赤擬谷盜與四紋豆象對(duì)物理因子脅迫的響應(yīng)機(jī)制研究.pdf

1、紫外線(UV)、低氧和電子束輻射是造成昆蟲(chóng)生存力降低的重要物理脅迫因子，是用作害蟲(chóng)防治的有效手段。昆蟲(chóng)對(duì)這些脅迫因子的響應(yīng)涉及基因表達(dá)、蛋白質(zhì)翻譯和生理變化等多種復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，最終表現(xiàn)對(duì)脅迫的抗性。因此，研究昆蟲(chóng)響應(yīng)物理因子脅迫的生理生化對(duì)策，有利于認(rèn)識(shí)昆蟲(chóng)應(yīng)對(duì)各種物理防治方法的適應(yīng)機(jī)制。本文以赤擬谷盜(Tribolium castaneum(Herbst))和四紋豆象(Callosobruchusmaculatus(Fabrici

2、us))為研究對(duì)象，分別對(duì)赤擬谷盜響應(yīng)UV脅迫和四紋豆象響應(yīng)低氧、電子束脅迫的生理及分子機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要結(jié)果如下:
　　1.UVA脅迫誘導(dǎo)赤擬谷盜成蟲(chóng)熱激蛋白基因（Hsp）和細(xì)胞色素P450基因表達(dá)。
　　本研究發(fā)現(xiàn)1000μw/cm2強(qiáng)度的UVA照射赤擬谷盜成蟲(chóng)后，能顯著誘導(dǎo)熱激蛋白基因(Hsp27、Hsp68、Hsp83)和細(xì)胞色素P450基因(CYP6BQ4、CYP6BQ8的表達(dá)，3個(gè)Hsp基因表達(dá)量升高4.

3、1～8.9倍，2個(gè)P450基因表達(dá)量各升高2.2和2.9倍。上述基因的表達(dá)模式類(lèi)似:在UVA照射2h內(nèi)表達(dá)量持續(xù)上升，2h時(shí)達(dá)到最高，隨后表達(dá)量逐漸降低。通過(guò)分別對(duì)UVA誘導(dǎo)表達(dá)的Hsp基因和P450基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)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(yīng)外界環(huán)境刺激轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。以上轉(zhuǎn)錄因子可能共同調(diào)控Hsp基因和P450基因的轉(zhuǎn)錄，參與赤擬谷盜成蟲(chóng)對(duì)UVA脅迫的響應(yīng)。
　　2.

4、UVB脅迫抑制赤擬谷盜末齡幼蟲(chóng)蛻皮激素合成，推遲赤擬谷盜幼蟲(chóng)變態(tài)。
　　本研究發(fā)現(xiàn)20 kJ/m2劑量的UVB照射能導(dǎo)致赤擬谷盜末齡幼蟲(chóng)100％死亡;10kJ/m2劑量的UVB照射后幼蟲(chóng)羽化率顯著降低為61.1％，蛹的長(zhǎng)度和重量分別減小了0.36 mm和0.48 mg。研究表明UVB照射會(huì)顯著推遲赤擬谷盜幼蟲(chóng)的變態(tài)。由于昆蟲(chóng)的變態(tài)過(guò)程受蛻皮激素的嚴(yán)格調(diào)控，因而本研究對(duì)UVB照射后赤擬谷盜幼蟲(chóng)蛻皮激素信號(hào)途徑中的關(guān)鍵基因進(jìn)行表達(dá)模式

5、分析。結(jié)果表明，UVB照射會(huì)顯著降低赤擬谷盜幼蟲(chóng)蛻皮激素合成基因(Trcptth、sad、shd)和效應(yīng)基因(EcR、Br)的表達(dá)量，表達(dá)量分別降低5.4、3.6、2.7、2.9和5.8倍;同時(shí)，UVB脅迫能夠消除引發(fā)赤擬谷盜幼蟲(chóng)蛻皮變態(tài)的蛻皮激素脈沖。
　　3.應(yīng)激反應(yīng)、神經(jīng)調(diào)節(jié)、能量代謝和損傷修復(fù)等多種途徑參與赤擬谷盜末齡幼蟲(chóng)對(duì)UVB脅迫的響應(yīng)。
　　本研究利用數(shù)字基因表達(dá)譜技術(shù)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(chóng)的差異表達(dá)基因，鑒定出遭受UVB脅迫后，赤擬谷盜在不同時(shí)間點(diǎn)響應(yīng)脅迫的相關(guān)基因。UVB照射后4h，赤擬谷盜幼蟲(chóng)中被誘導(dǎo)表達(dá)的基因?yàn)?22個(gè)，抑制表達(dá)的基因?yàn)?8個(gè);照射后24 h，被誘導(dǎo)表達(dá)的基因?yàn)?44個(gè)，抑制表達(dá)的基因?yàn)?52個(gè)。通過(guò)對(duì)差異表達(dá)基因GO富集分析發(fā)現(xiàn)，UVB照射后4h，赤擬谷盜幼蟲(chóng)體內(nèi)肽聚糖的代謝過(guò)程、糖胺聚糖分解過(guò)程、肽聚糖的分解代謝過(guò)程、應(yīng)激反應(yīng)過(guò)程、氨基聚糖分解過(guò)程等相關(guān)基因被顯著富集

7、;照射后24 h，有機(jī)物代謝過(guò)程、蛋白酶解過(guò)程、分解代謝過(guò)程、糖類(lèi)衍生物分解過(guò)程和大分子分解過(guò)程相關(guān)的基因被極顯著富集。通過(guò)對(duì)差異表達(dá)基因Pathway分析發(fā)現(xiàn)，UVB照射后4h，赤擬谷盜幼蟲(chóng)體內(nèi)酪氨酸代謝和Wnt信號(hào)傳導(dǎo)等途徑被激活;照射后24 h，蛋白質(zhì)代謝過(guò)程、糖酵解/糖異生作用、細(xì)胞外基質(zhì)受體相互作用和蛋白酶體形成等途徑被激活。以上結(jié)果表明，隨著UVB照射后時(shí)間的增長(zhǎng)，參與赤擬谷盜幼蟲(chóng)對(duì)UVB脅迫響應(yīng)的基因數(shù)量增加;UVB照射后

8、早期(4 h)，赤擬谷盜幼蟲(chóng)主要以應(yīng)激反應(yīng)、神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控響應(yīng)UVB脅迫;UVB照射后晚期(24h)，赤擬谷盜幼蟲(chóng)主要依靠調(diào)整能量代謝、控制器官發(fā)育、修復(fù)DNA損傷、促使無(wú)法修復(fù)的蛋白質(zhì)水解來(lái)響應(yīng)UVB脅迫。
　　4.低氧脅迫在四紋豆象中的跨代傳遞效應(yīng)參與子代對(duì)低氧脅迫的響應(yīng)。
　　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(chóng)、蛹和成蟲(chóng)能顯著降低存活個(gè)體產(chǎn)卵量和卵的孵化率，單雌產(chǎn)卵

9、量在低氧處理成蟲(chóng)后降低最顯著（多達(dá)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(chóng)時(shí)，其F1代對(duì)低氧會(huì)產(chǎn)生一定抗性，表現(xiàn)為:F1代4齡幼蟲(chóng)再次遭遇親代經(jīng)歷的相同低氧環(huán)境時(shí)，存活個(gè)體所產(chǎn)卵的孵化率不受影響;與親代不經(jīng)歷低氧脅迫所產(chǎn)生的F1代相比，經(jīng)歷低氧脅迫所產(chǎn)生的F1代的CatL基因的基礎(chǔ)表達(dá)量顯著性降低2.8倍，Hsp27基因的基礎(chǔ)表達(dá)量顯著性升高1.6倍。以上結(jié)果表明，低氧脅迫對(duì)四紋豆象的影響能從親代傳遞

10、給子代，促使子代通過(guò)調(diào)整相關(guān)基因的基礎(chǔ)表達(dá)適應(yīng)親代曾經(jīng)歷的不利低氧環(huán)境。
　　5.電子束輻照嚴(yán)重影響四紋豆象的生長(zhǎng)發(fā)育和生殖。
　　本研究表明四紋豆象的卵在發(fā)育過(guò)程中對(duì)電子束輻照的敏感性存在差異。0.03kGy劑量的電子束輻照導(dǎo)致早期卵和中期卵無(wú)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(chóng)的發(fā)育被抑制。雖然幼蟲(chóng)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