20-羟基蜕皮酮解除柑橘大实蝇蛹滞育的分子机制研究

Diapause is an adaptive strategy with a crucial role in the synchronization of seazonal life cycles and adaptation to environmental change. The termination of diapause is the critical time point, when the insect rapidly increases its metabolic rate and resumes development. It can be achieved by changes in environmental conditions and artificial stimulation. To date our understanding of diapause process in insects focuses mainly on facultative diapause, little on obligatory diapause. Nevertheless, molecular mechanisms involved in termination of obligatory diapause in insects remain poorly understood. In this study, we used, Bactrocera minax, a univoltine pest in Citrus spp., as a good model insect to investigate the mechanism underlying pupal diapause termination. Using 20-hydroxyecdysone as a tool to break pupal diapause in this tephritid fruit fly, we will compare different stages of pupal diapause: early diapause, mid-diapause, late diapause, and individuals treated with 20-hydroxyecdysone for diapause termination, in order to achieve the transcriptional profile data. On the basis of these results, our immediate goals are to: (1) identify important candidate genes in signaling cascades responsible for pupal diapause termination; (2) analyze the functional characterization of genes. Results from this project will not only provide insights into molecular mechanisms of pupal diapause termination, but also suggest potential tools for the development of mass-rearing and subsequent integrated pest management strategies to control B. minax and other similar pest insects.

滞育是昆虫应对不良环境采取的重要策略，对昆虫进化有重要的生物学意义。滞育解除是昆虫滞育发育过程中的重要节点，人工条件或环境因子均可打破滞育，但对于昆虫滞育解除的分子机制却知之甚少。目前，国内外对滞育解除的研究十分活跃，但主要集中在兼性滞育的昆虫，对专性滞育的昆虫研究较少。本项目以专性滞育、滞育程度深的柑橘大实蝇为材料，基于20-羟基蜕皮酮能解除蛹滞育这一技术优势，在获取柑橘大实蝇蛹滞育解除的特异性基因表达谱的基础上，探明在20-羟基蜕皮酮打破蛹滞育过程中的重要调控基因，研究关键基因对蛹滞育解除的调控作用及表达调控模式。本项目的完成有助于深入理解昆虫滞育解除的分子机理，揭示柑橘大实蝇灾变的内在原因，为柑橘大实蝇的监测和可持续治理提供新的思路。

滞育是昆虫应对不良环境采取的重要策略，对昆虫进化有重要的生物学意义。滞育解除是昆虫滞育发育过程中的重要节点，人工条件或环境因子均可打破滞育，但对于昆虫滞育解除的分子机制却知之甚少。本项目以专性滞育、滞育程度深的柑橘大实蝇为材料，基于20-羟基蜕皮酮能解除蛹滞育这一技术优势，在获取柑橘大实蝇蛹滞育解除的特异性基因表达谱的基础上，探明在20-羟基蜕皮酮打破蛹滞育过程中的差异表达基因和代谢通路。 结果表明：1） 利用高通量转录组测序技术，共获得52,519,948条read，拼接成100,498条contig和47,217条unigene。通过BLASTX比对，26,843条序列（占56.85%）能够获得NCBI nr数据库注释。根据KEGG数据库，共有18,711条序列注释到240个代谢通路中，其中包括一些注释到PTTH信号传导、甾醇激素合成相关的代谢通路、胰岛素信号通路等，这些代谢通路的基因序列能够为柑橘大实蝇蛹滞育研究提供大量遗传信息。2）对柑橘大实蝇的蛹不同滞育时期（滞育前期、末期、后期和解除后）进行了基因表达信息分析。一共有4,355条unigene（占28.85%）在不同滞育时期显著差异表达，在滞育前、末和后期，大量基因表现出先下调表达后上调表达的趋势；相对于滞育前、末和后期，蜕皮激素处理解除滞育的蛹出现了大量上调表达的基因。为了了解这些差异基因在滞育发育过程中的功能，将这些差异表达的基因比对到转录组结果中并赋予GO和KO功能注释。GO和KO功能注释说明蜕皮激素处理解除滞育蛹中大量的转录子富集到应激反应、细胞结构以及代谢途径和细胞增殖通路。蛋白生物合成、糖代谢和内分泌生物合成等代谢过程在滞育解除后都被激活。总共选择了15个基因进行荧光定量分析对表达谱结果进行验证，荧光定量结果与表达谱结果呈高度相关。上述结果为阐明柑橘大实蝇蛹滞育发育及解除的分子机制提供了科学依据。取得成果：2014年1月至12月本项目执行期间，共发表科技论文3篇（标注国家自然科学基金编号：31371945），其中SCI收录论文2篇，中文核心期刊1篇，国际会议摘要2篇；培养博士研究生1名，在读博士研究生1名，硕士研究生1名，本科生4名，2014年度以第三完成人参与申报农业部“中华农业科技奖”1项。