赤擬谷盜與四紋豆象對物理因子脅迫的響應機制研究.pdf

1、紫外線(UV)、低氧和電子束輻射是造成昆蟲生存力降低的重要物理脅迫因子，是用作害蟲防治的有效手段。昆蟲對這些脅迫因子的響應涉及基因表達、蛋白質翻譯和生理變化等多種復雜的生物學過程，最終表現(xiàn)對脅迫的抗性。因此，研究昆蟲響應物理因子脅迫的生理生化對策，有利于認識昆蟲應對各種物理防治方法的適應機制。本文以赤擬谷盜(Tribolium castaneum(Herbst))和四紋豆象(Callosobruchusmaculatus(Fabrici

2、us))為研究對象，分別對赤擬谷盜響應UV脅迫和四紋豆象響應低氧、電子束脅迫的生理及分子機制進行了系統(tǒng)的研究。主要結果如下:
　　1.UVA脅迫誘導赤擬谷盜成蟲熱激蛋白基因（Hsp）和細胞色素P450基因表達。
　　本研究發(fā)現(xiàn)1000μw/cm2強度的UVA照射赤擬谷盜成蟲后，能顯著誘導熱激蛋白基因(Hsp27、Hsp68、Hsp83)和細胞色素P450基因(CYP6BQ4、CYP6BQ8的表達，3個Hsp基因表達量升高4.

3、1～8.9倍，2個P450基因表達量各升高2.2和2.9倍。上述基因的表達模式類似:在UVA照射2h內表達量持續(xù)上升，2h時達到最高，隨后表達量逐漸降低。通過分別對UVA誘導表達的Hsp基因和P450基因的轉錄調控區(qū)域分析發(fā)現(xiàn)，它們都含有HSF、KROX、NF-kappaB、AFB2和dl等多種響應外界環(huán)境刺激轉錄因子的結合位點。以上轉錄因子可能共同調控Hsp基因和P450基因的轉錄，參與赤擬谷盜成蟲對UVA脅迫的響應。
　　2.

4、UVB脅迫抑制赤擬谷盜末齡幼蟲蛻皮激素合成，推遲赤擬谷盜幼蟲變態(tài)。
　　本研究發(fā)現(xiàn)20 kJ/m2劑量的UVB照射能導致赤擬谷盜末齡幼蟲100％死亡;10kJ/m2劑量的UVB照射后幼蟲羽化率顯著降低為61.1％，蛹的長度和重量分別減小了0.36 mm和0.48 mg。研究表明UVB照射會顯著推遲赤擬谷盜幼蟲的變態(tài)。由于昆蟲的變態(tài)過程受蛻皮激素的嚴格調控，因而本研究對UVB照射后赤擬谷盜幼蟲蛻皮激素信號途徑中的關鍵基因進行表達模式

5、分析。結果表明，UVB照射會顯著降低赤擬谷盜幼蟲蛻皮激素合成基因(Trcptth、sad、shd)和效應基因(EcR、Br)的表達量，表達量分別降低5.4、3.6、2.7、2.9和5.8倍;同時，UVB脅迫能夠消除引發(fā)赤擬谷盜幼蟲蛻皮變態(tài)的蛻皮激素脈沖。
　　3.應激反應、神經調節(jié)、能量代謝和損傷修復等多種途徑參與赤擬谷盜末齡幼蟲對UVB脅迫的響應。
　　本研究利用數(shù)字基因表達譜技術分別分析了10 kJ/m2劑量的UVB照射

6、后4h和24 h赤擬谷盜幼蟲的差異表達基因，鑒定出遭受UVB脅迫后，赤擬谷盜在不同時間點響應脅迫的相關基因。UVB照射后4h，赤擬谷盜幼蟲中被誘導表達的基因為222個，抑制表達的基因為88個;照射后24 h，被誘導表達的基因為544個，抑制表達的基因為452個。通過對差異表達基因GO富集分析發(fā)現(xiàn)，UVB照射后4h，赤擬谷盜幼蟲體內肽聚糖的代謝過程、糖胺聚糖分解過程、肽聚糖的分解代謝過程、應激反應過程、氨基聚糖分解過程等相關基因被顯著富集

7、;照射后24 h，有機物代謝過程、蛋白酶解過程、分解代謝過程、糖類衍生物分解過程和大分子分解過程相關的基因被極顯著富集。通過對差異表達基因Pathway分析發(fā)現(xiàn)，UVB照射后4h，赤擬谷盜幼蟲體內酪氨酸代謝和Wnt信號傳導等途徑被激活;照射后24 h，蛋白質代謝過程、糖酵解/糖異生作用、細胞外基質受體相互作用和蛋白酶體形成等途徑被激活。以上結果表明，隨著UVB照射后時間的增長，參與赤擬谷盜幼蟲對UVB脅迫響應的基因數(shù)量增加;UVB照射后

8、早期(4 h)，赤擬谷盜幼蟲主要以應激反應、神經系統(tǒng)調控響應UVB脅迫;UVB照射后晚期(24h)，赤擬谷盜幼蟲主要依靠調整能量代謝、控制器官發(fā)育、修復DNA損傷、促使無法修復的蛋白質水解來響應UVB脅迫。
　　4.低氧脅迫在四紋豆象中的跨代傳遞效應參與子代對低氧脅迫的響應。
　　本研究發(fā)現(xiàn)低氧處理（2％ O2+18％ CO2+80％ N2混合氣體）四紋豆象親代4齡幼蟲、蛹和成蟲能顯著降低存活個體產卵量和卵的孵化率，單雌產卵

9、量在低氧處理成蟲后降低最顯著（多達21粒），孵化率在低氧處理蛹后降低最顯著(為9.9％)。低氧處理親代4齡幼蟲時，其F1代對低氧會產生一定抗性，表現(xiàn)為:F1代4齡幼蟲再次遭遇親代經歷的相同低氧環(huán)境時，存活個體所產卵的孵化率不受影響;與親代不經歷低氧脅迫所產生的F1代相比，經歷低氧脅迫所產生的F1代的CatL基因的基礎表達量顯著性降低2.8倍，Hsp27基因的基礎表達量顯著性升高1.6倍。以上結果表明，低氧脅迫對四紋豆象的影響能從親代傳遞

10、給子代，促使子代通過調整相關基因的基礎表達適應親代曾經歷的不利低氧環(huán)境。
　　5.電子束輻照嚴重影響四紋豆象的生長發(fā)育和生殖。
　　本研究表明四紋豆象的卵在發(fā)育過程中對電子束輻照的敏感性存在差異。0.03kGy劑量的電子束輻照導致早期卵和中期卵無法孵化;0.12 kGy劑量的電子束輻照后仍有58％的黑頭期（后期）卵可以孵化，但孵化后幼蟲的發(fā)育被抑制。雖然幼蟲中腸蛋白酶消化功能不受影響，但被0.06～0.12 kGy劑量電子束