基于基因共表达网络分析的红头辉斑蛾幼虫越冬关键基因鉴定及其分子机制研究

《BMC Genomics》：Identification of key genes associated with overwintering in Histia rhodope larva using gene co-expression network analysis

本研究通过RNA-seq技术获取红头辉斑蛾（Histia rhodope）五个越冬阶段的转录组数据，结合加权基因共表达网络分析（WGCNA）和蛋白质互作网络（PPI）分析，筛选出与越冬相关的关键基因（如热休克蛋白Hsp、脂肪酸去饱和酶FAD、甘油激酶GK等），并验证其表达模式。研究揭示了脂代谢、抗氧化应激及核糖体通路在昆虫低温适应中的协同调控作用，为阐明害虫越冬分子机制及种群扩散预测提供了理论依据。

　　

引言

温度是影响昆虫生长、发育及种群动态的关键环境因子。冬季低温直接威胁昆虫生存，部分昆虫通过迁移或潜入深层土壤等行为策略规避低温伤害，另一些则通过调节生理生化物质（如甘油、海藻糖等）提升耐寒性。红头辉斑蛾作为危害秋枫树的重要害虫，其老熟幼虫常在落叶、砖缝及树皮等处结茧越冬。近年来随着全球气候变暖，该虫的分布范围呈现北扩趋势，明确其越冬分子机制对种群发生动态预测及防控具有重要意义。

材料与方法

研究于2022年10月至2023年3月在河南科技大学校园内采集红头辉斑蛾越冬代老熟幼虫，按节气划分五个越冬阶段（A：霜降，B：小雪，C：小寒，D：雨水，E：惊蛰），每个阶段取15头幼虫进行转录组测序。通过Trinity软件组装获得231,780条非冗余基因（unigenes），利用DESeq2筛选差异表达基因（DEGs），并开展GO和KEGG富集分析。进一步采用WGCNA构建基因共表达网络，筛选与越冬性状显著相关的模块，通过STRING数据库构建蛋白质互作网络（PPI），并利用qRT-PCR验证10个关键基因的表达模式。

结果

转录组数据质量与差异表达基因

测序共获得6.41亿条高质量清洁读数，Q30均高于94.34%。组装转录本平均长度为1,016.82 bp，N50为2,207 bp。共鉴定8,649个DEGs，其中A vs. B和D vs. E阶段差异基因数量最多（分别为2,334和4,963个）。Venn图显示四个比较组共享3个DEGs，其中氧化还原酶活性相关基因在A vs. B、C vs. D和D vs. E中富集。

低温耐受相关基因的表达特征

从注释信息中筛选出30个与耐寒性相关的DEGs，包括热休克蛋白（Hsp）、甘油磷酸脱氢酶（GPDH）、脂肪酸去饱和酶（FAD）、海藻糖转运蛋白（TRET）及脂肪酶等。其中脂肪酶基因（DN1327_c0_g2、DN25526_c0_g1）在越冬中期（B、C、D阶段）表达上调，推测其参与脂肪分解生成甘油的过程；FAD基因（DN3513_c0_g1）在D阶段表达最高，可能通过增加不饱和脂肪酸含量维持膜脂流动性；甘油激酶（GK）和GPDH基因（DN1007_c0_g1、DN600_c0_g1）在低温阶段（C）显著高表达，提示其调控甘油合成途径；TRET基因（DN3960_c1_g2）在D阶段达峰值，可能参与海藻糖的转运以应对低温胁迫。

基因共表达网络与枢纽基因

WGCNA将基因划分为8个模块，其中蓝色模块（1,753个基因）和绿色模块（507个基因）与越冬阶段C、D显著正相关。枢纽基因包括转位子相关蛋白（TRAP）、硫氧还蛋白（TRX）、甘氨酸裂解系统H蛋白（GCSH）、40S/60S核糖体蛋白（RPS/RPL）及ATP合成酶亚基等。PPI网络分析显示，绿色模块中60S/40S核糖体蛋白和Hsp90互作连接数最多，蓝色模块中推定丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（STPK）为核心节点。

qRT-PCR验证

选取10个基因（如Hsp、脂肪酶、核糖体蛋白等）进行qRT-PCR验证，其表达趋势与转录组数据一致，均在低温阶段（B、C、D）表达升高，证实测序结果可靠性。

讨论

本研究筛选的耐寒相关基因中，脂肪酶、FAD、GK等通过调节脂质代谢和甘油合成增强昆虫低温适应性；Hsp家族基因（如DN43456_c0_g1）在低温阶段上调，可能通过维护蛋白质稳定性发挥保护作用；TRX和细胞色素P450（CYP450）基因参与抗氧化应激反应，清除低温诱导的活性氧（ROS）积累。WGCNA和PPI分析进一步揭示核糖体蛋白在蛋白质合成中的核心地位，而STPK可能通过磷酸化修饰调控信号转导与能量代谢。这些基因的协同表达构成了红头辉斑蛾越冬的复杂分子网络。

结论

研究首次系统解析了红头辉斑蛾越冬过程中的关键基因及其调控通路，明确了脂代谢、抗氧化应激及蛋白质合成等相关基因在低温适应中的作用。结果不仅为揭示昆虫越冬分子机制提供新视角，还可为害虫种群扩散预测及靶向防控策略开发提供理论依据。