什麼會成為發育生物學的「模式物種」。或說得更白一點，容我分享為什麼蚜蟲會成為研究胚胎發育的「明星昆蟲」的經過。
偶然
這一切故事的起源，都要追溯至1996 年10月，也就是從我加入英國劍橋大學麥可艾肯（Michael Akam）教授的研究室說起。艾肯教授以果蠅體節發育（segmentation）基因的研究聞名全球，我也慕名就教，想要在大師的威名下取得博士學位，衣錦還鄉。不料，我竟忽略了他也是演化發育（Evolutionary and Developmental Biology, Evo-Devo）這個領域的創始人之一，對大大小小節肢動物的胚胎發育充滿熱愛，希望能找到牠們發育的共通點，以及形態多樣性的演化關係。因緣際會，我被他「循循善誘」地展開非洲沙漠飛蝗的胚胎研究，直到獲得博士學位。
當時的研究主題在於探討蝗蟲生殖細胞的形成，以及它在胚胎發育過程中的移動路徑。雖然果蠅是「超人氣」的昆蟲，各式各樣的發育事件都被研究得轟轟烈烈，但其實果蠅的許多細胞生理和發育機制都頗為特別。愈來愈多的證據顯示：大部分昆蟲的胚胎形成迥異於果蠅，因為果蠅屬於相當高度特化的昆蟲。相較於果蠅這類雙翅目的昆蟲，隸屬直翅目的蝗蟲顯得原始許多。因此，研究蝗蟲生殖細胞的發育，有助於了解昆蟲生殖細胞發育的起源。
為了達成這個目的，需要製備一個抗體，可以用來偵測蝗蟲的生殖蛋白—Vasa，以利追蹤生殖細胞的形成。原本以為在抗體做好後，便能很快地揭開蝗蟲生殖細胞形成的奧祕。熟料我的免疫染色結果始終有雜訊，花了兩年多的時間仍然無法去掉，對於生殖細胞移動路徑的解析造成相當大的困擾。當時，總覺得自己做了一個品質不佳、專一性不夠高的抗體，也懷疑自己實驗的身手不夠好，無法把抗體染色的條件調到最佳狀態。
在西元兩千年元旦的前夕，正當研究低潮持續約有兩年之久後，一個看來毫不相干的小事件，悄悄地讓曙光照進我黑暗的研究生涯中。當時，實驗室同仁大衛‧史騰（David Stern）博士剛剛有了自己的研究室，而且就在我們實驗室的隔壁。他的博士後研究內容雖然與果蠅的演化遺傳有關，但他始終無法忘情在博士班時所研究的蚜蟲，因此在自己的實驗室開張後，便捉了一些豌豆蚜蟲來飼養，準備再續前緣。
不過這回他不是研究蚜蟲的族群遺傳，而是牠的胚胎發育。在他的邀請下，來自日本東京帝大的三浦徹（Toru Miura）博士加入他的研究團隊，從事蚜蟲發育時期的胚胎形態鑑定。很巧的是，就在三浦博士抵達劍橋不久，我便逆向而飛，搭機前往日本參加發育生物學研討會，順便回台探親。在搭機前的兩天，他請我提供一點蝗蟲的Vasa抗體，試圖想用這個抗體標定蚜蟲的生殖細胞。
當時我連蚜蟲長得什麼樣子都沒看過，就一口答應他的請求；坦白說，我對於他的實驗不抱任何希望。但萬萬沒有想到，這個看似微不足道的分享，竟然讓蚜蟲成為我研究生涯的轉捩點，也是開啟蚜蟲分子胚胎學研究的關鍵時刻！
記得結束日本行後回到劍橋研究室的那天，在走廊遇到的幾位同仁，都紛紛向我道賀，恭喜我的蝗蟲Vasa抗體「美麗地染到了」（beautifully stained）蚜蟲的生殖細胞。我一放下行李，便請三浦博士讓我一睹染色的結果。我幾乎不敢相信，一個幾乎被我「死當」的抗體，竟然可以那麼專一地染到蚜蟲的生殖細胞上！
在接下來的幾天，我請三浦博士教我解剖蚜蟲。我迫不及待地要重複一次蚜蟲染色實驗，亟欲親眼目睹染色的結果，同時檢驗自己的實驗身手。我永遠記得，免疫呈色的訊號在數秒間便清晰地出現在蚜蟲的初始生殖細胞上。那些美麗的小點不但宣告了我的蝗蟲抗體「敗部復活」，讓我重拾對自己實驗能力的信心，更重要的是讓我欣賞到蚜蟲的胚胎發育有多麼的美。於是，我當下做了一個決定：有一天，當有了自己的實驗室，一定要從事蚜蟲胚胎發育的研究！
必然
很幸運地，這個夢想在西元 2003年8月在我加入臺灣大學昆蟲學系後得以實現。在過去9年期間，我的研究團隊解開了蚜蟲生殖細胞特化的機制，以及它的移動路徑，並且進一步把研究的範圍擴展至體軸的建立和其他發育基因的研究。
蚜蟲的胚胎發育相當特別，因為是以「孤雌生殖胎生」的方式繁衍後代。胚胎在卵巢中形成，而且晚期的胚胎又會懷孕，呈現「胚中有胚」的奇特現象。因此，一出生的小蚜蟲立刻變成「未婚媽媽」！相較於果蠅、家蠶、蜜蜂、擬穀盜等模式昆蟲的胚胎發育都要在卵巢發育結束，俟精卵結合後才開始進行，蚜蟲的胚胎發育既和受精脫鉤，又和卵巢發育「二位一體（二合一）」，可謂獨樹一幟。我們深信，探究蚜蟲的發育將可揭開既行孤雌生殖，又以胎生繁衍下一代的昆蟲胚胎的奧祕。
千萬不要以為有趣、感人的科學研究故事只會發生於劍橋。在蚜蟲成為發育生物學新興的模式物種過程中，我們位在台北公館蟾蜍山下的研究室不僅不缺席，而且扮演著非常關鍵的角色。
在2006到2008年間，我們成功研發可以偵測發育基因表現的技術平台—WISH（whole mount in situ hybridization；一種偵測整個胚胎基因表現的科技）。而且，在2008年夏天我的研究生和我遠赴美國的普林斯敦大學，主動參加國際蚜蟲基因體聯盟，爭取分析生殖和發育基因的機會。由於WISH技術在蚜蟲上的順利運用，以及豌豆蚜蟲的全基因體序列在2010年正式公諸於世，使得蚜蟲一躍而躋身於「新興模式昆蟲」之林。
回想當初我們在研發合用於蚜蟲的 WISH 方法時，心中只有微弱的「wish」（期許）。原因在於這個技術本身的步驟繁複，而且果蠅的方法並不太適用於蚜蟲。因此只好大膽地用斑馬魚的基因偵測方法為藍本，再加以改造和調整。
或許讀者會好奇為什麼會選擇「以斑馬魚為師」？坦白說，有兩個主要原因。其一，斑馬魚卵的大小和整個蚜蟲卵巢的尺寸相近，而且我剛好有過斑馬魚WISH的操作經驗。其二，賭一下吧！想不到我再次在顯微鏡前重溫西元2000年的悸動，只是這次在2006年、在自己的研究室、自己的國家把實驗做出來，格外令人欣慰。
另外，在遠渡重洋參加基因體分析時，我們好像拎著一只公事包的臺商出國爭取生意。我們憑藉的只有國科會不太夠用的機票和生活費補助、行前盡力分析的基因體資訊、還有臨場不卑不亢積極爭取合作機會的態度。很幸運地，我被賦予生殖基因組組長的任務，負責統籌生殖發育基因的分析。歷經兩年多的國際合作，「Made in Taiwan」再次告捷，2010 年發表於 PLoS Biology 的蚜蟲基因體主要論文期刊網頁圖案，正是來自於臺大昆蟲學系所飼養的豌豆蚜蟲。
蚜蟲的未秧歌
經過一番的努力，蚜蟲雖可稱為明星昆蟲，但是牠由「新興模式昆蟲」邁向「成熟模式昆蟲」之路仍然漫長，許多的挑戰正在前方等著我們。例如，要有效地抑制蚜蟲胚胎基因的表現絕非易事，目前文獻中所公布的效率仍有待加強。還有，蚜蟲在有性世代的產卵數量極其有限，又需要兩到三個月「過冬」才能孵化，這個「生的少，孵的慢」的特色對蚜蟲轉殖基因的研究，簡直是一大天然障礙。
不過我們相信總有一天這些困難會有所突破︰因為養在研究室裡面看似單純、溫馴、柔弱的蚜蟲，在大自然中從不對人類的糧食客氣。當糧食日益短缺，蚜蟲抗藥性的能力大幅提升，作物遭受病害益發嚴重之時，找出抑制蚜蟲發育和生殖基因表現，進而控制蚜蟲族群數量的方法，將益形迫切需要！屆時必定會激發更多優秀人才和資源投注於蚜蟲的研究與防治。我也確信在壓力、熱情、失敗、成功、淚水、歡笑的交織中，一頁又一頁感人的蚜蟲研究故事終會不斷地上演。
