基于转录组数据的昆虫生长发育调控基因研究

昆虫对农作物的为害是农业生产中一个极为严峻的问题，从分子层面深入了解昆虫生长发育机制具有重要意义。基于转录组数据的昆虫生长发育调控基因研究取得了显著进展，通过高通量测序技术和生物信息学分析，目前的研究中识别一系列关键基因和信号通路，揭示了这些基因在昆虫生长、发育及其生理调节中的重要作用。这些研究为深入理解昆虫生长发育机制提供了新的视角，并为害虫防治和昆虫资源的合理利用奠定了理论基础。

一、昆虫对农作物的为害

农作物的健康和产量是农业生产的关键指标，而这些指标受到各种因素的影响，其中，以昆虫对农作物的危害尤为显著。昆虫不仅直接通过啃食、吸食和产卵等方式对农作物造成物理损害，还会传播病害，从而显著降低农作物的产量和品质。

（一）直接伤害

昆虫直接通过机械性方式对农作物造成伤害是最为常见的形式。啃食性昆虫，如蚱蜢和甲虫，能够咬食植物的叶子、茎秆和果实，导致植物失去重要的器官，影响其光合作用和营养储存。吸食性昆虫，如蚜虫和飞虱，会刺破植物细胞，吸取其中的营养液，导致植物萎蔫、变形，严重时甚至导致整个植株死亡。此外，昆虫产卵也会造成一定的机械损害，如苹果蠹蛾在果实内产卵，孵化后的幼虫会啃食果肉，导致果实腐烂。

（二）间接伤害

许多昆虫如飞虱、白粉虱等都是植物病原体的天然媒介。当它们吸食植物汁液时，会将体内携带的病菌或病毒传递给植物，导致植物感染病害。例如，黄龙病是一种由柑橘木虱传播的病毒病菌，严重威胁全球柑橘产业。该病原体能够阻塞植物的输导组织，造成植株坏死，果实畸形或无产出，给农民带来较大的经济损失。

（三）国内外现状

在现代农业生产中，昆虫对农作物带来的为害无疑是一个极为严峻的问题。每年，世界各地的农民都因各类害虫的侵袭而遭受较大的经济损失。昆虫不仅会直接取食农作物，造成农作物的生长停滞甚至死亡，还会传播多种植物病害，进一步加剧了农作物的损失。为了有效应对这一问题，从分子层面深入了解昆虫的生长发育机制，进而制定科学有效的防控策略，显得尤为重要。昆虫的生长发育是一个复杂而精妙的过程，涉及基因表达、信号传导、代谢调控等多个分子机制。从昆虫的幼虫到成虫，每一个发育阶段均受到了严格的分子调控。

二、转录组测序技术

转录组是一种用于研究细胞转录核糖核酸（RNA）的技术，有狭义和广义之分，Velculescu等人在1997年提出特定组织和细胞在某一状态转录出的所有RNA的集合为广义上的转录组，此状态下信使RNA（mRNA）分子总和被称为狭义转录组。遗传学中心法则揭示，遗传信息通过脱氧核糖核酸（DNA）编码RNA传递到蛋白质，因此，除了mRNA，核糖体RNA（rRNA）、转运RNA（tRNA）等非编码RNA也属于转录组范畴。

转录组测序（RNA-Sep）是基于RNA水平研究基因表达的技术，根据样本中的总RNA转录成互补DNA（cDNA），再由高通量测序平台分析样本中的所有转录产物，进而获得不同基因在不同样本中的表达模式。通过分析测序数据，可以得到基因的表达水平、转录本的结构和功能等信息。Illumina测序平台问世后，高通量测序技术以无参考基因对物种进行全基因组测序的方式为生物分子水平的研究提供极大的便利。高通量测序技术不仅可以完成测序和注释等传统基因组学研究，还可以深入研究功能基因组学，促进了基因组学领域的不断发展。同时，测序技术的进步带来大量数据，使生物信息学分析迅速发展，为适应海量数据分析与运算，多种生信软件被广泛应用。以基因组为参考的转录组测序可以基因组数据为对照分析转录组数据的差异，进一步研究基因核苷酸的变化和表达水平的变化，转录组从头测序则可以通过组装片段丰富物种的基因库，为分子生物学研究提供大量资源。

2008 年，Nagalakshmi等研究酿酒酵母的文章使用转录组测序技术被首次报道。通过高通量测序，研究人员可以快速准确地获取大量的基因组信息，帮助揭示生物体的遗传特征和功能。转录组受内外源因子联合作用，在mRNA水平上检测能比较基因在不同外界干扰下的表达情况以及基因的时空表达模式。细胞内的遗传物质具有时间性与空间性，相同的个体中同种基因受不同环境影响表达水平也有差异，基于测序的差异基因检测方法在不同样本间找出存在差异表达的基因，统计出在每个样品中上调或下调的基因，并对差异表达基因做功能分析。

三、转录组测序技术在昆虫中的研究

转录组测序技术的发展越来越迅速，基于此获得的转录组数据相当丰富，对基因信息匮乏的物种而言，可从中挖掘出有重要功能的基因，进一步促进非模式生物的功能基因组分析。昆虫转录组学研究最早见于2008年Cridtobal等人对庆网蛱蝶幼虫、蛹和成虫进行的转录组测序，应用单核苷酸多态性揭示个体之间的生物学差异。此后，转录组学在昆虫研究上大量应用。青海草原毛虫和沙棘蠹木蛾的转录组测序研究发现了多种类型的微卫星位点，极大丰富了鳞翅目昆虫的基因数据库。在阿尔泰蝠蛾的研究中，对其幼虫转录组测序及生物信息学分析中获得100 000余个Unigenes，通过多数据库比对和功能分类，发现了与冷适应相关的311个代谢调节基因，为研究阿尔泰蝠蛾的基因功能和低温生态适应性提供了重要的分子基础。以不同组织为样品进行转录组测序，可探究昆虫器官发育与分化的分子机制。巩雪芳等通过高通量测序获得了花椒窄吉丁虫触角转录组数据，发现气味结合蛋白（OBPs）和化学感受蛋白（CSPs）等嗅觉相关基因，推测OBPs在雄成虫触角中扮演重要角色，为进一步研究昆虫的化学感受基因功能和嗅觉感受机制提供了基础。

对昆虫不同发育阶段进行转录组测序可筛选表达模式有差异的基因，有助于了解基因相关调控机制。周峰以中华蚱蜢雌雄若虫和成虫为样本进行转录组测序，获得了大量基因数据，分析后得出雌性若虫和成虫在基因表达和代谢途径上存在差异，雄成虫在生殖发育和环境适应相关基因表达水平更高的结论。王刘豪在柑橘大实蝇幼虫和蛹的转录组测序研究中发现，其滞育过程中涉及多种基因调控，揭示了相关基因在不同发育阶段的差异表达。杨婧利用Illumina HiSeqTM 2000测序平台对短额负蝗基因功能和代谢通路进行了注释和分析，发现在不同发育阶段和性别间存在差异表达基因9069个，并对差异表达基因进行了比较分析，揭示了其在生长发育和性别调控中的重要作用。Li等利用Illumina测序平台对稻纵卷叶螟 4个发育阶段进行转录组测序和差异基因分析发现，与蜕皮、DNA复制和保幼激素相关的基因在不同时期的转录组中多次出现，显示它们在发育过程中起着关键作用。Tiantao等人在亚洲玉米螟不同虫态转录组测序数据中，发掘出与嗅觉和翅发育有关的差异表达基因，为昆虫发育研究提供了更多数据。随着昆虫转录组测序研究的深入，解决的问题由发掘基因逐渐趋向于揭示遗传关系、昆虫发育机制等实际问题。

四、昆虫生长发育分子学研究概况

（一）生长发育调控因素研究

从基因表达的角度来看，昆虫的生长发育受到了大量基因的严格调控。干扰这些关键基因的表达，能抑制昆虫的生长发育，从而减少其对农作物的为害。昆虫生长发育是适应生态环境和气候变化的重要生存策略，通常指蜕皮和变态，蜕皮指不同发育阶段中幼虫体型增长受外骨骼限制停止发育，进行蜕皮活动形成新的表皮后进入下一个龄期的形态变化；当昆虫发育到一定阶段后，经历旧组织降解和新器官形成，从一种虫态转变为另一种虫态称为变态，包括卵的孵化、幼虫的蜕皮和化蛹以及蛹的羽化。生长发育过程主要通过蜕皮激素和保幼激素相互作用，对个体生长发育进行调控。蜕皮激素是一种甾醇类化合物，在昆虫体内通过与蜕皮激素受体（EcR）和超气门蛋白（USP）结合诱导转录因子基因表达，进而调控与蜕皮或变态相关的基因表达，最终导致昆虫变态的发生。保幼激素是一种由昆虫侧咽体合成的小分子倍半萜类化合物，对昆虫生殖系统的发育和形成过程中起到了阻止昆虫变态且使昆虫保持在幼虫状态的重要作用。同时，保幼激素能与靶细胞协同工作，在各个组织中以发挥其在调节昆虫生理过程中的关键作用。有研究表明，JH能打破昆虫滞育，控制保幼激素水平，可实现调节昆虫节律的功能。

（二）生长发育调控基因研究

昆虫生长发育调控基因在昆虫生物生命历程中扮演着重要的角色，参与昆虫代谢、蜕皮和生殖等过程，在细胞间信号传递和激素调控等生命活动中起着重要作用。通过对这些基因的研究可以揭示昆虫的生命周期和行为。在昆虫生长发育过程中，低浓度蜕皮激素（20E）对保幼激素（JH）产生促进作用，高浓度20E则抑制JH产生；JH和20E相关基因是典型调控基因，在昆虫不同发育阶段中，通过合成、代谢与相互作用起正调控或负调控的作用。

保幼激素受体蛋白（JHBP）又称TO蛋白，最初在果蝇中被鉴定出，能与JH结合稳定JH结构，并通过循环系统控制昆虫体内JH浓度，是JH在体内转运和发挥功能的载体，具有生物钟调控输出功能，在变态发育过程中发挥重要作用。Du在烟草天蛾中鉴定出的JHBP蛋白在外源20E干扰的情况下，具有稳定JH浓度的作用；家蚕 B. mori的To基因参与调控生物节律、摄食活动、发育、求偶行为；饥饿处理的棉铃虫幼虫发育迟缓，检测后发现JHBP基因的表达明显被抑制，进一步验证了JHBP基因对昆虫变态的影响。上述研究表明，JHBP能从多方面调控昆虫的生理过程，包括生长发育和部分生殖发育。

昆虫的超气门蛋白（USP）在调控生长发育、变态和繁殖等生命过程中起着关键介导作用，只有EcR和USP结合时，20E才能结合到EcR上，调控昆虫蜕皮。超气门蛋白基因在幼虫阶段调节多个下游基因表达促进蜕皮相关活动，在蜕皮前期表达水平较高，主要作用在细胞核内，在幼虫化蛹期间重要或在不同发育阶段可能起到不同的调节作用。保幼激素环氧水解酶（JHEH）在JH通路中的主要作用是调控JH代谢，这一过程主要由保幼激素酯酶（JHE）、保幼激素环氧水解酶和保幼激素二醇激酶（JHDK）协同催化完成，通过调节JH浓度控制下游基因的表达，进而起到调控昆虫生长发育的功能。在JH通路中，JHEH的主要作用是调控JH代谢，其表达和活性，直接或间接受JH和20E的代谢影响，可维持JH水平稳定。JHEH最初在烟草天蛾卵中被鉴定出，主要在JH酸的二次代谢中发挥重要作用，JHEH基因的表达随JH滴定浓度增加而增加。在斜纹夜蛾、家蚕、赤拟谷盗等昆虫中也鉴定出了JHEH，同时发现有些昆虫体内有多个JHEH基因。孙彦楠等对亚洲小车蝗的研究发现，经外源保幼激素处理后JHEH表达量持续增加，验证了JHEH可维持JH水平稳定；许琳等人对保幼激素相关基因研究的结果表明了JHEH对高浓度JH起抑制作用。此外，有研究表明JHEH还在脂类物质代谢与性信息素合成方面起一定作用。Kr-h1基因是一类锌指基因，是JH通路下游途径中的转录因子，JH与受体结合后启动Kr-h1基因转录控制昆虫的变态发生。相关基因表达在变态前期表达水平较高，在昆虫体型发育与翅形分化、调节昆虫社会分工、调控神经元成熟等多个方面具有重要意义。金敏娜对褐飞虱 中Kr-h1基因克隆后，利用荧光定量聚合酶链式反应（PCR）技术检测后发现其对保幼激素敏感，且在不同发育阶段和组织中表达。岳勇通过RNA干扰（RNAi）技术沉默桔小实蝇体内Kr-h1基因，揭示了Kr-h1基因在生殖过程中的重要作用。有研究表明，棉铃虫Kr-h1基因敲除后幼虫的激素水平和能量供给受影响，最终导致幼虫发育停止和死亡，为棉铃虫基因功能研究和害虫综合防治提供了重要参考。

热休克蛋白（HSPs）基因家族在生物中普遍存在且应用广泛，HSP作为应激蛋白能提高细胞对外界环境的适应能力，在昆虫生长发育过程中有重要影响。HSP70基因较为保守，通过调节蛋白质折叠和降解等途径维持细胞稳态。HSP70在热胁迫的响应中可能发挥重要作用，并且在性别间存在诱导差异。除了热休克反应外，HSP70可能参与了生殖发育过程。在许多昆虫物种中已经发现了大量的热休克蛋白基因，随昆虫寿命延长表达量逐渐上升，表现出稳定细胞结构或消解错误蛋白来维持正常生命活动，提高生物细胞对应激源的耐受力，阻止细胞凋亡的特点。这些基因在昆虫的生命历程中共同参与调节昆虫生长发育过程，随着分子生物学研究的不断深入和普及，针对昆虫分子生物层面的研究成为热点。

五、结语

近年，基于转录组数据的昆虫生长发育调控基因研究取得了显著进展。转录组学技术的应用能够全方位捕捉昆虫在不同生长发育阶段的基因表达变化，并揭示这些基因如何协同作用以调控复杂的生物学过程。这些研究不仅为深入理解昆虫生理学及其适应性机制提供了新视角，还为生态和分子领域的害虫防治策略提供了理论基础。未来，随着高通量测序技术的不断进步和生物信息学分析工具的优化，将有更多关键调控基因被鉴定出来，有望推动昆虫生长发育调控机制研究进入新的高度，并为相关产业带来广泛应用前景。

作者简介：陈帅（1999—），男，吉林白城人，硕士，主要从事植物保护研究。