棉铃虫蜕皮时期同工酶表达模式

同工酶广泛存在于不同种属生物的组织细胞中,在生物发育的不同阶段有着特定的表达模式和重要的生理功能。昆虫蜕皮是在促前胸腺激素（PTTH）、蜕皮激素和保幼激素共同控制下由一系列基因表达和调控的级联反应。阐明蜕皮发育过程中同工酶的表达模式,可以为研究蜕皮的分子机理提供新的分子靶标,为研制生长调节剂类杀虫剂提供检测的分子标记。该研究分析了棉铃虫Helicoverpa armigera蜕皮时期不同组织中过氧化物酶、乙醇脱氢酶和酯酶的表达模式,找到了3种蜕皮差异表达的过氧化物酶, 2种蜕皮或变态差异表达的乙醇脱氢酶,3种蜕皮差异表达的酯酶。生长调节剂类化学杀虫剂非甾醇类蜕皮激素竞争物RH24-85可以诱导3种酯酶表达上调,可能与蜕皮有关。这些结果为进一步研究棉铃虫蜕皮的分子机理和检测促蜕皮生长调节剂类化学杀虫剂提供了新的分子靶标。     

棉铃虫Cathepsin L参与细胞免疫并受蜕皮激素调控

半胱氨酸蛋白酶参与昆虫的许多生理过程,但是其调控机制还不完全清楚,该文利用实时定量RT-PCR(qRT-PCR)、免疫组织化学、基因干扰(RNAi)等方法对棉铃虫组织蛋白酶L基因(HacatL)进行了系统研究。结果表明, HacatL在棉铃虫血细胞中的浆血细胞和颗粒细胞中大量表达,在蜕皮和变态时期表达量上升。细菌免疫刺激能明显诱导HacatL的表达上调;在幼虫体内将HacatL基因沉默后能明显降低血细胞的伸展性和对细菌的清除能力。蜕皮激素(20-hydroxyecdysone, 20E)能通过其受体(ecdysone receptor, EcR)及配体蛋白(ultraspiracle, USP)诱导HacatL的表达。这些结果说明HacatL基因受到蜕皮激素信号转导途径调控并参与昆虫细胞免疫反应。该研究结果有助于人们理解蜕皮激素调控昆虫细胞免疫的机制,同时也可为高等动物激素调控免疫反应的研究提供新的思路。     

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。     

斜纹夜蛾中肠糖代谢相关基因的克隆及表达模式分析

斜纹夜蛾Spodoptera litura是一种世界性分布的重要农业害虫, 在生长发育过程中要经历幼虫 蛹的变态发育过程。由于变态发育前后昆虫的食性发生了明显的改变, 作为食物消化吸收的中肠也发生了解体和重建。与此相适应, 昆虫中肠的各种物质和能量代谢也可能会相应地发生改变。为研究斜纹夜蛾中肠变态发育过程中糖代谢途径的变化情况, 我们从斜纹夜蛾中肠EST文库中鉴定出了12个糖代谢相关基因, 克隆了其中3个基因的全长cDNA, 并应用半定量PCR和定量PCR的方法检测了其在幼虫 蛹变态发育期中肠组织的转录表达以及对激素和饥饿等因素的响应情况。结果表明： 这3个基因（α-L-岩藻糖苷酶、 N-乙酰葡萄糖胺-6-磷酸去乙酰酶和烯醇化酶基因）的开放阅读框分别为1 461, 1 200和1 299 bp, 预测的分子量分别为56.3, 43.3和46.7 kDa。这12个糖代谢相关的基因在变态发育期的中肠组织中具有5种不同的mRNA表达模式： （Ⅰ）只在幼虫期高表达（唾液麦芽糖酶前体蛋白、 糖基水解酶31家族成员蛋白、 线粒体乙醛脱氢酶、 β-1,3 葡聚糖酶基因）; （Ⅱ）只在预蛹期高表达（β-葡萄糖醛酸酶、 β-N-酰基氨基葡萄糖苷酶3基因）; （Ⅲ）只在蛹期高表达（葡萄糖胺-6-磷酸异构酶基因）; （Ⅳ）在预蛹期和蛹期高表达（α-葡萄糖苷酶、 α-淀粉酶、 N-乙酰葡糖胺 6 磷酸脱乙酰酶和α-L-岩藻糖苷酶基因）; （Ⅴ）在变态发育期恒定表达（烯醇化酶基因）。这说明, 为适应变态发育斜纹夜蛾中肠糖代谢途径发生了明显的改变。保幼激素对这些基因的表达没有明显的影响, 但蜕皮激素对Ⅰ类基因（如糖基水解酶31家族成员蛋白基因）具有一定的抑制作用, 对Ⅲ类基因（如葡萄糖胺-6-磷酸异构酶基因）有显著的上调作用。此外, 我们还发现饥饿对几乎所有这些基因的表达都有显著的抑制作用。这些结果说明, 昆虫中肠变态发育过程中糖代谢相关基因的动态变化可能受到蜕皮激素以及饥饿相关因素的共同调控。这一研究对从代谢角度揭示昆虫变态发育的分子机理具有重要意义。     

昆虫变态发育的激素和营养调控研究进展与展望

变态发育是促进昆虫进化和多样性形成的重要因素之一。昆虫变态发育主要受到蜕皮激素和保幼激素的协同调控,通过信号通路诱导下游基因表达,保证蜕皮、组织重塑等生理过程的正确发生。除内在激素外,外在营养物质亦可通过营养信号影响激素信号进而控制变态发育进程。本文主要综述了近十年来我国科研工作者在昆虫变态发育的激素和营养调控机制研究方面所取得的突出成果,并对未来潜在的研究方向进行了展望,以期对我国的害虫防治和益虫利用研究提供理论指导。     

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。     

miRNA调控昆虫与病毒互作的研究进展

miRNA是一类重要的非编码小分子RNA,可在转录后水平调控基因表达,参与并调控机体的生长发育、细胞分化、细胞凋亡、抗病毒、激素分泌、神经系统等重要生物过程。本文介绍了miRNA的合成途径及其生物学功能,并重点阐述miRNA在昆虫宿主与病毒互作中的调控作用:通过mRNA剪切或抑制靶标蛋白的翻译负调控靶标基因,实现基因沉默,调控约50%的蛋白质编码基因的表达,许多miRNA已被发现在人体和植物中参与调控病毒的复制侵染,因此也有可能控制害虫对病毒抗性的产生,恢复病毒对害虫的防控作用。最近有研究将害虫特异的miRNA转入植物,干扰昆虫蜕皮过程导致幼虫的死亡,作为Bt转基因作物的替代,成为抗虫基因工程的新选择。研究miRNA在昆虫对病毒抗性产生中的作用,将为昆虫抗病毒机制的研究提供新的思路,为害虫生物防治措施的应用及改进提供理论参考。     

蜕皮激素与其受体EcR-USP的转录调控机制

蜕皮激素20-羟基蜕皮酮(20-hydroxyecdysone, 20E)是一种典型的类固醇激素, 主导调控昆虫的蜕皮、变态、生殖等重要生理过程。20E受体EcR-USP已被鉴定近20年, 20E与其受体复合物的转录调控机制也有了许多重要突破。已有研究表明： （1）20E受体由核受体EcR和USP形成; （2）EcR-USP异源二聚体在分子伴侣蛋白复合物的协助下获得DNA结合活性; （3）20E通过解除共阻遏因子和募集共激活因子来激活EcR USP异源二聚体并启动下游基因的转录; (4）20E-EcR-USP配体-受体复合物引发20E初级应答基因的表达, 由20E初级反应基因编码的转录因子诱导表达的20E次级应答基因级联放大20E信号, 从而调控昆虫蜕皮、变态、生殖等生理过程。     

ATP合酶亚基d参与海藻糖代谢调控棉铃虫幼虫变态的分子机理

【目的】本研究旨在解析ATP合酶亚基d(ATP synthase subunit d, ATPs-d)参与海藻糖代谢调控棉铃虫Helicoverpa armigera幼虫发育和变态中的功能及分子机理。【方法】PCR扩增棉铃虫HaATPs-d的开放阅读框，并利用生物信息学方法对其序列及系统发育进行分析；利用qRT-PCR检测HaATPs-d在5龄蜕皮期幼虫和6龄幼虫表皮、中肠和脂肪体中及对20-羟基蜕皮酮(20-hydroxyecdysone, 20E)(0.1 mg/mL)响应的6龄幼虫脂肪体和表皮中的表达量；利用荧光拍照分析HaATPs-d在草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda卵巢细胞系Sf9细胞中的亚细胞定位；采用酵母双杂交分析与HaATPs-d互作的蛋白；对棉铃虫6龄幼虫注射dsHaATPs-d,分析RNAi降低HaATPs-d的表达量对幼虫发育及变态和中肠中可溶性海藻糖酶活性和海藻糖含量的影响。【结果】棉铃虫HaATPs-d(GenBank登录号：LOC110375576)的开放阅读框长525 bp,编码174个氨基酸并具有较高的保守性，与草地贪夜蛾和斜纹夜蛾S...     

棉铃虫漆酶2基因的分子鉴定

【目的】黑化反应在昆虫表皮骨化以及免疫防御过程中起着重要作用, 酚氧化酶是黑化反应中的关键酶类, 漆酶2 (laccase2, LAC2)是酚氧化酶的一种, 在昆虫变态发育和免疫系统中起着重要的作用。本研究旨在探讨LAC2在棉铃虫Helicoverpa armigera表皮骨化中表达模式及激素调控作用。 【方法】采用PCR及RACE的方法, 从棉铃虫5龄幼虫中得到了lac2 cDNA全序列。利用荧光定量PCR、 激素处理及RNA干扰方法, 对LAC2的表达模式差异和激素调控作用进行分析。【结果】序列分析表明, lac2 cDNA全长3 221 bp, 编码框长度为2 268 bp, 编码756个氨基酸残基。发育时序表达分析发现, lac2在幼虫各龄期表达规律相似, 均在蜕皮期高水平表达, 在5龄96 h转录水平达到最高峰。组织表达结果分析, lac2基因在幼虫表皮和成虫卵巢以及触角表达量较高。激素处理实验发现, 保幼激素类似物（methoprene）对lac2基因转录有抑制作用; 蜕皮激素（20-hydroxyecdysone）则促进其表达。进一步利用RNA干扰蜕皮激素受体EcR （ecdysone receptor）和USP （ultraspiracle isoform）基因发现, 干扰后蜕皮激素受体的表达明显受到抑制, 同时lac2基因的表达也显著受到抑制, 表明蜕皮激素调控lac2基因转录。【结论】这些结果为进一步研究漆酶在昆虫表皮的骨化以及免疫防御等方面不同的生理功能提供理论依据。     

棉铃虫蜕皮调节转录因子在大肠杆菌中的重组表达及其包涵体纯化

蜕皮调节转录因子(hormone receptor 3,HR3)在昆虫蜕皮过程中启动蜕皮相关早期基因簇表达,并抑制蜕皮相关晚期基因簇表达,对昆虫蜕皮级联反应起着关键的调控作用。利用合成的特异性引物通过RT-PCR扩增了棉铃虫 Helicoverpa armigera 蜕皮调节转录因子(HHR3),并与pGEX-4T-1载体连接,在大肠杆菌Escherichia coli DH5α内进行扩增,经过PCR筛选获得了HHR3-pGEX-4T-1重组质粒。 用该质粒转化大肠杆菌表达菌株BL21并进行诱导表达,获得了与谷胱甘肽-S转移酶（GST）融合表达的HHR3包涵体,分子量在94 kD左右,通过无离子去垢剂CAPS（3-［cyclohexylamino］-1-propanesulfonic acid）变性、复性后获得了可溶性GST-HHR3融合蛋白,经凝血酶裂解和SDS-PAGE分离得到纯化的HHR3,经蛋白质N-端测序确认表达正确。用重组表达的HHR3免疫家兔,制备了兔抗HHR3多克隆抗体,免疫印迹检测显示该抗体对HHR3有特异性识别能力, 可以用于HHR3功能与调控等下游研究。免疫印迹检测结果还表明,HHR3在5龄向6龄蜕皮的幼虫脂肪体中高表达,在进入6龄24 h 的幼虫脂肪体中含量明显下降,在6 龄72 h 的幼虫中肠中没有检测到HHR3表达;成虫卵巢中有HHR3表达。     

Identification of genes differentially expressed during larval molting and metamorphosis of <Emphasis Type="Italic">Helicoverpa armigera</Emphasis>

Background  

Larval molting and metamorphosis are important physiological processes in the life cycle of the holometabolous insect. We used suppression subtractive hybridization (SSH) to identify genes differentially expressed during larval molting and metamorphosis.     

Improvement of pest resistance in transgenic tobacco plants expressing dsRNA of an insect-associated gene EcR

The adoption of pest-resistant transgenic plants to reduce yield loss and pesticide utilization has been successful in the past three decades. Recently, transgenic plant expressing double-stranded RNA (dsRNA) targeting pest genes emerges as a promising strategy for improving pest resistance in crops. The steroid hormone, 20-hydroxyecdysone (20E), predominately controls insect molting via its nuclear receptor complex, EcR-USP. Here we report that pest resistance is improved in transgenic tobacco plants expressing dsRNA of EcR from the cotton bollworm, Helicoverpa armigera, a serious lepidopteran pest for a variety of crops. When H. armigera larvae were fed with the whole transgenic tobacco plants expressing EcR dsRNA, resistance to H. armigera was significantly improved in transgenic plants. Meanwhile, when H. armigera larvae were fed with leaves of transgenic tobacco plants expressing EcR dsRNA, its EcR mRNA level was dramatically decreased causing molting defects and larval lethality. In addition, the transgenic tobacco plants expressing H. armigera EcR dsRNA were also resistant to another lepidopteran pest, the beet armyworm, Spodoptera exigua, due to the high similarity in the nucleotide sequences of their EcR genes. This study provides additional evidence that transgenic plant expressing dsRNA targeting insect-associated genes is able to improve pest resistance.     

棉铃虫酪氨酸羟化酶基因的分子特性及功能分析

【目的】酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase, TH)是黑色素形成的关键酶,在昆虫表皮骨化过程中扮演重要角色。本研究旨在获得棉铃虫Helicoverpa armigera TH基因序列,并研究其分子特性、表达模式和功能,为更深入探析该基因作用机理奠定基础。【方法】通过生物信息学和分子生物学技术获得了棉铃虫TH基因序列,利用qRT-PCR分析该基因在棉铃虫不同生长发育阶段的表达模式;利用qRT-PCR技术,分别测定了蜕皮激素20E(400 ng/头)处理不同时间和RNAi成功干扰蜕皮激素受体基因(EcR)前提下再用20E(400 ng/头)处理后,棉铃虫5龄幼虫TH表达量变化;采用生物化学方法检测鞣化激素(30 μg/mg组织)和环腺苷酸(cAMP, 200 ng/mg 组织)处理后棉铃虫幼虫脂肪体中TH活性。【结果】获得了棉铃虫酪氨酸羟化酶基因TH (GenBank登录号: MF440319) cDNA片段,长2 270 bp,开放阅读框1 686 bp,编码561个氨基酸残基。该基因在棉铃虫整个发育期均表达,其中在卵期第3天、2龄幼虫第1天、3-5龄蜕皮期、预蛹期和成虫羽化第1天表达量相对较高。研究还发现,400 ng/头 20E注射能够促进TH的转录;在成功干扰并调低幼虫EcR转录水平的前提条件下(对照仅注射dsGFP)再注射20E,对TH表达量无明显影响;而鞣化激素(30 μg/mg组织)和cAMP(200 ng/mg组织)均显著提高了TH的酶活性。【结论】20E在转录水平参与了TH的表达;鞣化激素和cAMP均能够提高TH活性,在蛋白水平上对TH进行调控。     

Behavioral and genomic characterization of molt-sleep in the tobacco hornworm,Manduca sexta

During the transition from feeding to molting, larval insects undergo profound changes in behavior and patterns of gene expression regulated by the neuroendocrine system. For some species, a distinctive characteristic of molting larvae is presence of a quiescent state sometimes referred to as “molt-sleep”. Here, observations of 4th instar Manduca sexta larvae indicate the molting period involves a predominantly quiescent state that shares behavioral properties of adult insect sleep in that it is rapidly reversible and accompanied by a reduced responsiveness to both mildly arousing and noxious stimuli. When subjected to noxious stimuli, molting larvae exhibit locomotory and avoidance behaviors similar to those of inter-molt larvae. Although less consolidated, inter-molt quiescence shares many of the same behavioral traits with molting quiescence. However, when subjected to deprivation of quiescence, inter-molt larvae display a compensatory rebound behavior that is not detected in molting larvae. This suggests that molting quiescence is a specialized form of inactivity that affords survival advantages to molting larvae. RNA-seq analysis of molting larvae shows general reduction in expression of genes encoding GPCRs and down regulation of genes connected with cyclic nucleotide signaling. On the other hand, certain ion channel genes are up-regulated, including transient receptor potential (TRP) channels, chloride channels and a voltage-dependent calcium channel. These findings suggest patterns of gene expression consistent with elevation of quiescent state characteristic of the molt in a model holometabolous insect.