莲草直胸跳甲热激蛋白基因对温度胁迫的响应及分子机制研究

Flea beetle Agasicles hygrophila is one of successfully introduced natural enemy on controlling the alligator weed Alternanthera philoxeroides in the world, but it’s showed that the increasing climatic temperature directly or indirectly affects the control effects. Heat shock protein (Hsp) genes are highly related to the changing temperature, and also play an important role in cell development and gene regulation and expression. So far, we have predicted 27 Hsp genes of 5 families based on the flea beetle’s transcriptome information and also studied the relationship between Hsp70-1 gene and temperature. We want to do further study on systematic identification of the predicted heat shock protein gene, screen the key Hsp genes which relate to the flea beetle temperature adaptation and development, verify the function of Hsp genes through RNA interference, and provide molecular mechanism on flea beetle’s natural distribution and population dynamics. The program will contribute to the study of insect Hsps.

莲草直胸跳甲是世界上成功引种并控制喜旱莲子草的天敌昆虫，但目前气候变暖已直接影响到其防控效果。热激蛋白基因是与温度变化最为密切的基因之一，在细胞生长发育和基因表达调控等方面发挥着重要的作用。前期基于本实验室莲草直胸跳甲的转录组数据平台，我们预测了莲草直胸跳甲5个家族27个热激蛋白基因，初步研究了个别热激蛋白基因与温度适应性的关系。在此基础上，本项目将对预测的热激蛋白基因进行系统鉴定；筛选与莲草直胸跳甲温度适应性和生长发育相关的关键热激蛋白基因；对筛选出的基因进一步基于RNA干扰进行功能验证，以期揭示热激蛋白基因在莲草直胸跳甲温度适应性和生长发育中的功能作用，阐明莲草直胸跳甲种群分布界限及种群动态变化规律的分子机制，同时为昆虫热激蛋白研究奠定基础。

莲草直胸跳甲是世界上成功引种并控制喜旱莲子草的天敌昆虫，但目前气候变暖已直接影响到其防控效果。热激蛋白基因是与温度变化最为密切的基因之一，在细胞生长发育和基因表达调控等方面发挥着重要的作用。在本项目研究中，为了解夏季高温莲草直胸跳甲种群骤减的原因，我们测定了莲草直胸跳甲不同发育阶段在32.5~45℃短时高温处理1~5 h后的存活率，发现卵、一龄幼虫、二龄幼虫、三龄幼虫、成虫、蛹的耐热性是逐渐增强的，其中卵的耐热性最差，37.5℃是影响卵孵化的关键温度。跟踪研究了37.5℃短时高温下卵的两性生命表。结果表明，37.5℃、35℃处理组与对照组25℃相比，不仅卵的孵化率较低（24%），而且发育历期也明显延长，种群的整体寿命和成虫繁殖期明显缩短，产卵模式也发生了显著的变化。种群参数如净生殖率、内禀增长率和周限增长率显著降低。我们认为，卵的耐热性较差是夏季高温莲草直胸跳甲种群骤减的主要原因，影响的关键温度为37.5℃。为揭示热激蛋白基因与莲草直胸跳甲高温耐受性和生长发育的关系，通过PacBio SMRT技术的转录组测序筛选和鉴定了莲草直胸跳甲27个热激蛋白基因，采用实时荧光定量PCR分析了27个HSP基因在卵期高温胁迫下和不同生长发育阶段的表达模式。结果表明，27个HSP基因中有22个基因的诱导表达最高峰温度（Tpeak）为37.5℃，结合生态试验结果，提出莲草直胸跳甲热激蛋白基因的Tpeak可以代表其耐受极限温度。热激蛋白基因与莲草直胸跳甲生长发育关系的研究中发现，有26个基因在莲草直胸跳甲的卵和蛹期的相对表达量最高，在幼虫和成虫期相对表达量较低，说明热激蛋白基因可能在莲草直胸跳甲卵和蛹的发育阶段起更加重要的调控作用。在莲草直胸跳甲的低温保藏研究中发现，15℃是莲草直胸跳甲卵短期冷藏的适宜低温。本项目研究成果对深入了解气候变暖情况下莲草直胸跳甲种群数量的变动机制，为制定相应的防治措施和预测种群的地理分布与扩散提供了理论依据。