表皮蛋白在中华按蚊成虫性别二态性骨化部位构建中的作用研究

The morphologically and functionally dimorphic sclerotized parts in the head, abdomen and the last abdominal segment of the adult mosquito are closely related to its physiological traits. These are indispensable parts for the vitality and reproduction of mosquitos, hence they become major targets in mosquito control. Although the cuticular proteins are necessary building blocks in sclerotization, little is known about the exact ways that cuticular protein genes shape and maintain the sexual dimorphism. Using the mosquito species Anopheles sinensis, this project will be based on genes identified previously that are specifically expressed in certain sclerotized parts. The study will be divided into five aspects to elucidate the functions of the cuticular proteins, namely: the relationship between gene expression and phenotypes of the sclerotized parts; the impact of gene deletion or silence on the inner and outer morphology of sclerotized parts; the impact of malfunctioned sclerotized parts on the physiology of the insects; patterns of gene regulation; and the comparative analysis of the relevant transcription factors and regulatory elements conserved among insects. The study will not only help researchers understand the development and the evolution of similar characteristics in other insects, but also serve as a theoretical foundation for mosquito controlling using cuticular proteins.

成蚊的头部、腹部及其末端等骨化部位在形态与功能上所表现出的性别二态性与两性间迥异的生理习性息息相关。这些部位对蚊虫的生存和繁衍来说不可或缺，因此是蚊虫防控中极具价值的靶器官。虽然表皮蛋白是上述骨化部位在构建时的必须组分，但是哪些特殊的表皮蛋白基因家族成员以何种方式来参与塑造和维持这些部位在表型与功能上的二型性还不清楚。本申报项目以中华按蚊为对象，以前期工作中鉴定的特定骨化部位中特异高表达的表皮蛋白基因为切入点，将从：1. 基因表达与骨化部位表型的关联；2. 基因功能缺失对相应骨化部位外部特征与内部构造的影响；3. 缺陷的骨化部位对相应生理行为的影响；4. 基因的调控模式；5. 关键调控元件和转录因子在昆虫间的保守性这五个方面开展深入的研究，解析表皮蛋白在成蚊性别二态性骨化部位构建中的作用。这不仅有助于理解其他昆虫中类似性状的发育和演化，也为表皮蛋白在蚊虫防控中的潜在利用提供理论参考。

成蚊的头部、腹部及其末端等骨化部位在形态与功能上所表现出的性别二态性与两性间迥异的生理习性息息相关。这些部位对蚊虫的生存和繁衍来说不可或缺，因此是蚊虫防控中极具价值的靶器官。虽然表皮蛋白是上述骨化部位在构建时的必须组分，但是哪些特殊的表皮蛋白基因家族成员以何种方式来参与塑造和维持这些部位在表型与功能上的二型性还不清楚。本申报项目以重要的传疟媒介中华按蚊为主要研究对象，通过对其性别二态性骨化部位的转录组测序分析，鉴定出特异表达的表皮蛋白基因45个。这其中，AsCP1基因仅在雄蚊听觉器官江氏器（JO）中特异的高表达。并且CP1基因的表达模式与JO的结构发育紧密关联。CP1基因缺失后，JO的幅状结构和基板会缺失。这类缺陷表型严重影响了雄性对雌性音频的响应，从而阻碍了其觅雌和交配行为。此外，ATAC-seq和转基因分析共同确定了CP1基因的核心调控区域。另外，CP1基因在不同的蚊虫中的调控模式可能存在不同，这暗示该基因保守表达和功能背后的调控多样性。再者，CP1基因与昆虫中保守的弹性节肢素基因（Resilin）有共同起源；但在蚊科或与蚊虫具有类似触角表型的其他长角亚目昆虫中，CP1丢失了Resilin中的弹性重复区域。这一规律暗示了CP1基因的进化与蚊虫雄性中膨大且具致密辐状结构的JO的起源相关联。此外，我们还以中华按蚊其他特异的表皮结构基因为切入点，建立与完善了蚊虫电转化、卵巢定向肽投递系统和胚胎显微注射等技术体系。最后，在证明重要表皮蛋白参与性二型骨化部位构建的基础上，我们进一步构建完成了靶向特异性表皮蛋白基因的驱动表达盒，并模拟了其驱动效应对蚊虫种群数量的影响。本课题研究成果不仅有助于深入理解蚊虫表皮蛋白基因在维持其性二型骨化部位结构特征与生理功能方面的作用，还为以这类表皮蛋白基因为靶标的蚊虫遗传防控策略提供重要的理论参考。