基于轉錄組數據的昆蟲生長發育調控基因研究

昆蟲對農作物的為害是農業生產中一個極為嚴峻的問題，從分子層面深入了解昆蟲生長發育機制具有重要意義。基于轉錄組數據的昆蟲生長發育調控基因研究取得了顯著進展，通過高通量測序技術和生物信息學分析，目前的研究中識別一系列關鍵基因和信號通路，揭示了這些基因在昆蟲生長、發育及其生理調節中的重要作用。這些研究為深入理解昆蟲生長發育機制提供了新的視角，并為害蟲防治和昆蟲資源的合理利用奠定了理論基礎。

一、昆蟲對農作物的為害

農作物的健康和產量是農業生產的關鍵指標，而這些指標受到各種因素的影響，其中，以昆蟲對農作物的危害尤為顯著。昆蟲不僅直接通過啃食、吸食和產卵等方式對農作物造成物理損害，還會傳播病害，從而顯著降低農作物的產量和品質。

（一）直接傷害

昆蟲直接通過機械性方式對農作物造成傷害是最為常見的形式。啃食性昆蟲，如蚱蜢和甲蟲，能夠咬食植物的葉子、莖稈和果實，導致植物失去重要的器官，影響其光合作用和營養儲存。吸食性昆蟲，如蚜蟲和飛虱，會刺破植物細胞，吸取其中的營養液，導致植物萎蔫、變形，嚴重時甚至導致整個植株死亡。此外，昆蟲產卵也會造成一定的機械損害，如蘋果蠹蛾在果實內產卵，孵化后的幼蟲會啃食果肉，導致果實腐爛。

（二）間接傷害

許多昆蟲如飛虱、白粉虱等都是植物病原體的天然媒介。當它們吸食植物汁液時，會將體內攜帶的病菌或病毒傳遞給植物，導致植物感染病害。例如，黃龍病是一種由柑橘木虱傳播的病毒病菌，嚴重威脅全球柑橘產業。該病原體能夠阻塞植物的輸導組織，造成植株壞死，果實畸形或無產出，給農民帶來較大的經濟損失。

（三）國內外現狀

在現代農業生產中，昆蟲對農作物帶來的為害無疑是一個極為嚴峻的問題。每年，世界各地的農民都因各類害蟲的侵襲而遭受較大的經濟損失。昆蟲不僅會直接取食農作物，造成農作物的生長停滯甚至死亡，還會傳播多種植物病害，進一步加劇了農作物的損失。為了有效應對這一問題，從分子層面深入了解昆蟲的生長發育機制，進而制定科學有效的防控策略，顯得尤為重要。昆蟲的生長發育是一個復雜而精妙的過程，涉及基因表達、信號傳導、代謝調控等多個分子機制。從昆蟲的幼蟲到成蟲，每一個發育階段均受到了嚴格的分子調控。

二、轉錄組測序技術

轉錄組是一種用于研究細胞轉錄核糖核酸（RNA）的技術，有狹義和廣義之分，Velculescu等人在1997年提出特定組織和細胞在某一狀態轉錄出的所有RNA的集合為廣義上的轉錄組，此狀態下信使RNA（mRNA）分子總和被稱為狹義轉錄組。遺傳學中心法則揭示，遺傳信息通過脫氧核糖核酸（DNA）編碼RNA傳遞到蛋白質，因此，除了mRNA，核糖體RNA（rRNA）、轉運RNA（tRNA）等非編碼RNA也屬于轉錄組范疇。

轉錄組測序（RNA-Sep）是基于RNA水平研究基因表達的技術，根據樣本中的總RNA轉錄成互補DNA（cDNA），再由高通量測序平臺分析樣本中的所有轉錄產物，進而獲得不同基因在不同樣本中的表達模式。通過分析測序數據，可以得到基因的表達水平、轉錄本的結構和功能等信息。Illumina測序平臺問世后，高通量測序技術以無參考基因對物種進行全基因組測序的方式為生物分子水平的研究提供極大的便利。高通量測序技術不僅可以完成測序和注釋等傳統基因組學研究，還可以深入研究功能基因組學，促進了基因組學領域的不斷發展。同時，測序技術的進步帶來大量數據，使生物信息學分析迅速發展，為適應海量數據分析與運算，多種生信軟件被廣泛應用。以基因組為參考的轉錄組測序可以基因組數據為對照分析轉錄組數據的差異，進一步研究基因核苷酸的變化和表達水平的變化，轉錄組從頭測序則可以通過組裝片段豐富物種的基因庫，為分子生物學研究提供大量資源。

2008 年，Nagalakshmi等研究釀酒酵母的文章使用轉錄組測序技術被首次報道。通過高通量測序，研究人員可以快速準確地獲取大量的基因組信息，幫助揭示生物體的遺傳特征和功能。轉錄組受內外源因子聯合作用，在mRNA水平上檢測能比較基因在不同外界干擾下的表達情況以及基因的時空表達模式。細胞內的遺傳物質具有時間性與空間性，相同的個體中同種基因受不同環境影響表達水平也有差異，基于測序的差異基因檢測方法在不同樣本間找出存在差異表達的基因，統計出在每個樣品中上調或下調的基因，并對差異表達基因做功能分析。

三、轉錄組測序技術在昆蟲中的研究

轉錄組測序技術的發展越來越迅速，基于此獲得的轉錄組數據相當豐富，對基因信息匱乏的物種而言，可從中挖掘出有重要功能的基因，進一步促進非模式生物的功能基因組分析。昆蟲轉錄組學研究最早見于2008年Cridtobal等人對慶網蛺蝶幼蟲、蛹和成蟲進行的轉錄組測序，應用單核苷酸多態性揭示個體之間的生物學差異。此后，轉錄組學在昆蟲研究上大量應用。青海草原毛蟲和沙棘蠹木蛾的轉錄組測序研究發現了多種類型的微衛星位點，極大豐富了鱗翅目昆蟲的基因數據庫。在阿爾泰蝠蛾的研究中，對其幼蟲轉錄組測序及生物信息學分析中獲得100 000余個Unigenes，通過多數據庫比對和功能分類，發現了與冷適應相關的311個代謝調節基因，為研究阿爾泰蝠蛾的基因功能和低溫生態適應性提供了重要的分子基礎。以不同組織為樣品進行轉錄組測序，可探究昆蟲器官發育與分化的分子機制。鞏雪芳等通過高通量測序獲得了花椒窄吉丁蟲觸角轉錄組數據，發現氣味結合蛋白（OBPs）和化學感受蛋白（CSPs）等嗅覺相關基因，推測OBPs在雄成蟲觸角中扮演重要角色，為進一步研究昆蟲的化學感受基因功能和嗅覺感受機制提供了基礎。

對昆蟲不同發育階段進行轉錄組測序可篩選表達模式有差異的基因，有助于了解基因相關調控機制。周峰以中華蚱蜢雌雄若蟲和成蟲為樣本進行轉錄組測序，獲得了大量基因數據，分析后得出雌性若蟲和成蟲在基因表達和代謝途徑上存在差異，雄成蟲在生殖發育和環境適應相關基因表達水平更高的結論。王劉豪在柑橘大實蠅幼蟲和蛹的轉錄組測序研究中發現，其滯育過程中涉及多種基因調控，揭示了相關基因在不同發育階段的差異表達。楊婧利用Illumina HiSeqTM 2000測序平臺對短額負蝗基因功能和代謝通路進行了注釋和分析，發現在不同發育階段和性別間存在差異表達基因9069個，并對差異表達基因進行了比較分析，揭示了其在生長發育和性別調控中的重要作用。Li等利用Illumina測序平臺對稻縱卷葉螟 4個發育階段進行轉錄組測序和差異基因分析發現，與蛻皮、DNA復制和保幼激素相關的基因在不同時期的轉錄組中多次出現，顯示它們在發育過程中起著關鍵作用。Tiantao等人在亞洲玉米螟不同蟲態轉錄組測序數據中，發掘出與嗅覺和翅發育有關的差異表達基因，為昆蟲發育研究提供了更多數據。隨著昆蟲轉錄組測序研究的深入，解決的問題由發掘基因逐漸趨向于揭示遺傳關系、昆蟲發育機制等實際問題。

四、昆蟲生長發育分子學研究概況

（一）生長發育調控因素研究

從基因表達的角度來看，昆蟲的生長發育受到了大量基因的嚴格調控。干擾這些關鍵基因的表達，能抑制昆蟲的生長發育，從而減少其對農作物的為害。昆蟲生長發育是適應生態環境和氣候變化的重要生存策略，通常指蛻皮和變態，蛻皮指不同發育階段中幼蟲體型增長受外骨骼限制停止發育，進行蛻皮活動形成新的表皮后進入下一個齡期的形態變化；當昆蟲發育到一定階段后，經歷舊組織降解和新器官形成，從一種蟲態轉變為另一種蟲態稱為變態，包括卵的孵化、幼蟲的蛻皮和化蛹以及蛹的羽化。生長發育過程主要通過蛻皮激素和保幼激素相互作用，對個體生長發育進行調控。蛻皮激素是一種甾醇類化合物，在昆蟲體內通過與蛻皮激素受體（EcR）和超氣門蛋白（USP）結合誘導轉錄因子基因表達，進而調控與蛻皮或變態相關的基因表達，最終導致昆蟲變態的發生。保幼激素是一種由昆蟲側咽體合成的小分子倍半萜類化合物，對昆蟲生殖系統的發育和形成過程中起到了阻止昆蟲變態且使昆蟲保持在幼蟲狀態的重要作用。同時，保幼激素能與靶細胞協同工作，在各個組織中以發揮其在調節昆蟲生理過程中的關鍵作用。有研究表明，JH能打破昆蟲滯育，控制保幼激素水平，可實現調節昆蟲節律的功能。

（二）生長發育調控基因研究

昆蟲生長發育調控基因在昆蟲生物生命歷程中扮演著重要的角色，參與昆蟲代謝、蛻皮和生殖等過程，在細胞間信號傳遞和激素調控等生命活動中起著重要作用。通過對這些基因的研究可以揭示昆蟲的生命周期和行為。在昆蟲生長發育過程中，低濃度蛻皮激素（20E）對保幼激素（JH）產生促進作用，高濃度20E則抑制JH產生；JH和20E相關基因是典型調控基因，在昆蟲不同發育階段中，通過合成、代謝與相互作用起正調控或負調控的作用。

保幼激素受體蛋白（JHBP）又稱TO蛋白，最初在果蠅中被鑒定出，能與JH結合穩定JH結構，并通過循環系統控制昆蟲體內JH濃度，是JH在體內轉運和發揮功能的載體，具有生物鐘調控輸出功能，在變態發育過程中發揮重要作用。Du在煙草天蛾中鑒定出的JHBP蛋白在外源20E干擾的情況下，具有穩定JH濃度的作用；家蠶 B. mori的To基因參與調控生物節律、攝食活動、發育、求偶行為；饑餓處理的棉鈴蟲幼蟲發育遲緩，檢測后發現JHBP基因的表達明顯被抑制，進一步驗證了JHBP基因對昆蟲變態的影響。上述研究表明，JHBP能從多方面調控昆蟲的生理過程，包括生長發育和部分生殖發育。

昆蟲的超氣門蛋白（USP）在調控生長發育、變態和繁殖等生命過程中起著關鍵介導作用，只有EcR和USP結合時，20E才能結合到EcR上，調控昆蟲蛻皮。超氣門蛋白基因在幼蟲階段調節多個下游基因表達促進蛻皮相關活動，在蛻皮前期表達水平較高，主要作用在細胞核內，在幼蟲化蛹期間重要或在不同發育階段可能起到不同的調節作用。保幼激素環氧水解酶（JHEH）在JH通路中的主要作用是調控JH代謝，這一過程主要由保幼激素酯酶（JHE）、保幼激素環氧水解酶和保幼激素二醇激酶（JHDK）協同催化完成，通過調節JH濃度控制下游基因的表達，進而起到調控昆蟲生長發育的功能。在JH通路中，JHEH的主要作用是調控JH代謝，其表達和活性，直接或間接受JH和20E的代謝影響，可維持JH水平穩定。JHEH最初在煙草天蛾卵中被鑒定出，主要在JH酸的二次代謝中發揮重要作用，JHEH基因的表達隨JH滴定濃度增加而增加。在斜紋夜蛾、家蠶、赤擬谷盜等昆蟲中也鑒定出了JHEH，同時發現有些昆蟲體內有多個JHEH基因。孫彥楠等對亞洲小車蝗的研究發現，經外源保幼激素處理后JHEH表達量持續增加，驗證了JHEH可維持JH水平穩定；許琳等人對保幼激素相關基因研究的結果表明了JHEH對高濃度JH起抑制作用。此外，有研究表明JHEH還在脂類物質代謝與性信息素合成方面起一定作用。Kr-h1基因是一類鋅指基因，是JH通路下游途徑中的轉錄因子，JH與受體結合后啟動Kr-h1基因轉錄控制昆蟲的變態發生。相關基因表達在變態前期表達水平較高，在昆蟲體型發育與翅形分化、調節昆蟲社會分工、調控神經元成熟等多個方面具有重要意義。金敏娜對褐飛虱 中Kr-h1基因克隆后，利用熒光定量聚合酶鏈式反應（PCR）技術檢測后發現其對保幼激素敏感，且在不同發育階段和組織中表達。岳勇通過RNA干擾（RNAi）技術沉默桔小實蠅體內Kr-h1基因，揭示了Kr-h1基因在生殖過程中的重要作用。有研究表明，棉鈴蟲Kr-h1基因敲除后幼蟲的激素水平和能量供給受影響，最終導致幼蟲發育停止和死亡，為棉鈴蟲基因功能研究和害蟲綜合防治提供了重要參考。

熱休克蛋白（HSPs）基因家族在生物中普遍存在且應用廣泛，HSP作為應激蛋白能提高細胞對外界環境的適應能力，在昆蟲生長發育過程中有重要影響。HSP70基因較為保守，通過調節蛋白質折疊和降解等途徑維持細胞穩態。HSP70在熱脅迫的響應中可能發揮重要作用，并且在性別間存在誘導差異。除了熱休克反應外，HSP70可能參與了生殖發育過程。在許多昆蟲物種中已經發現了大量的熱休克蛋白基因，隨昆蟲壽命延長表達量逐漸上升，表現出穩定細胞結構或消解錯誤蛋白來維持正常生命活動，提高生物細胞對應激源的耐受力，阻止細胞凋亡的特點。這些基因在昆蟲的生命歷程中共同參與調節昆蟲生長發育過程，隨著分子生物學研究的不斷深入和普及，針對昆蟲分子生物層面的研究成為熱點。

五、結語

近年，基于轉錄組數據的昆蟲生長發育調控基因研究取得了顯著進展。轉錄組學技術的應用能夠全方位捕捉昆蟲在不同生長發育階段的基因表達變化，并揭示這些基因如何協同作用以調控復雜的生物學過程。這些研究不僅為深入理解昆蟲生理學及其適應性機制提供了新視角，還為生態和分子領域的害蟲防治策略提供了理論基礎。未來，隨著高通量測序技術的不斷進步和生物信息學分析工具的優化，將有更多關鍵調控基因被鑒定出來，有望推動昆蟲生長發育調控機制研究進入新的高度，并為相關產業帶來廣泛應用前景。

作者簡介：陳帥（1999—），男，吉林白城人，碩士，主要從事植物保護研究。