昆虫完全变态发育与其共生微生物之间的相互影响

完全变态昆虫在发育过程中要经过卵、幼虫、蛹和成虫四个阶段,它们在幼虫和成虫阶段形态构造和生活习性明显不同,这一现象被称为适应性解耦,使幼虫和成虫能够更独立地完成不同的任务,各自获得更高的效率,这对完全变态昆虫有巨大的生态和进化意义。然而这种发育方式为完全变态昆虫与微生物建立稳定的共生关系带来了巨大的挑战。它们在变态过程中身体结构的重塑、饮食习惯的改变等使微生物居住的栖息地发生彻底转变,微生物在昆虫宿主个体不同发育阶段和不同个体代际之间的垂直传递也受到了限制。为了高保真地维持稳定的共生关系,部分完全变态昆虫和共生微生物进化出多样的严格垂直传递或者规避完全变态发育的传递方式。也有部分完全变态昆虫趁此机会实现与共生微生物的关系解绑,与新的微生物建立联系,呈现出在不同生命阶段共生微生物的动态变化。此外,昆虫变态发育还直接受到共生微生物的影响,微生物能保护宿主在变态发育中最脆弱的阶段免受病原体感染,为变态发育提供必需的营养物质和促进变态发育的因子。因此,本综述将总结和深入探究昆虫完全变态发育与其共生微生物之间的相互影响。     

蜕皮激素和IIS-TORC1信号的分子互作

蜕皮激素信号主导调控昆虫的蜕皮和变态,决定昆虫的发育时间;IIS-TORC1信号整合生长因子、激素、营养和能量信号,决定昆虫的生长速率。蜕皮激素和IIS-TORC1信号之间发生3种分子互作:(1)IIS-TORC1信号促进前胸腺和卵巢合成蜕皮激素前体。(2)在蜕皮和变态期间,蜕皮激素抑制脂肪体细胞内IIS-TORC1信号、Myc的转录、细胞生长及其内分泌功能,导致脑神经分泌细胞分泌胰岛素样肽的功能减弱,从而降低昆虫全身性的IIS-TORC1信号。(3)在幼虫摄食期间,胰岛素信号抑制FOXO的转录活性,降低了蜕皮激素受体EcR的转录共激活因子DOR编码基因的转录水平,从而阻碍了蜕皮激素信号传导。蜕皮激素信号和IIS-TORC1信号协同调控发育时间和生长速率共同决定昆虫的个体大小。     

昆虫的变态发育研究

昆虫变态发育使得昆虫成为地球陆地上种类最多、数量最大、分布最广、生活环境最多样化的一群生物。变态使昆虫在其生命周期中的不同发育时期表现出完全不同的形态、结构、功能和生活习性的变化,有利于昆虫迁飞转移,扩大其求偶交配、生活和生存环境空间。昆虫变态发育的变化是长期自然环境适应、协同进化的结果,受激素、营养和基因的精确调控。本文简要介绍了昆虫变态的类型、激素调控、营养调控和基因调控方面的研究进展,以及研究昆虫变态发育的科学和应用意义。     

昆虫变态的激素与基因调控

昆虫变态是一个有趣而复杂的生物学现象,有不完全变态和完全变态。昆虫通过变态获得飞翔与生殖能力,扩大了生活范围,增强了适应能力。昆虫变态主要由咽侧体分泌的保幼激素和前胸腺分泌的蜕皮激素协同调控,众多基因参与。本文综合近几年的研究进展,重点介绍昆虫变态过程中保幼激素与蜕皮激素通过级联反应基因和microRNA调控的机制,以及保幼激素和蜕皮激素的合成调节机制。     

昆虫变态发育类型与调控机制

昆虫变态发育使得昆虫成为地球上种类最多、分布最广的动物种群。它特指末龄幼虫化蛹,或者蛹向成虫的转变过程。根据变态剧烈程度,可将昆虫变态发育简单分为增节变态、表变态、原变态、不完全变态及全变态5种类型。此外,昆虫变态发育是一个极其复杂的生物学过程,受到激素、基因、营养等多种因素的精密调控。本文简要介绍了昆虫变态发育的类型和分子调控机理方面的研究进展。     

昆虫蜕皮的分子机理及应用

昆虫蜕皮是一个由PTTH启始的、激素介导的基因序列表达和相互作用的级联反应过程。阐明昆虫蜕皮的分子机理,不仅可以解释发育生物学的科学问题,为害虫控制提供新的思路,还可以从中发现新的可资生产应用的分子。作者通过蛋白质组学方法从棉铃虫Helicoverpa armigera Hubner蜕皮幼虫鉴定到30个差异表达的蛋白质。通过抑制性消减杂交技术,从棉铃虫蜕皮幼虫、变态决定幼虫和5龄取食幼虫鉴定到100个表达序列标签(EST)。证明其中的11个EST在蜕皮或变态时差异表达。通过RT-PCR方法克隆棉铃虫激素接受子3基因,研究该基因在发育中的表达模式。用该基因构建具有绿色荧光蛋白标记和多角体蛋白的基因重组病毒(AcMNPV-GFP-HHR3-Polh)。实验结果表明,AcMNPV-GFPHHR3-Polh病毒可以通过注射或口服感染棉铃虫,导致棉铃虫幼虫非正常蜕皮、生长延缓、半数存活时间下降。该研究显示昆虫蜕皮功能基因在害虫控制中有很好的应用前景。蜕皮功能基因的表达与调控、蜕皮激素介导的信号转导通路、变态过程中组织解体和重建的分子机理、激素调控基因顺序表达的分子机理、变态起始因子、JH受体等是本领域今后的主要研究方向。     

用甘蓝螟确认导入BT毒素基因的水稻耐虫性

植物工程研究所培育导入并表达苏云金芽孢杆菌(BT)杀虫蛋白δ内毒素转基因水稻获得成功,用导入基因的第二代水稻叶确认了对水稻害虫甘蓝螟的耐虫性。摄食了重组水稻叶的甘蓝螟阻碍生长或死亡。δ内毒素可作为微生物农药BT 剂的杀虫成分。含有该编码基因的耐虫性植物,在日本开发还是首次。详细情况在10月18～20日名古屋召开的日本育种学会上发表。     

转SOD基因对烟草抗旱性和相关生理指标的影响

以近等基因系烟草(非转基因品系、转Fe-SOD基因品系和转Mn-SOD基因品系)为材料,研究了盆栽条件下转SOD基因对烟草抗旱性的影响。结果显示:外源Mn-SOD基因的导入能切实提高烟草抗旱能力,而导入的Fe-SOD基因虽能提高烟草体内的SOD活性水平,但不能提高烟草的抗旱性,说明Mn-SOD可能与烟草的抗旱性关系较大;当遭受干旱胁迫时,所导入的2种SOD基因可能在某种程度上影响了植物体内MDA、蛋白质、光合作用以及脯氨酸等的正常生理代谢;脯氨酸、MDA、蛋白质等生理指标的变化在抗旱与不抗旱品系之间并没有表现出明显的规律性,因此能否作为抗旱育种的重要指标应该通过更多的试验来确定。     

MicroRNA对不完全变态昆虫变态及生殖调控作用的研究进展

MicroRNAs(miRNAs)是一类在真核生物中由内源基因编码的小分子RNA,参与昆虫变态、生殖发育、细胞分化等多种重要生物学过程,在转录水平上发挥重要作用.在完全变态昆虫中,大量调控其变态及生殖的miRNA被广泛报道且进行了深入的研究,但miRNA调控不完全变态昆虫的变态及生殖发育的研究仍比较少,对其具体的调控机制也需要进一步阐明.为此,本文综述了近年来miRNA在调控不完全变态昆虫(以直翅目飞蝗Locusta migratoria、半翅目褐飞虱Nilaparvata lugens和蚜虫以及部分蜚蠊目昆虫为代表)的变态及生殖方面的研究进展,以期深化理解miRNA对不完全变态昆虫变态和生殖发育方面的机制,为害虫生态治理和综合防控提供科学依据.     

miRNA调控昆虫精巢干细胞自我更新相关基因的保守性分析和靶标验证

【目的】发现昆虫精巢干细胞自我更新相关基因3'UTR上的保守miRNA靶位点,为深入研究昆虫精子发生进程中的miRNA-基因调控关系提供参考。【方法】使用Blast搜索27种全变态昆虫精巢干细胞自我更新相关基因,并预测这些基因的3'UTR。使用Target Scan预测这些基因3'UTR上的miRNA靶位点。对家蚕Bombyx mori和小菜蛾Plutella xylostella的Chinmo和Imp基因包含let-7-5p靶标点的3'UTR序列进行了克隆,使用双荧光素酶报告系统对其靶标关系进行验证。【结果】在27种全变态昆虫中发现了17个精巢干细胞自我更新相关基因。利用Target Scan在这些基因的3'UTR上预测到了203个保守的miRNA靶位点。其中Zfh-1,Chinmo,Ken及Imp的3'UTR上存在大量的miRNA靶位点,但miRNA靶位点数目在不同昆虫类群中也存在很大差异。其中,Chinmo及Imp 3'UTR上的let-7-5p靶位点在昆虫中保守。分别克隆了家蚕和小菜蛾Chinmo和Imp的3'UTR,通过双荧光素酶报告系统转染239T细胞证实了let-7-5p对Chinmo和Imp两个基因的调控作用。【结论】发现在4个昆虫精巢干细胞自我更新相关基因Zfh-1,Chinmo,Ken和Imp的3'UTR上存在大量的miRNA靶标位点。其中Chinmo及Imp基因3'UTR上let-7-5p靶位点在大多数全变态昆虫中保守,双荧光素酶报告系统实验证实了家蚕和小菜蛾中let-7-5p与Chinmo和Imp存在相互作用,为进一步研究miRNA在昆虫精子发生进程中的功能提供了参考。     

昆虫抗菌肽基因工程研究进展

昆虫抗菌肽对细菌、真菌、病毒和原虫都具有杀灭作用 ,甚至对肿瘤细胞也具有杀伤作用。昆虫抗菌肽并且有独特的作用机制 ,成为众多表达系统外源导入基因的侯选对象之一 ,综述了昆虫抗菌肽的种类及其在微生物转基因工程和植物转基因工程中的进展。     

鳞翅目昆虫昼夜节律的授时机制研究进展

鳞翅目昆虫生物钟环路的核心成员,在蛋白质分子进化和相互作用网络等方面,与哺乳类,甚至与果蝇等经典模式昆虫有较大差异。总结了昼夜节律对鳞翅目昆虫孵化与进食、生长与变态、生殖与滞育、呼叫与迁徙等生理行为的影响,以及核心钟基因Cry、Per和Tim等的研究进展,分析了鳞翅目昆虫生物钟负反馈环路与哺乳动物和果蝇的差异,介绍了鳞翅目昆虫作为温度授时的生物钟负反馈环路研究和外周生物钟分子机制研究等方面的材料优势。     

保幼激素的分子作用机制

蜕皮激素(ecdysteroids, Ecd)和保幼激素(juvenile hormone, JH)是调控昆虫发育和变态的两种最为重要的昆虫激素。尽管Ecd的分子作用机制已经相当明了,但是,因为迄今为止还没有成功地鉴定出JH受体,人们对JH的分子作用机制还了解甚少。本文从三个方面较为详尽地介绍了近年来JH分子作用机制的相关研究进展：1) JH和Ecd在分子水平上相互作用, JH可以通过改变或者抑制Ecd信号来调控昆虫的发育和变态;2) JH核受体的两个候选基因为Met和USP;3) JH还可以通过膜受体和蛋白激酶C传导信号。     

昆虫蜕皮激素信号转导途径研究进展

蜕皮与变态是全变态昆虫典型的发育特征。调控昆虫蜕皮与变态的激素主要有蜕皮激素和保幼激素。目前已经阐明了蜕皮激素的核受体EcR及部分核信号转导途径,但蜕皮激素是否存在膜受体及膜信号转导途径研究很少。研究证明,蜕皮激素存在细胞质中的信号转导分子和途径,蜕皮激素通过NTF2和Ran调控EcR入核启动基因转录。蜕皮激素使细胞质中的热休克蛋白Hsc70部分入核与USP结合启动基因转录。蜕皮激素通过蛋白激酶PKC使伴侣蛋白calponin磷酸化,参与蜕皮激素信号途径的基因转录。这些研究结果说明蜕皮激素除了有核受体和核受体信号转导途径外,还存在细胞膜受体和细胞膜信号转导途径。     

苜蓿夜蛾促前胸腺激素基因的克隆与原核表达

促前胸腺激素(Prothoracicotropic hormone,PTTH)是一类重要的昆虫激素,它对昆虫生长、蜕皮、变态、滞育具有重要调控作用。以苜蓿夜蛾5龄幼虫为材料提取总RNA,利用RT-PCR和RACE技术,扩增得到苜蓿夜蛾促前胸腺激素基因的cDNA序列,该序列含有823个碱基,包括1个681个碱基的开放阅读框,编码1个含226个氨基酸的蛋白,分子量约为26.3 kD,等电点为8.51。序列分析表明,苜蓿夜蛾PTTH的氨基酸序列与其他昆虫,尤其是鳞翅目夜蛾科昆虫的PTTH高度同源。获得的基因已登录GenBank,登录号为JF731347。利用原核表达载体pET21b在大肠杆菌中成功表达了苜蓿夜蛾PTTH基因,并用Ni-NTA亲和层析柱将带His-tag的目的蛋白进行纯化。     

将水稻壳质酶基因导入烟草确认抗白粉病特性

农林水产省的农业生物资源研究所规划调整部规划科科长日比忠明和该研究所机能开发部微生物机能利用研究室西泽洋子等将从水稻分离的壳质酶基因导入烟草,烟草就获得白粉病抗性。打算明年开始封闭式温室实验。     

整合昆虫发育生物学和果蝇遗传学来研究昆虫发育与变态

成熟动物(昆虫)个体大小主要由生长持续时间和生长速度2个因素所决定。蜕皮激素和保幼激素协同调控昆虫发育变态,并决定昆虫生长持续时间;胰岛素、营养和细胞接触抑制等生长死亡信号及其传导途径控制细胞分裂、长大、分化、死亡,并最终决定昆虫的生长速度。最近研究成果表明,蜕皮激素信号和胰岛素信号相互影响,对昆虫个体大小起决定性的作用;脂肪体和营养代谢把这2条信号传导途径整合起来。科学家将会整合昆虫发育生物学和果蝇遗传学,抓住生长持续时间和生长速率2个关键因素,并以营养代谢和脂肪体为切入点来研究昆虫的发育变态。     

玉米核糖体失活蛋白基因z108在烟草原生质体中的转化及其表达

利用与根癌农杆菌共培养的方法将玉米核糖体失活蛋白基因z108及其融合基因GUS导入烟草叶肉原生质体细胞。试验结果表明,烟草叶片在含有1.0%纤维素酶和0.5%离析酶的裂解液中,以0.5M甘露醇、5000.0mg/LCaCl2为渗透压调节剂,25℃保温12-14h,可获得纯化的原生质体细胞;纯化的叶肉原生质体细胞与根癌农杆菌菌株pCam1301/91-108共培养30min,经25mg/L潮霉素筛选,转化率可达17.84%。转化体细胞经X-Gluc染色、PCR和RT-PCR检测证明玉米核糖体失活蛋白基因z108已整合到烟草原生质体细胞的核基因组中并获得表达。     

苏云金杆菌营养期杀虫蛋白的研究

营养期杀虫蛋白 (vegetativeinsecticidalproteins ,VIPs)是苏云金杆菌 (Bacillusthuringiensis,Bt)在对数生长中期分泌的一类新型杀虫毒蛋白。VIPs主要分为VIP1、VIP2和VIP3三种。VIP1和VIP2构成二元毒素 ,对鞘翅目叶甲科的昆虫具有杀虫特异性 ;而VIP3对鳞翅目昆虫具有较广谱的杀虫活性。VIP1和VIP2的杀虫作用机理还不清楚 ;VIP3通过诱发细胞凋亡 ,最终导致昆虫死亡 ,这种作用机理与Bt杀虫晶体蛋白的作用机理完全不同 ,这为筛选新的杀虫活性物质提供了新的思路。vip基因现已被应用于转基因杀虫植物的构建 ,得到高效抗虫的多价转基因玉米。此外 ,VIPs嵌合蛋白的构建、vip及其融合基因导入其它许多宿主微生物等方面的研究也具有诱人的潜在应用前景。     

植源性昆虫生长调节剂

昆虫中存在一类含量少而生理作用极为显著的活性物质,其中包括昆虫激素、昆虫信息素和昆虫毒素等。昆虫激素又称变态激素,一般包括脑激素、保幼激素和蜕皮激素等。昆虫的胚胎后发育与成熟过程是受体内这些激素控制的。若破坏激素系统的平衡,如外加过量的这种激素或对抗这种激素的物质,就会阻碍昆虫的正常生长、分化和变态的程