摘要
昆虫是动物界中种类最为庞大的类群，变态是昆虫发育中的重要研究方向之一。在鳞翅目昆虫从幼虫到蛹的变态发育期间，对激素与代谢变化之间的控制机理、脑部神经肽变化、细胞增殖分子机制等多方面都了解较少。棉铃虫Helicoverpaarmigera(Lepidoptera:Noctuidae)是全球性的重大农业害虫，危害棉花、玉米和高粱等多种农作物。作为一种鳞翅目昆虫，棉铃虫目前已经被作为模式生物用来研究昆虫的变态发育。因此通过对棉铃虫幼虫到蛹的变态发育研究，一方面有利于更加深入理解鳞翅目昆虫从幼虫到蛹的变态发育有更多的内在分子机制，另一方面有利于促进对棉铃虫新型防控技术的开发。本文研究了棉铃虫幼虫到蛹的变态发育，主要的研究内容与研究结果如下: 1.为了明确棉铃虫从幼虫到蛹的变态发育过程中基因表达与调控机制，我们通过转录组学技术手段，分析了棉铃虫脑和脂肪体组织在末龄幼虫取食期(thefeedingstage)、游走初始期(theinitiationofwanderingstage)、预蛹期(theprepupalstage)和刚化蛹时期(theinitiationofpupalstage)差异表达基因，以及在这些时期内所发生的重要生理过程的分子机制，包括保幼激素和蜕皮激素信号通路、脑部神经肽和激素(神经肽)受体、胰岛素信号通路、自噬、细胞凋亡和增殖等。结果发现，脂肪体内差异表达的基因数量和基因表达模式的差异显著大于脑。脑部大量神经肽具有相同的变化趋势，即在取食期和游走初始期高表达，在预蛹期和刚化蛹时低表达。很多激素(神经肽)受体在游走初始期特异性升高。脂肪体自噬相关基因在变态过程中表达逐渐增强，染色结果同样表明脂肪体自噬水平从取食期到刚化蛹时不断增强。Apaf1、IAP-bindingmotif1like、组织蛋白酶(cathepsins)和凋亡蛋白酶(caspases)与细胞凋亡的激活关系密切。JNK通路(jun-D)、TGF-β通路(decapentaplegic，glassbottomboat)、insulin通路(脂肪体insulin-likepeptides)和Wnt通路(wntless，TCF/Pangolin)参与了细胞增殖过程。为了研究myoglianin蛋白对棉铃虫保幼激素限速酶JHAMT的调控作用，用人源化的myostatin蛋白培养4龄期棉铃虫头部组织，结果发现myostatin并没有调节JHAMT转录水平的作用。为了研究溶酶体内蛋白酶是否参与变态过程，在预蛹期注射溶酶体蛋白抑制剂亮抑酶肽阻碍了幼虫到蛹的变态，蛹的畸形率显著增加，暗示了溶酶体可能参与棉铃虫化蛹。 2.为了明确棉铃虫幼虫至蛹变态发育过程中代谢变化和代谢调控机制，我们结合转录组学和代谢组学，分析了棉铃虫脂肪体的代谢相关基因表达模式和棉铃虫脂肪体和血清中代谢物变化。结果发现，不同发育时期血清内代谢物含量变化幅度大于脂肪体。由于来自相反代谢通路的代谢相关基因具有相似的表达谱，代谢相关基因的转录变化趋势可能无法反映代谢变化的趋势。整合代谢相关基因表达谱和代谢产物的变化可以更好地反映棉铃虫幼虫至蛹的代谢变化。取食期激活的有氧糖酵解为细胞增殖和脂质合成提供了大量的中间代谢物和能量。在游走初始期和预蛹期，有氧糖酵解和脂肪酸β-氧化被抑制，脂肪内的脂质降解被激活。戊糖磷酸代谢也在预蛹期被抑制。在预蛹期被抑制的代谢通路很可能与20E诱导的细胞凋亡有关。血清中累积的肉碱与20E协同促进大量的酰基肉碱累积于血清中。血清中的酰基肉碱很可能进入其他组织作为能量来源。在肉碱和20E共同调控下出现的血清中酰基肉碱累积很可能是一种新发现的脂质从脂肪体转运到其他组织的方式。脂肪体内自噬水平的不断升高促进了蛋白降解的加强，导致预蛹期脂肪体内氨基酸含量升高。含氮化合物经过代谢后转化为尿酸和黄尿酸累积并储存于脂肪体中以防止毒性代谢物的产生。5-羟色胺激素前体5-羟基色氨酸和多巴胺分别在游走初始期和预蛹期的血清中含量较高,暗示了5-羟基色胺和多巴胺信号通路可能在变态发育期间起着重要的作用。 总的来说，本研究通过分析不同时期基因的表达和代谢物的变化，阐明了幼虫至蛹变态发育过程的整体发育特点。通过深入分析变态发育过程中的关键基因表达谱和代谢物变化，提出了细胞凋亡，细胞增殖及脂质运输的多个重要模型,为鳞翅目昆虫幼虫至蛹变态的研究和棉铃虫防控新技术的开发提供了理论借鉴。
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