编码昆虫几丁质生物合成关键酶基因功能的研究进展.pdf

第 卷编码昆虫几丁质生物合成关键酶基因功能的研究进展 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 檱檱 檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱 檱檱 殗 殗 殗 殗 储粮有害生物及防治技术 编码昆虫几丁质生物 合成关键酶基因功能的研究进展 鲁玉杰王改霞王争艳 （ 河南工业大学粮油食品学院 ） 摘要几丁质是自然界中广泛存在的氨基多糖，对昆虫的生长发育极其重要且不存在 于脊椎动物中，因此可以作为开发新药剂的作用靶标。几丁质生物合成途径由多种酶调控完 成，研究编码几丁质生物合成中关键酶基因的功能有助于利用 干涉技术或者饲喂技术 开发新型的生物农药。因此编码昆虫几丁质生物合成途径中关键酶的基因功能的研究成为国 际上研究的热点。综述了近年来国际上对编码昆虫几丁质生物合成途径中关键酶的基因的研 究进展，提出了目前研究的热点和未来的研究方向，也提出了该基因功能的研究对于储粮害 虫综合防治中的应用前景，为开发新的生物源药剂提供了理论依据。 关键词几丁质几丁质生物合成生物源农药基因基因功能 几 丁 质 作 为 自 然 中 分 布 最 广 泛 的 氨 基 多 糖 ，在昆虫体内最主要的功能是作为支架材 料，与蛋白质相互作用形成昆虫的表皮、气管以及 消化管上皮围食膜的角质层，保护昆虫的内部器 官，并 防 止 外 源 毒 素 和 病 原 体 对 生 物 体 的 侵 害 ，。昆虫的生长与变态严格依靠几丁质结构的 改变。因此几丁质合成和降解的控制成为专一性新 型杀虫剂和杀菌剂的研究热点。 通过 衍射可以发现几丁质是多晶体物 质，其晶体形式性质不同，具有 ，和几 丁质 种形式 。 及 发 现 昆 虫 内、外表皮以及新形成的未硬化的前表皮都含有几 丁质，但在上表皮蜡质层中没有发现几丁质的存 在 。同时，几丁质也是昆虫体内围食膜和气管表 皮的重要组分，和其他蛋白质基质互相联系，形成 食物和肠道细胞间的屏障，避免外界病原物侵染并 加速食物消化 ，。由于高等动物体内不存在几丁 质，因此几丁质的生物合成途径成为设计杀虫剂的 安全靶标。虽然几丁质是自然界重要的多聚物之 一，但对其生物合成知之甚少。几丁质在生物体内 的合成是由一系列酶催化完成的，其中几丁质合成 酶是关键酶之一，另外还发现了海藻糖酶、 乙酰氨基葡萄糖焦磷酸化酶等种酶的参 与，但目前几丁质合成的最后一步仍未弄清，以及 这些酶对几丁质的合成是如何调控的都没有一致的 结论。为了探明昆虫几丁质合成的机制，为研制和 开发新的杀虫剂提供新的理论依据，本文综述了几 丁质合成相关的几种关键酶及其调控基因对昆虫生 长发育影响的研究进展，为丰富昆虫几丁质生物合 成途径以及基因的调控机制提供理论依据。 昆虫几丁质生物合成途径 昆虫几丁质的合成过程是非常复杂的。 年， 和 首次提出昆虫体内几丁质合成 基金资助：国家自然科学基金项目资助 （ ） 通讯地址：郑州高新技术开发区莲花街 号 粮食储藏 （） 途径起始于葡萄糖，终止于 乙酰葡萄 糖胺 。 年， 以蓖麻蚕作为试验主 体，首次证实昆虫合成几丁质的供体是糖 。到 年， 综合前人的研究成果，提出了几 丁质 的 生 物 合 成 途 径，该 合 成 途 径 有 多 种 酶 参 与 ，包含 海 藻 糖 酶 （ ） ，己 糖 激 酶 （ ） ，葡萄糖磷酸异构酶 （ ） ，谷氨酸盐：果糖 磷酸转氨酶 （ ： ） ，葡糖胺磷酸 乙酰转移酶 （ ） ，磷酸乙酰氨基葡萄糖变位酶 （ ） ， 乙酰氨基葡萄糖焦磷酸化酶 （ ）和几丁质合成酶 （ ） 。 关于几丁质的合成通路，目前研究较多的主要 是几丁质合成酶 （ ）和 乙酰氨基葡萄糖焦磷酸化酶 （ ， ） 。几 丁质合成酶 （ ， ）是昆虫几丁 质生物代谢过程中的关键酶之一，并且由于高等动 物体内不存在这种酶， 被公认为是理想的杀 虫剂靶标，因此在目前的研究中具有很高的研究价 值。 乙酰氨基葡萄糖焦磷酸化酶 （ ， ）在生物体内普遍存在，主要作用于生物体 的细胞质，催化 和 乙酰氨基葡萄糖 磷酸的反应，形成 乙酰氨基葡萄糖。 乙酰氨基葡萄糖是昆虫合成几丁质、肽 聚糖、脂多糖、糖蛋白等物质的前体物质 。 编码昆虫几丁质生物合成关键酶基 因的功能研究进展 几丁质合成酶基因 世纪 年代，随着分子生物学的快速 发展，几丁质合成酶基因的信息也逐渐完善。昆虫 几丁质合成酶基因有种，一种是几丁质合成酶 基因 （ ） ， 一 种 是 几 丁 质 合 成 酶 基 因 （ ） 。昆虫几丁质合成酶基因首次在丝光绿蝇 （ ）中克隆出来，经证实是几丁质 合成酶基因 。随后，几丁质合成酶基因相继 在黑腹果蝇 （ ） 、烟草 天蛾 （ ） ， 、赤拟谷盗 （ ） ， 、甜菜夜蛾 （ ） ， 等昆虫体内发现并克隆出来。随着基因 组测序和转录组数据的完善，目前已经有 多种 昆虫、螨和线虫的几丁质合成酶基因序列公布在 数据库中 。基因组测序，基因克隆和表达 实验结果显示，昆虫和线虫基因组中存在种几丁 质合成酶基因，分别编码类 ，即 和 ， 。 研究发现：利用 技术沉默赤拟谷盗的 基因后发现赤拟谷盗在幼虫、化蛹、羽化 个时期发生蜕皮障碍，且体内几丁质的含量降低。 基因沉默后发现不仅与昆虫蜕皮无关，反而 直接影响赤拟谷盗的取食行为，最终导致赤拟谷盗 的幼虫形体减小，同时还致使赤拟谷盗中肠围食膜 的合成受阻 。对东亚飞蝗的幼虫注射 、 发现， 转录产物水平下降，飞蝗 死亡率升高。但是，从幼虫生长蜕皮直到羽化为成 虫，都没有观察到明显的形态变化。将飞蝗解剖， 比较实验组和对照组的飞蝗中肠发现，实验组飞蝗 中肠的长度远远短于对照组。此外，观察中肠薄切 片，结果显示，实验组飞蝗的中肠更无规则且更 细，这个结果揭示了 直接影响中肠围食 膜的合成，并与昆虫的生长发育息息相关 。同 样，对埃及伊蚊的 基因的研究也发现，几 丁质是中肠围食膜的重要组成部分。基因干扰之 后，埃及伊蚊中肠 乙酰氨基葡萄糖合 成受阻 。总之，通过 和几丁质含量的准 确测量可以得出 基因对于昆虫几丁质的生物 合成具有重要且独特的作用。 基因的敲除仅 仅影响昆虫中肠围食膜的含量而对整个昆虫的几丁 质影响不大，然而 基因的敲除却导致昆虫 外表皮的几丁质含量大幅度下降。因此，可以认为 是 中 肠 围 食 膜 几 丁 质 合 成 的 关 键 酶，而 基因则主要影响昆虫表皮和气管的几丁质合 第 卷编码昆虫几丁质生物合成关键酶基因功能的研究进展 成。 基因的两种亚型的功能，在大多数昆虫 体内也得到验证 。 乙 酰 氨 基 葡 萄 糖 焦 磷 酸 化 酶 （ ）基因 基 因， 又 称 、 或 ，对昆虫的表皮组织、气管组织的形成以 及蛋白的糖基化必不可少 。目前发现的节肢 动物的 乙酰氨基葡萄糖焦磷酸化酶基 因中，除飞蝗和赤拟谷盗具有个 基因外， 其他物种都只含有个 基因。 研究了赤拟谷盗个乙酰氨基葡萄糖 焦磷酸化酶 （ ）基因对赤拟谷盗蜕皮、存活 以及繁殖的影响。研究发现 基因对于几丁质 合成、糖蛋白的基化和某些基底膜的合成都有很大 的影响。个基因主要在赤拟谷盗生长发育和组织 特异性表达方面存在差异。对赤拟谷盗幼虫进行 干扰，导致赤拟谷盗表皮几丁质完整性丧失， 中肠围食膜中几丁质含量下降，且发现 基因对赤拟谷盗的影响随着干扰期的变化而效果不 同。注射 后，能够阻碍赤拟谷 盗幼虫生长，同时蛹出现麻痹现象。干扰赤拟谷盗 成虫，发现雌雄虫脂肪体大量消耗，最终死亡，而 雌虫则伴随着产卵停止的现象。这些结果证明， 基因与赤拟谷盗的生长发育和存活密切相 关，无论哪一个基因发生缺失，都能使昆虫死亡。 当 基因缺失时，会影响赤拟谷盗表皮和 围食膜的几丁质合成，而 基因缺失时， 则可能影响蛋白质的糖基化和次生代谢产物的合 成 。 基因的功能在东亚飞蝗 （ ）体内也得到验证 。 研究基 因 对 果 蝇 的 影 响， 发 现 基因主要编码 乙酰氨基葡萄糖焦 磷酸化酶，该酶是糖基化过程中的关键酶。 基因沉默后，果蝇中枢神经系统发育缺陷，背部气 管闭合，眼睛发育障碍。由此说明， 基因与 果蝇蛋白质的糖基化以及中枢神经的发育息息相 关， 基 因 缺 失 会 严 重 影 响 果 蝇 的 生 长 发 育 ， 。有学者对甜菜夜蛾 基因进行了克隆 以及功能分析。研究发现，甜菜夜蛾 基因在 在表皮和卵巢中大量表达，在中肠和表皮中的表达 次之。进行 干扰之后，发现甜菜夜蛾均在蛹 期出现畸形，无法正常羽化。同时， 结 果显示， 基因的沉默导致几丁质合成酶基 因明显下调，而对几丁质合成酶基因无影响。因 此，甜菜夜蛾 基因能够影响幼虫的化蛹和羽 化过程，并对几丁质合成通路的下游基因具有调控 作用。 以上研究结果表明， 基因编码合成 乙酰氨基葡萄糖焦磷酸酶是生物体内的一种 关键酶。研究发现 基因不仅跟昆虫表皮和围 食膜几丁质合成相关，同样也影响昆虫蛋白质的糖 基化以及次生代谢物的产生，还可能调控下游基因 的表达。这些研究成果为今后寻找杀虫剂的作用靶 标提供了一个新的思考方向。 抑制几丁质生物合成途径关键酶基 因对储粮害虫防治的展望 目前，储粮害虫的防治主要依靠磷化氢熏蒸， 但由于磷化氢的过度使用以及使用过程中的不规范 操作，使储粮害虫对磷化氢产生很大的抗性。例 如：储粮书虱、扁谷盗类等，单纯依靠磷化氢熏蒸 已经无法遏制种群爆发，给储藏物造成了无法弥补 的损失。 由于几丁质在昆虫的生长发育过程中有重要作 用且不存在于脊椎动物中，因而可以被用作靶标来 开发新型的杀虫剂和杀菌剂。该类药剂对人畜较为 安全，是环境友好农药。尤其是近几年分子生物学 技术的高速发展，为我们储粮害虫的防治提供了新 的思路。依靠昆虫分子生物技术开发储粮药剂，我 们必须找到害虫的某些作用靶标，利用 干扰 的方法将靶标基因敲除掉，从而使害虫无法完成自 身的生长发育。这一项新的研究为我们找到一种新 型的储粮害虫防治方法提供了技术保障，也为储粮 害虫防治提供了科学依据。 赤拟谷盗作为一种模式昆虫，在储粮害虫中有 着举足轻重的作用。对赤拟谷盗进行的各种关于分 子生物学的研究，都为我们提供了巨大的帮助。目 粮食储藏 （） 前赤拟谷盗的基因组序列已经完全得到，甚至一些 基因的功能已经得到验证，这些研究成果对储粮害 虫后续的研究提供了一个广阔的发展空间。 储粮害虫的防治，除了目前所采用的磷化氢熏 蒸以及物理防治的方法，可以根据目前已经得到的 研究成果进行下一步的研究，以期找到一种新的防 治方法。而新的防治方法需要找到这种防治方法所 对应的作用靶标。众所周知，无论是昆虫的取食行 为、蜕皮行为、交配行为或者繁殖行为，都可能有 研究需要的作用靶标。从昆虫分子生物学的角度出 发，只要找出一种行为的作用靶标并进行功能验 证，就可能找出一种新型的防治方法，开发一种新 药剂。从昆虫蜕皮行为来说，可以找到很多的作用 靶标，可以是表皮形成的酶，可以是蜕皮过程中的 酶，甚至是某种激素的合成都可能是寻找的靶标。 储粮害虫作为一种防治对象，无论采取什么样的方 法，最终的目的是为了杀灭害虫，保持储藏物以及 储藏环境的安全性。 根据研究成果，本课题对一种抗性极高的储粮 害虫 锈赤扁谷盗进行了研究，主要研究锈赤扁 谷盗体内与几丁质合成相关的几种酶的基因分析和 功能验证。锈赤扁谷盗作为一种对磷化氢抗性极高 的品种，目前已经没有任何一种有效的方法对其进 行防治。对药剂抗性的高速发展已经造成极大的生 物安全性。目前我们对于几丁质合成相关的几种基 因研究也已经取得了很大的突破，相信在不久的将 来，锈赤扁谷盗的防治将再也不是问题。 参考文献 ： ， ， （） ： ， ， ， ， （ ） ： ： ， ， （ ） ： ， ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， （） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， （） ： ， ， ， ， ， ， ， ： ， ， ， （） ： ， ， ， ， ， ： ， ， （ ） ： ： ， ， （） ： ， ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （） ： ， ， ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， ， ， ， 第 卷编码昆虫