遗传控制技术在实蝇类害虫中的研究进展

实蝇类害虫严重危害多种水果和蔬菜,是世界果蔬产业最重要的害虫类群之一,严重影响了发生地的果蔬生产和出口贸易活动。昆虫不育技术(SIT)是一种物种特异和环境友好型防治措施,在多种实蝇类害虫的防治、阻截和根除中起到了不可替代的重要作用。通过分子生物学技术对昆虫的基因组进行遗传修饰,可对SIT进行改进,提高其防控效果并扩大应用的物种范围,近年来相关方面的研究已取得重要进展,成为害虫遗传控制的研究热点。本文阐述了通过受四环素调控的tet-off基因表达系统来实现昆虫"不育"的基本原理和在果蝇及其他几种主要实蝇类害虫中建立的不同类型的遗传控制体系,以及类似体系在其他农业昆虫中的应用情况。简要介绍了在橘小实蝇遗传控制技术体系构建方面的工作进展,并对该技术的在害虫综合治理(IPM)尤其是实蝇类害虫防治中的应用前景进行了讨论和展望。     

害虫遗传不育技术中致死基因的研究与应用

基于遗传修饰手段的昆虫不育技术(SIT)作为一类物种特异、环境友好、科学高效的新兴策略,在害虫防治中具有广阔的应用前景。释放携带显性致死基因昆虫的技术(RIDL)是改进传统SIT的重要手段之一,主要包括四环素调控系统、特异性启动子、性别特异剪接系统和特异性致死基因等重要元件,其中根据不同昆虫的特点选择合适的特异性致死基因对于构建遗传不育品系至关重要。这些致死基因或受到阻遏调控系统的控制、或特异的在雌虫中表达、亦或直接作用于X染色体,导致后代在特定发育阶段或特定性别中条件致死。本文综述了RHG家族(reapr、hid、grim、michelob_x)细胞凋亡基因、转录激活因子t TA及Nipp1Dm、归巢内切酶基因等在害虫遗传不育技术中的研究和应用,讨论了特定致死基因的效应机理和应用特点,并对其可能的发展方向进行了展望。由于不同效应基因的致死作用和调控机理尚未完全明晰,因此深入研究特异致死基因的凋亡机制和在不同物种中的兼容作用,将为害虫遗传防控提供更多的研究思路和手段。     

害虫遗传防治的研究历史与现状

作为防治或根除重大害虫最为有效的手段之一,害虫遗传防治在世界范围内被广泛采用并取得了巨大成功。本文综述了不育昆虫技术、雌性致死系统和昆虫显性致死技术等经典害虫遗传防治策略的发展历史、技术特点和应用情况。近年来,许多新的分子生物手段被不断提出并整合到害虫遗传防治策略中,包括归巢核酸内切酶基因、锌指核酸酶、转录激活因子样效应因子核酸酶、CRISPR/Cas9系统、Medea元件、Killer-Rescue系统、Wolbachia-细胞质不亲和性系统等。基于这些新的工具手段,许多国家已经在不同程度上启动了下一代害虫遗传防治项目。而我国在该领域的研究相对薄弱,需要在借鉴国外成功经验的同时,进一步加强害虫遗传防治的基础和应用研究,从而实现本地有害生物的可持续治理和外来入侵生物的有效狙击,确保我国未来的粮食和生态安全。     

昆虫种群的遗传调控

昆虫种群的遗传调控是利用昆虫自身生长发育的关键基因,采用性别控制开关,通过遗传转化使雄虫成为携带导致后代雌虫发育异常或雌性不育的遗传控制复合体（性别开关元件和靶标基因的复合体）．昆虫种群遗传调控是一种基于不育技术的昆虫种群控制系统,具有种类特异、环境友好和便捷高效等特点．目前为止,已经由早期的通过辐射不育方法发展到释放携带显性致死基因昆虫的方法,并在多种昆虫中获得成功．本文综述了昆虫种群遗传调控的发展历程,介绍了昆虫种群遗传调控相关的理论与方法,包括特异的调控元件、致死或缺陷基因和遗传转化体系的应用,并列举了几种昆虫种群遗传调控的实例,最后对于昆虫种群遗传调控系统中存在的问题以及可能的发展方向进行了展望．     

遗传不育技术在蚊媒疾病防控中的应用

疟疾、登革热等重大传染性蚊媒疾病严重危害人类健康,且目前缺乏有效的药物和疫苗,防治埃及伊蚊、冈比亚按蚊等媒介昆虫是控制和消除这些疾病的有效手段。化学杀虫剂的大规模使用在一定程度上控制了疾病的传播,但其抗药性和环境污染等问题也随之而来。分子生物学的飞速发展为昆虫不育技术(SIT)的更新及害虫防治提供了新的策略,由此发展起来的以释放携带显性致死基因昆虫(RIDL)为代表的一系列遗传不育技术为蚊虫种群防控提供了更加有效的选择。本文概述了遗传技术在蚊虫防控中的应用进展,包括蚊虫遗传防治的历史和策略,阐述了RIDL技术体系的原理,同时介绍了相关遗传控制品系和已经开展的田间释放研究,展示了遗传修饰不育技术在蚊媒疾病防治中的巨大潜力。     

昆虫遗传转化品系的常用标记

遗传转化标记是将遗传修饰昆虫从野生型种群中分辨出来的根据,遗传转化昆虫的鉴定、转化品系的维持及其遗传稳定性的监测都依赖于可靠的标记系统,发展易于应用和监测的转化标记能够极大地促进害虫遗传防治的相关研究。用于遗传修饰昆虫的转化标记主要有昆虫眼睛颜色标记基因、抗药性标记基因和荧光蛋白标记基因等。非果蝇类昆虫首个遗传转化品系的鉴定是通过眼睛颜色突变而实现,但大多数昆虫物种没有可用的突变体或缺少相应基因的信息,从而限制了眼睛颜色标记的应用。抗药性基因标记虽然能够通过对转化昆虫进行集体选择而大幅度提高筛选转化体的效率,但由于其鉴定的准确性不高且存在安全性问题,未得到广泛应用。荧光蛋白标记基因的发展则显著拓宽了能够转化的昆虫种类。从水母分离的绿色荧光蛋白(GFP)经突变方法获得了多种不同荧光性质的突变体,经人为修饰后与适宜的强启动子构成转化标记载体,能够有效鉴定更多昆虫物种的遗传转化个体,其中应用较多的是增强型绿色荧光蛋白(EGFP)。此外,从珊瑚属海葵中分离得到的红色DsRed标记基因提供了多样化的红色荧光蛋白选择,在某些生物中DsRed与GFP联合应用的表现明显优于GFP突变体,所以其应用前景也非常广泛。本文着重从眼睛颜色、抗药性和荧光蛋白等3个方面阐述了标记基因的发展历史与现状,并对其今后的发展方向进行了展望。     

苹果蠹蛾的综合防控和遗传控制研究进展

苹果蠹蛾是仁果类水果的重要检疫害虫,在世界各地造成了巨大的经济损失。目前对其化学防治、化学生态调控、病毒等防治方法研究较多,但仍不能满足防控该害虫的需要,对新型防控技术的需求日益增强。不育昆虫释放技术(SIT)是一种可控制甚至根除靶标害虫的环境友好型防控技术,但传统SIT技术存在一定的局限性,如较难区分性别与筛选雌雄虫、辐射不育昆虫的交配竞争力和适合度降低等问题,这些缺陷随着昆虫遗传修饰技术的发展将得以解决,并将在害虫防控进程中起到积极作用。本文综述了苹果蠹蛾主要防控技术研究现状,介绍了通过遗传修饰技术改善SIT的技术策略,并综合分析了我国开展苹果蠹蛾遗传修饰研究情况和将其应用在苹果蠹蛾防控体系中的可行性及优势。     

害虫基因防治新方向:转基因昆虫的研究

利用转基因昆虫防治害虫是害虫基因防治方法之一,它是用遗传工程方法,体外连接昆虫转座子、对昆虫有害基因和启动子,构建一个复合转座子（transposonswitharmedcassettes,TAC）在昆虫转座子的引导下,TAC插入昆虫基因组,形成转基因昆虫。转基因昆虫与野生型昆虫交配,TAC随着昆虫转座子的自然扩散传递到子代,并在后代中迅速扩散,经过几个世代,TAC扩散到靶昆虫种群的所有个体。TAC中的对昆虫有害基因在启动子的调控下表达,使害虫种群“自毁”。近年来,随着分子遗传学和基因工程研究的迅速发展,利用转基因昆虫防治害虫成为害…     

基因工程改良在昆虫病原真菌中的应用

昆虫病原真菌是自然界控制害虫种群的主要生物因子,其研究开发越来越受到重视。但由于存在致死速度慢、防效不稳定、对环境条件要求高等缺点,限制了昆虫病原真菌的应用。近年来,通过基因工程技术对昆虫病原真菌进行遗传改造,提高菌株的致病性和毒力,创造高效、稳定的工程菌株取得了较大进展。对昆虫病原真菌选择标记、遗传转化方法、基因工程改良及应用等方面最新研究进展进行了综述。     

不同启动子调控外源基因在斑玉蕈中的表达分析

启动子是控制基因转录的重要顺式元件,也是遗传转化实验中驱动外源基因表达的重要工具。在同一真菌中,不同启动子驱动外源基因表达水平可能存在明显差异。因此,选择合适的启动子是提高外源基因表达水平的关键。本研究分别应用花椰菜病毒35S RNA（cauliflower mosaic virus 35S RNA,CaMV35S）和斑玉蕈甘油醛-3-磷酸脱氢酶（Hypsizygus marmoreus glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,HmGPD）基因的启动子构建了两个遗传转化质粒,在斑玉蕈中分别驱动外源的植物花青素合成基因表达,并利用来自刺芹侧耳的萎锈灵抗性基因进行转基因筛选。两个质粒通过农杆菌介导转化斑玉蕈单核菌株后,对具有萎锈灵抗性的转化子经PCR方法进行转基因验证,并运用实时荧光定量PCR对阳性转化子中外源基因的表达水平进行比较分析。结果表明,CaMV35S和HmGPD基因的启动子均成功驱动了植物花青素合成基因在斑玉蕈中转录,为增强基因表达而引入的内含子在转录过程中均被正确切割。其中,HmGPD启动子驱动外源基因表达水平比CaMV35S启动子驱动外源基因表达水平强22-36倍。     

昆虫基因启动子及细胞色素P450基因启动子研究进展

细胞色素P450是一类重要的解毒酶系。昆虫在各种内源或外源性有毒物质的胁迫下,通过调控体内细胞色素P450的过表达,对有毒化合物进行解毒代谢,从而适应不利环境。在昆虫体内,P450基因表达的调控主要发生在转录水平上,启动子作为基因的一部分,能够与RNA聚合酶结合形成转录起始复合体,进而控制基因表达的起始时间和表达程度。基于此,就昆虫启动子的分析及功能验证的主要方法、昆虫启动子的结构特征及昆虫细胞色素P450基因启动予的一些研究进展进行概述,以期为昆虫细胞色素P450基因启动子的深入研究提供借鉴。     

韧皮部特异性启动子研究概述

韧皮部特异性启动子可驱动其下游基因在植物的韧皮部特异性表达,通过将几种韧皮部特异性启动子的序列进行比较,发现这类启动子在结构上存在可能与组织特异性有关的保守基序。对这类启动子的结构与功能的研究将有助于提高人们对植物维管组织分化及有机物质运输机制的了解,而且也会为植物抗病虫基因工程的研究提供有应用价值的启动子元件。就韧皮部特异性启动子的结构特点、分类及应用进行了概述。     

Genetics‐based methods for agricultural insect pest management

相似文献   

Genetic control of Plutella xylostella in omics era

Diamondback moth, Plutella xylostella (L.), is a specialist pest on cruciferous crops of economic importance. The large‐scale use of chemical insecticides for the control of this insect pest has caused a number of challenges to agro‐ecosystems. With the advent of the omics era, genetic pest management strategies are becoming increasingly feasible and show a powerful potential for pest control. Here, we review strategies for using transgenic plants and sterile insect techniques for genetic pest management and introduce the major advances in the control of P. xylostella using a female‐specific RIDL (release of insects carrying a dominant lethal gene) strategy. Further, the advantages of gene drive developed in combination with sex determination and CRISPR/Cas9 systems are addressed, and the corresponding prospects and implementation issues are discussed. It is predictable that under the policy and regulation of professional committees, the genetic pest control strategy, especially for gene drive, will open a new avenue to sustainable pest management not only for P. xylostella but also for other insect pests.     

植物组织特异性启动子研究

组织特异性启动子可以调控基因在某些特定的器官或组织部位中表达。通过对植物组织特异性启动子进行分类和比较,概述了植物组织特异性启动子的结构特点、功能及研究进展。     

Towards the genetic control of insect vectors: An overview

Insects are responsible for the transmission of major infectious diseases. Recent advances in insect genomics and transformation technology provide new strategies for the control of insect borne pathogen transmission and insect pest management. One such strategy is the genetic modification of insects with genes that block pathogen development. Another is to suppress insect populations by releasing either sterile males or males carrying female‐specific dominant lethal genes into the environment. Although significant progress has been made in the laboratory, further research is needed to extend these approaches to the field. These insect control strategies offer several advantages over conventional insecticide‐based strategies. However, the release of genetically modified insects into the environment should proceed with great caution, after ensuring its safety, and acceptance by the target populations.     

Transgenic analysis of sugar beet xyloglucan endo-transglucosylase/hydrolase Bv-XTH1 and Bv-XTH2 promoters reveals overlapping tissue-specific and wound-inducible expression profiles

The identification and analysis of tissue-specific gene regulatory elements will improve our knowledge of the molecular mechanisms that control the growth and development of different plant tissues and offer potentially useful tools for the genetic engineering of plants. A polymerase chain reaction (PCR)-based 5'-genome walk from sequences of an isolated sugar beet xyloglucan endo-transglucosylase hydrolase (XTH) gene led to the isolation of two independent upstream fragments. They were 1332 and 2163 base pairs upstream of the XTH ATG start site, respectively. In vivo transgenic assays in sugar beet hairy roots and Arabidopsis thaliana revealed that both fragments had promoter function and, in A. thaliana, directed expression in vascular tissues within the root, leaves and petals. Promoter activity was also observed in the leaf trichomes and within rapidly expanding stem internodes. Expression driven by both promoters was found to be wound inducible. Overall, the spatial and temporal expression pattern of these promoters suggested that the corresponding Bv-XTH genes (designated Bv-XTH1 and Bv-XTH2) may be involved in secondary cell wall formation. This work provides new insights on molecular mechanisms that could be exploited for the genetic engineering of sugar beet crops.     

Modeling resistance to genetic control of insects

The sterile insect technique is an area-wide pest control method that reduces pest populations by releasing mass-reared sterile insects which compete for mates with wild insects. Modern molecular tools have created possibilities for improving and extending the sterile insect technique. As with any new insect control method, questions arise about potential resistance. Genetic RIDL^®1 (Release of Insects carrying a Dominant Lethal) technology is a proposed modification of the technique, releasing insects that are homozygous for a repressible dominant lethal genetic construct rather than being sterilized by irradiation. Hypothetical resistance to the lethal mechanism is a potential threat to RIDL strategies' effectiveness. Using population genetic and population dynamic models, we assess the circumstances under which monogenic biochemically based resistance could have a significant impact on the effectiveness of releases for population control. We assume that released insects would be homozygous susceptible to the lethal genetic construct and therefore releases would have a built-in element of resistance dilution. We find that this effect could prevent or limit the spread of resistance to RIDL constructs; the outcomes are subject to competing selective forces deriving from the fitness properties of resistance and the release ratio. Resistance that is spreading and capable of having a significant detrimental impact on population reduction is identifiable, signaling in advance a need for mitigating action.