华中农业大学研究团队在水稻重要害虫褐飞虱研究中取得新进展

作者:   时间:2020-10-13 15:39
  华中农业大学植物科学技术学院华红霞教授、生命科学技术学院张启示院士团队联合在《国家科学谈论》(National Science Review,NSR)在线宣布题为“Ultrabithorax is a key regulator for the dimorphism of wings, a main cause for the outbreak of planthoppers in rice”的研讨论文。研讨提醒了Hox基因Ultrabithorax(Ubx)在水稻重要害虫褐飞虱中一起的表达形式及其在翅型分解过程中的要害效果,发现了昆虫翅发育调控的新机制。
  地球上的昆虫估计有1000多万种,现在现已命名的昆虫有100多万种。不同品种昆虫翅的质地、色彩、斑纹、翅脉均具有明显的特性,而翅的形状特征是昆虫分类的最重要依据。在昆虫的翅发育过程中,Ubx是一个决议性基因,决议着前翅与后翅的形状分解。已有的研讨标明:在果蝇、甲虫、蝴蝶等昆虫中,前翅不表达Ubx,只在后翅表达Ubx;Ubx在后翅的特异表达,使昆虫后翅的巨细、形状、斑纹、翅脉等与前翅不同。比方果蝇前翅不表达Ubx,发育成正常的膜翅,Ubx在后翅表达,使后翅退化成很小的平衡棒。那么,品种繁复的昆虫大家庭一切成员,Ubx的表达形式及其在前后翅分解中的功用是否遵从同一个形式?此外,有些品种的昆虫具有翅多型现象:比方蚜虫种群内有些个别有翅(有翅型),有些个别无翅(无翅型);褐飞虱种群内有些个别翅发育充沛(长翅型),有些个别翅发育程度很低(短翅型)。具有翅多型现象的昆虫,Ubx怎么调控不同翅型的前后翅发育与分解?这些问题的回答,对提醒昆虫多样性的进化机制、昆虫对环境的适应性机制具有重要的含义。
  褐飞虱是单食性昆虫,只取食水稻,刺吸水稻韧皮部汁液、传达水稻病毒。褐飞虱为害严峻时,整片水稻干枯倒伏。在长时刻的进化过程中,褐飞虱对水稻发生了高度适应性。在温带及亚热带地区,水稻在冬天无法生长,褐飞虱本身抗寒性差,无法经过休眠或许滞育的方法越冬。为了生计,褐飞虱进化出一套灵敏高效的翅型转化体系,以寻觅高质量寄主。当水稻养分状况恶化时,褐飞虱种群内以长翅型为主。长翅型成虫的翅发育程度高,前翅与后翅均善于身体,飞翔才能强,借助于季风可远距离迁飞到新的栖息地,在新栖息地找到养分状况好的水稻繁殖生息;当水稻养分状况良好时,褐飞虱种群以短翅型为主,短翅型成虫的翅发育程度低,前翅与后翅均短于身体,失掉飞翔才能,繁殖才能强,种群增殖才能强。两种翅型褐飞虱翅的巨细次序:长翅型前翅>长翅型后翅>短翅型前翅>短翅型后翅。Ubx作为翅形状决议的要害人物,怎么灵敏地呼应水稻养分状况,并发动长翅型或短翅型发育进程,是一个风趣的论题。
  研讨团队经过多年的驯化挑选,构建了遗传安稳的褐飞虱长翅品系及短翅品系。使用褐飞虱长翅型与短翅型品系,经过RNAi、qPCR、原位杂交、免疫组化、Gal4-UAS转基因果蝇品系等技术研讨褐飞虱Ubx在翅型分解中的功用。研讨结果标明,褐飞虱Ubx的表达形式与效果形式,与现有昆虫Ubx的经典理论存在着明显不同。首要表现在一是表达形式不同,褐飞虱Ubx在前翅与后翅翅芽中均有表达。二是Ubx经过剂量效应调控褐飞虱翅的发育程度,褐飞虱后翅Ubx的表达量高于前翅,短翅品系Ubx表达量高于长翅品系,Ubx剂量越高,翅发育程度越低,翅越小,反之,Ubx剂量越低,翅发育程度越高,翅越大。三是水稻养分状况调控褐飞虱胰岛素受体InR1/2的表达量,而InR1/2进一步调控褐飞虱Ubx的表达,养分匮乏的黄熟期水稻使InR1表达量升高,InR1按捺Ubx的表达量,使褐飞虱发育为长翅型,利于褐飞虱种群迁飞,寻觅新的栖息地;养分丰厚的分蘖期水稻使InR2表达量升高,InR2上调Ubx的表达量,使褐飞虱发育成短翅型,利于种群的增殖。     研讨结果证明,褐飞虱的Ubx没有选用果蝇、甲虫、蝴蝶等昆虫的0-1(前翅-后翅)形式,而选用剂量凹凸操控翅的巨细,依据水稻的养分状况及时调整表达量,确保翅的可塑性,翅型的发育与水稻养分状况坚持高度符合,利于种群的生计繁殖。风趣的是,Ubx就像一支戎行,不“出征”的时分低沉埋伏在前翅翅芽与后翅翅芽,使褐飞虱发育生长翅型;需求“出征”时当即高调很多现身,使褐飞虱发育成短翅型。果蝇、赤拟谷盗等昆虫,前翅在发育过程中至始至终没有Ubx,前翅与后翅形状发育方向很早就已确认,不可能发生翅可塑性。因而,褐飞虱Ubx的特别表达形式及效果形式,保证了翅发育的灵敏性与可塑性,进步其对水稻的适应才能。
  该研讨结果初次报导了半翅目昆虫Ubx的特别表达形式及功用,突破了昆虫翅发育的经典理论,为提醒褐飞虱成灾的内涵机制、褐飞虱寄主适应性机制、展开褐飞虱在虫源地迁出时刻的精细化猜测供给了重要依据。
  华中农业大学植物科学技术学院博士研讨生刘方舟、李祥、赵慕华为论文一起榜首作者,张启示教授和华红霞教授为论文通讯作者。该研讨得到了国家自然科学基金(31871953)、要点研制项目(2017YFD0301400)、中心高校根本科研业务费(2662015PY115)、我国农业科研体系专项资金(CARS-01-05)等项目赞助。
  论文链接:https://academic.oup.com/nsr/article/7/7/1181/5817860 日期:2020-10-13