褐飞虱Ultrabithorax基因对翅型可塑性适应性机制研究

Ubx (Ultrabithorax) is a selector gene in forewing/hindwing differentiation in insects. In Nilaparvata lugens, the differences between forewing and hindwing in macropterous morphs are smaller than those in brachypterous morphs. The wing morph of N. lugens could be switched up to the 3rd, 4th and even to 5th instar. In order to accommodate the flexible wing morph differentiation, Nilaparvata lugens Ubx (NlUbx) should respond rapidly to the signal of wing morph differentiation, activate wing patterning gene networks of forewing/hindwing differentiation pathway in accordance with long wing or short wing requirements. Compared to the Ubx of Drosophila melanogaster and Tribolium castaneum, the distinct characteristics of NlUbx adapting to flexible and prompt response to the signal of wing morph differentiation, is still unknown. In the current project, we will dig out these features of NlUbx. Using genetically defined macropterous and brachypterous strain of N. lugens constructed in our lab, we will investigate the tissue-specific expression pattern of NlUbx in the forewing pads and hindwing pads; the responding of NlUbx to host condition status, “switch” genes controlling wing morph and juvenile hormones; the mode of NlUbx regulating its target genes; the characteristics of NlUbx structure suitable for wing morph plasticity. The results from this project will shed light on the internal causes of BPH outbreak and intrinsic evolution mechanism of migratory behavior of N. lugens.

Ubx（Ultrabithorax）在昆虫前翅、后翅分化中起决定性作用。褐飞虱的长翅型成虫前后翅差异较小，短翅型成虫前后翅之间差异较大。褐飞虱翅型决定的时间可以延迟到3龄、4龄甚至5龄。为了适应翅型分化，NlUbx必须快速对翅型分化指令做出应答，启动与长翅型成虫或短翅型成虫相匹配的前后翅分化进程。与果蝇、赤拟谷盗等昆虫的Ubx相比，NlUbx拥有哪些特有的属性，使其灵活、快速响应翅型分化的信号，目前还没有相关报道。本项目拟以本室遗传稳定的褐飞虱长翅、短翅品系为材料，研究NlUbx在若虫前翅、后翅翅芽的表达模式；NlUbx对寄主营养状况、翅型分化开关基因及保幼激素的应答模式；NlUbx对靶标基因的调控模式；NlUbx结构上的特点与翅型分化的关系等方面阐明NlUbx对翅型可塑性的适应性。研究结果对揭示褐飞虱灾变的内在机制、褐飞迁飞行为进化的内在机制具有重要意义。

本项目以翅二型昆虫稻飞虱为研究对象，研究了昆虫翅型分化调控关键基因Ubx在稻飞虱长、短翅型分化中的调控机制。主要的研究内容和结果如下：.稻飞虱Ubx基因在5龄若虫前胸背板、中胸背板、后胸背板、前翅翅芽、后翅翅芽中均有表达，且后翅翅芽表达量显著高于前翅翅芽，褐飞虱短翅品系Ubx（NlUbx）表达量显著高于长翅品系。干扰稻飞虱若虫的Ubx表达后，长、短翅型褐飞虱的中胸背板及翅均有表型变化。（1） 前翅与后翅畸形、卷曲，后胸中胸化；（2）后翅前翅化，包括后翅翅面产生刚毛、后翅翅脉前翅化、后翅臀角变小等；（3）短翅品系长翅化，前翅、后翅的翅面积及长度均显著增加。这充分说明，ubx能够控制褐飞虱翅的发育，控制翅的大小，而且褐飞虱的前翅不是Ubx-free状态。4龄之前，黄熟期（营养状况差）和分蘖期（营养状况好）水稻饲养的褐飞虱若虫Ubx表达差异不大，但在4、5龄时，分蘖期水稻饲养的若虫NlUbx表达量显著高于黄熟期水稻饲养的若虫。长翅品系褐飞虱若虫中NlInR1下调显著提高了NlUbx的表达水平，而当短翅品系褐飞虱若虫中NlInR2下调时，显著降低了NlUbx的表达水平。稻飞虱Ubx蛋白的保守区域与其他昆虫的Ubx蛋白有显著的不同，而与甲壳纲动物更为相似。其MXSXFE结构域序列为MMNSYFE，QA结构域序列为QAQAAK，Ploy-Ala结构域序列为AAALAASQAQ。而其他昆虫已知的Ubx蛋白中，这三个结构域的序列分别是MNSYFE、QAQAQK和AAAAAAAAAA。与DmUbx（果蝇Ubx）对翅发育的强抑制性相比，NlUbx、AkUbx（丰年虾Ubx）对翅发育的抑制作用相对温和，且存在剂量效应，在高剂量下使果蝇前翅退化成平衡棒，在中等剂量或者低剂量下，果蝇前翅能发育成小翅或较大的翅。长翅品系及短翅品系的NlUbx对靶标基因的调控模式存在差异。胰岛素通路NlInR1/R2通过调控下游基因Ubx的表达，完成对褐飞虱翅型分化的调控。本研究表明：NlUbx在褐飞虱前、后翅中通过剂量效应控制褐飞虱翅的发育程度。同时NlUbx能快速响应寄主营养状况变化、响应胰岛素通路受体NlInR1/R2的调控，灵活完成对褐飞虱翅型分化的调控。研究结果将丰富昆虫翅发育可塑性理论，对揭示褐飞虱迁飞成灾的内在原因具有重要的意义。