褐飞虱FoxO-Vestigial通路调控翅二型分化的分子机制研究

The brown planthopper (BPH) is a major pest for rice in China, and long-distance migration mainly contributes to its massive outbreaks across country. The BPH has a unique feature of wing dimorphism during it development, which is a prerequisite for its long-distance migration. However, the molecular mechanism underlying the wing dimorphism remains elusive. Although our previous study illustrated that the insulin signaling pathway (InR-Akt-FoxO pathway) regulates wing dimorphism in the BPH, no study so far available shows the detailed mechanism of regulatory role of the transcription factor FoxO. Herein we will adopt versatile experimental tools and techniques, including RNAi, yeast two-hybrid screening, RNA-seq, ChIP-seq, EMSA, and promoter analysis, to reveal regulatory mechanisms of FoxO on the transcription co-factor Vestigial as well as of Vestigial on the wing dimorphism, which eventually helps us to reveal the regulatory molecular basis of the FoxO-Vestigial cascade on wing dimorphism in the BPH. This proposal follows our previous studies, and also deepens our understanding of wing polymorphism. Our produced results will not only provide potential techniques to BPH population prediction and sustainable pest control, but also efficiently enrich the theory of wing polymorphism in insecta.

褐飞虱是我国稻区水稻上的重要害虫，它的远距离迁飞能力是其爆发成灾的一个主要原因。褐飞虱个体发育具有翅二型现象，长、短翅型分化是褐飞虱迁飞的必要前提，但是我们对翅型分化的分子机制却知之甚少。虽然申请人等的前期研究发现了胰岛素信号途径（InR-Akt-FoxO途径）调控了褐飞虱的长、短翅型分化，但迄今为止FoxO转录因子的具体调控机制却未见报道。本项目拟通过RNAi沉默、酵母双杂交、基因表达谱、染色质免疫共沉淀、凝胶迁移实验、启动子活性分析等技术与手段，明确FoxO对转录因子配体Vestigial的调控模式以及Vesitigial调控翅型分化的作用方式，从而阐明FoxO-Vestigial通路调控褐飞虱翅二型分化的分子机制。本项目是前期工作的延续与拓展，研究结果不但为褐飞虱的预测预报与可持续治理提供了潜在的技术支持，而且将有效地补充昆虫翅多型的基础理论。

褐飞虱是我国稻区水稻上的重要害虫，它的远距离迁飞能力是其爆发成灾的一个主要原因。褐飞虱个体发育具有翅二型现象，长、短翅型分化是褐飞虱迁飞的必要前提，但是我们对翅型分化的分子机制却知之甚少。虽然申请人等的前期研究发现了胰岛素信号途径（InR-Akt-FoxO途径）调控了褐飞虱的长、短翅型分化，但迄今为止FoxO转录因子的具体调控机制却未见报道。通过本项目实施，得出如下研究结果：（1）利用比较转录组学筛选得到了FoxO的下游靶标基因Vestigial，沉默Vestigial不仅导致长翅向中翅型转变，而且可以逆转FoxO的长翅表型，致使间接飞行肌退化。通过体外和活体结合实验，发现FoxO通过与Vestigial内含子结合的方式调控其表达；（2）对FoxO的另一靶基因核受体基因NF-Y的功能分析表明，NF-Y不参与翅型分化，但具有调控翅发育的作用；（3）通过CRISPR/Cas9基因编辑技术，创建了褐飞虱基因编辑平台。对FoxO的上游调控因子进行研究，发现胰岛素受体2（InR2）敲除加快翅芽细胞的增殖速率，通过转录组分析表明InR2与FoxO对细胞复制相关基因具有相同的调控作用，说明InR2通过FoxO调控了翅型分化；（4）通过Hox基因Ubx和FoxO基因的功能比较发现，尽管两者均具有促进翅发育的功能，但两者的作用方式不尽相同。Ubx是通过体节的同源转变导致翅的产生，FoxO是通过调控翅发育节点基因Vestigial的表达来实现的，部分研究结果已发表SCI论文11篇。总之，本项目利用褐飞虱为模型对昆虫的长、短翅分化的分子机制进行了深入分析，研究结果处于昆虫多型领域的前沿，为阐明昆虫翅多型的发生机制提供理论依据，也为害虫防治提供潜在的应用靶标。