蚜虫从头合成法呢烯的分子基础及其调控机理

Aphids are among the most important agricultural and forest pest insects, and the signals that mediate conspecific interactions among aphids are primarily chemical. (E)-β-farnesene (EBF) is the major component of aphid alarm pheromone, but to date direct molecular evidence of de nova biosynthesis of EBF in aphids is still lacking because the gene responsible for EBF biosynthesis remains unknown, which hinders the manipulation of EBF biosynthesis. Recently, in our studies of aphid isoprenoid pathway, we found that aphid decaprenyl diphosphate synthase was a moonlighting enzyme with the activity of farnesene synthase. Based on the finding, this project is to conduct the following studies: (1) comparative functional analysis of farnesene synthases from different aphids; (2) temporal and spatial gene expression analysis of farnesene synthases from different aphids; (3) storage and release of (E)-β-farnesene in aphids; (4) gene regulation of farnesene synthase in aphids. It is aimed to elucidate the molecular mechanisms of the biosynthesis, storage, release and regulation of EBF in aphids, and the results obtained from these studies might provide a basis for regulating the alarm behavior of aphids by using their own genes, which is of great academic novelty, with a potential for practical application in aphid control.

蚜虫是世界性重大农林害虫，其同种个体间的相互作用主要通过化学方式介导。(E)-β-法呢烯是蚜虫报警信息素的主要成分，但由于一直未发现蚜虫法呢烯合成酶基因，迄今对于蚜虫从头合成法呢烯的问题仍然缺乏直接的分子证据，也无法探究其人为调控问题。最近，我们在检测蚜虫十聚异戊二烯焦磷酸合成酶基因功能时，发现该酶具有法呢烯合成酶的兼职功能。本项目拟在此基础之上，开展如下主要研究内容：（1）不同蚜虫法呢烯合成酶的比较功能分析；（2）不同蚜虫法呢烯合成酶基因的时空表达分析；（3）蚜虫法呢烯生物合成后的储存和释放研究；（4）蚜虫法呢烯合成酶基因的调控研究。本项目旨在澄清蚜虫生物合成、储存和释放法呢烯的分子机制以及蚜虫调控法呢烯生物合成的分子机理，也为利用蚜虫自身基因调控其报警行为提供科学依据，具有学术新颖性和潜在的应用价值。

蚜虫是世界性重大农林害虫。该类害虫在遇到攻击时会释放报警信息素（主要是(E)-β-法呢烯或EβF）以警告同伴逃离，该信息素可被用来调控蚜虫的种群。然而，迄今国际上对于其来源、生物合成途径及调控机制知之甚少。本项目基于前期工作，全面而深入地开展了蚜虫从头合成法呢烯的分子基础及其调控机理的研究，重点包括：（1）比较分析了蚜虫GGPPS和DPPS的结构，进行了原核表达和重组酶活性分析，在国际上首次对昆虫GGPPS和DPPS进行了结构和基因功能的鉴定；（2）采用纯人工饲料培养蚜虫，并采用抗生素去除蚜虫内共生菌，排除了寄主植物和内共生菌作为蚜虫报警信息素来源的可能性；（3）蚜虫FPPS基因的时空表达分析，明确了该候选酶基因的作用部位和功能特点；（4）候选基因RNAi分析，揭示了蚜虫FPPS基因在蚜虫报警信息素生物合成途径中的重要作用；（5）进行手动刺激并结合比较转录组技术，分析了差异表达基因及通路，为全面深入分析相关生物合成路径提供了基础数据和手段；（6）建立了具有稳定表型（EβF释放量）差异的蚜虫品系，为运用比较转录组技术筛选和鉴定蚜虫报警信息素生物合成关键酶基因及其通路提供了优良的生物研究模型。在该项目执行过程中，我们首次采用实证方法系统研究了蚜虫报警信息素生物合成的来源；通过时空表达分析和RNAi，明确了蚜虫类异戊二烯通路的关键基因在蚜虫报警信息素生物合成中的重要作用；我们筛选和建立的具有稳定表型差异的蚜虫品系，为蚜虫报警信息素生物合成关键酶基因的筛选和鉴定提供了新的手段。这些研究成果为揭开蚜虫从头合成和调控报警信息素（EβF）的分子谜团奠定了扎实基础，具有重要的学术价值。同时，该项目所鉴定的候选基因将有望被用作蚜虫行为调控和绿色防控的重要靶标。在本项目的资助下，目前我们已正式发表论文6篇（SCI），累计影响因子达18.8；另有3-5篇研究论文待发表。本项目重点资助博士生4名和硕士生3名。