Insulin/TOR通路为中心的褐飞虱响应水稻营养信号的分子机制

The brown planthopper, Nilaparvata lugens (St?l), is the primary pest of rice in Asia. Clarifying occurrence and hazard mechanisms of N. lugens are the basis of making a comprehensive pest management strategy. The nutrition relationship between Rice and N. lugens is the material base of individual development and population dynamics of N. lugens. Growth and development of N. lugens can be regulated by rice nutrient. Previous field and laboratory experiments have provided a great deal of data about it, but the mechanisms are not clear. In order to clarify the molecular mechanisms of the nutrition relationship between Rice and N. lugens, the project takes wing form and fecundity as index and aims to clone the Insulin/TOR pathway genes and analyze their functions by using RNAi and pure chemical artificial breeding techniques. To establish a model of N. lugens responding to rice nutrient changes, transcriptomic and proteomic analyses are used to identify nutrient-responsive signaling network genes and proteins in a large scale. The research results can help us to understand more about signaling pathways which regulate the response of N. lugens to nutrient changes. Also, the results can improve rice breeding technology and provide theoretical and technical bases for establishing a more comprehensive management strategy of this pest.

褐飞虱Nilaparvata lugens （St?l）是水稻的首要害虫，研究褐飞虱的发生与成灾机理是制定褐飞虱综合治理策略的基础。褐飞虱-水稻长期形成的营养关系是褐飞虱个体发育和种群动态的物质基础，田间和室内试验提供了大量的营养调控褐飞虱生长发育的数据，但调控的机理并不清楚。所以，本项目以阐明水稻-褐飞虱营养关系的分子机理为目的，运用纯化学人工饲养技术，以褐飞虱翅型和生殖力为指标，以感受和传递营养信号的Insulin/TOR通路为主要对象，克隆和系统分析该通路的特征、用RNAi技术分析和鉴定通路中的关键基因、分析激素等对通路的调控作用。并用转录组测序和蛋白质谱技术大规模筛选营养调控相关的差异基因和蛋白，建立褐飞虱对水稻植株营养变化的响应模型。研究结果可深入理解褐飞虱感受营养物质变化的信号通路及其机制，为补充和完善水稻育种技术，建立更全面的褐飞虱防治策略提供理论和方法。

褐飞虱（Nilaparvata lugens Stål）是我国水稻生产的首要害虫，具有繁殖能力强和种群增长迅速的特点。前期研究结果表明外源营养与内分泌激素对该虫的繁殖至关重要，但其内在调控机制尚不清楚。本项目以褐飞虱（N. lugens）为对象，首先建立了以全化学人工饲料为基础的营养因子鉴定体系；通过定量蛋白质组学技术筛选受氨基酸调控的差异蛋白；利用RNA干扰及一系列氨基酸缺失/回补实验，研究氨基酸营养因子、激素及相关营养信号通路在卵黄发生和积累过程中的作用，以及对生殖参数的影响。主要结果如下：. 1.建立了D-98饲养体系，以此为基础，发现氨基酸浓度对褐飞虱（N. lugens）成虫繁殖过程中起重要作用，缺失甲硫氨酸导致繁殖过程完全停滞。这一发现可为水稻抗虫品种的选育提供指导。. 2.营养因子游离氨基酸主要通过影响卵黄发生过程进而调控褐飞虱（N. lugens）的繁殖。营养信号通路IIS/TOR与激素JH/20E相互作用，传递氨基酸营养信号，通过影响卵黄发生重要蛋白NlVg/NlVgR的表达最终调控成虫的繁殖。这些研究结果增加了我们对昆虫胰岛素功能的了解，有望为建立从营养信号通路入手的水稻抗虫品种培养提供新的思路和技术。. 3.利用定量蛋白质组学iTRAQ技术，初步描绘出氨基酸调控褐飞虱（N. lugens）能量代谢的机制。营养缺乏的情况下昆虫通过分解糖类和脂肪获取维持基本生理活动所必需的能量；降低在繁殖上的投入，将有限的能量分配至用于维持机体生存的基本生理活动上。此部分研究工作从基因和蛋白的层次揭示了褐飞虱（N. lugens）对氨基酸饥饿的响应，这为进一步研究水稻营养缺乏或者迁飞过程中的饥饿对该虫生长发育和生殖的影响，提供了详细的信息和多个突破口。. 项目在理论研究方面证明了Insulin/TOR通路在营养信号传导中的作用，并发现JH和AKH等激素对通路的调控作用。生产实践方面主要是发现了甲硫氨酸是褐飞虱（N. lugens）生殖的关键限制因子，这是首次发现可以完全限制褐飞虱（N. lugens）产卵的氨基酸限制因子，研究结果可为新型转基因抗虫水稻品种的研发和优化提高传统水稻抗虫品种的选育标准提供指导，为提高我国水稻产量提高技术储备。