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我所张传溪教授团队在Nature发文揭示昆虫长短翅型可塑性发育分子机制

编辑:admin 时间:2015-03-26 访问次数:1059

  

在不同的环境条件下,基因型完全相同的生物的外部形态和内部结构可能表现出显著的差异,这种发育可塑性是生物在长期进化过程为适应不断变化的生态环境而形成的一种极其重要的生存策略,昆虫的翅多型现象就是这种生物发育可塑性的典型例子。

很多昆虫如蚜虫、飞虱、蟋蟀等的若虫在不同环境条件下会选择性地发育成为长翅型或短(无)翅型成虫。长翅型个体具有发育完全的前后翅和飞行肌,具飞行能力,当环境条件恶劣时,可以向新的适宜生境扩散;而短翅型个体的前后翅和飞行肌退化,丧失飞行能力,但具有较高的生殖力,有利于种群在适宜的环境条件下快速增殖。因此,翅多型生物特性使这些昆虫在生态系统中成为优势种,如果这些昆虫是重要作物害虫,就会极大增加其防治的难度。

鉴于昆虫翅多型在进化发育生物学和农业科学研究中的重要性,它一直是基础生物学研究的一个热点。半个世纪以来,虽然众多学者以蚜虫、飞虱、蟋蟀为模式,对昆虫翅多型进行了广泛的研究,也积累了大量的资料,但尚未能揭示翅型分化的分子机制。针对这一悬而未决的科学问题,张传溪教授实验室选择了亚洲水稻重要害虫褐飞虱为模型,自主设计和研究,经过近五年的潜心努力,终于发现了控制昆虫长短翅型可塑性发育的分子机制,提出了2个胰岛素受体调控翅型分化的信号通路模型。研究结果于伦敦时间201531818:00(北京时间3192:00)在线发表于NatureXu et al., 2015. Two insulin receptors determine alternative wing morphs in planthoppers. Nature. DOI: 10.1038/nature14286)。徐海君副教授和博士生薛建为论文共同第一作者,通讯作者为张传溪教授和徐海君副教授,通讯作者单位和第一作者单位均为浙江大学。

该项研究发现,褐飞虱两个序列同源性很高的胰岛素受体在长、短翅分化中起着开关作用,其中第1个受体(受体I)扮演着典型的胰岛素受体功能,而第2个受体(受体II)则是反式调节因子。当受体II活性低时,胰岛素与受体I结合使后者自我磷酸化,信号经蛋白激酶B(Akt)传递至一种叫FOXO的转录因子并使其磷酸化,磷酸化的FOXO滞留于细胞质中,不能发挥转录因子活性,个体就发育为长翅型。相反,当受体II活性高时,受体II与受体I结合形成异源二聚体,使翅芽中的胰岛素信号传递途径失活,未被磷酸化的FOXO会进入细胞核,发挥转录因子的活性,个体发育为短翅型。为了证明这种调控机制是否具有普遍性,他们同时用另外2种水稻重要害虫(白背飞虱和灰飞虱)作了进一步验证,结果表明飞虱科昆虫翅型的可塑性发育都是由这2种胰岛素受体开关调控。该项结果在进化发育生物学和昆虫翅型可塑性发育研究上具有重要意义,Nature外审专家指出该研究代表了多型现象分子机理研究的一个里程碑This study represents a milestone in the molecular understanding of a polyphenic trait

    胰岛素信号转导通路是动物细胞最基本通路,该通路异常与许多疾病相关。该项研究的另一意义是发现了2个胰岛素受体具有完全相反的正负向调节功能,这挑战了人们对胰岛素受体传统功能的认知,扩展了人们对生物胰岛素信号途径调控的认识