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明星昆蟲:胚胎大勝利–蚜蟲篇

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!
 
 
 
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。
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