TSSKL对蛾类精子的线粒体形态发生以及雄性生育能力至关重要

《PLOS Genetics》：TSSKL is essential for sperm mitochondrial morphogenesis and male fertility in moths

昆虫精子形态发生与能量代谢调控机制研究：以TSSKL基因为例，通过CRISPR/Cas9技术构建家蚕（Bombyx mori）和甘蓝夜蛾（Plutella xylostella）的TSSKL基因敲除株，发现该基因在雄性生殖中起关键作用。突变体表现为完全雄性不育，雌性正常，精子束呈现核定位异常、线粒体衍生体结构紊乱及自噬体积累，并通过RNA-seq和KEGG通路分析揭示其通过调控线粒体融合/分裂（如DLP1、FIS1、MIB1等基因）和能量代谢（三羧酸循环、氧化磷酸化相关基因）影响精子功能。进化保守性实验证实该机制在鳞翅目昆虫中普遍存在，为精准灭活害虫提供了新靶点。

　　在动物界中，精子是传递父系遗传物质的关键媒介，对性繁殖具有不可或缺的作用。因此，研究精子形态形成过程的分子调控机制成为遗传学领域的重要课题，这不仅有助于深入理解生殖生物学的基本原理，也为开发针对性的害虫管理策略提供了理论基础。本研究聚焦于TSSKL基因在鳞翅目昆虫中的功能，特别是通过基因编辑技术揭示其在两种代表性物种——模式生物家蚕（*Bombyx mori*）和全球破坏性农业害虫小菜蛾（*Plutella xylostella*）中的作用。研究结果表明，TSSKL基因在精子形成过程中发挥着核心作用，其缺失会导致雄性完全不育，而对雌性繁殖能力无明显影响。这一发现不仅揭示了TSSKL在鳞翅目昆虫中的重要性，还为害虫控制提供了新的分子靶点。

### 精子形态形成与TSSKL基因的关系

精子的形成过程，即精子发生，涉及复杂的细胞分化和结构重塑。在大多数动物中，雄性通常产生一种类型的精子，但在鳞翅目昆虫中，精子呈现出二态性，即有核的eupyrene精子和无核的apyrene精子。这两种精子在功能上具有显著差异，其中apyrene精子通常表现出更强的运动能力，并在受精过程中发挥辅助作用。而eupyrene精子则在结构上更为复杂，包含组织化的轴丝和线粒体，这些结构在精子尾部形成过程中至关重要。精子的运动能力依赖于ATP的供应，而线粒体作为ATP的主要生产者，其功能的正常维持对于精子的活力和雄性生育能力具有决定性影响。

TSSKL基因属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族，该家族在细胞发育和生殖过程中扮演着关键角色。特别是在雄性生殖系统中，TSSK基因的表达往往局限于睾丸，其功能与精子的形态形成和运动密切相关。在一些研究中，TSSK1和TSSK2的缺失会导致雄性不育，TSSK3的缺失则引发精子形态异常，TSSK4调控精子运动，TSSK5通过磷酸化cAMP反应元件结合蛋白（CREB）促进精子形成，TSSK6则通过干扰肌动蛋白聚合影响精子形态和生育能力。然而，尽管TSSK基因在鳞翅目昆虫中已有一定的研究，其在精子线粒体形态形成和精子迁移等具体过程中的分子机制仍缺乏深入探索。

本研究首次系统地探讨了TSSKL基因在鳞翅目昆虫中的功能。通过CRISPR/Cas9技术，在家蚕中构建了TSSKL基因的敲除突变体，发现这些突变体在所有发育阶段均表现出正常的表型，但其雄性个体完全丧失生育能力。值得注意的是，这些突变体的雌性仍能正常繁殖，这表明TSSKL基因具有性别特异性功能。进一步的免疫荧光和透射电镜分析显示，TSSKL基因的缺失导致了eupyrene和apyrene精子的形态缺陷，特别是线粒体结构的异常。这可能与线粒体的融合和分裂过程被干扰有关，因为线粒体的动态变化对于精子的形态形成和功能维持至关重要。

此外，研究还发现TSSKL基因的缺失影响了线粒体的代谢功能，这可能与精子运动所需的能量供应受损有关。在TSSKL基因敲除的家蚕中，睾丸组织中与线粒体代谢相关的基因表达显著下调，导致线粒体功能紊乱，进而影响精子的运动能力。这一现象在小菜蛾中同样得到了验证，说明TSSKL基因在鳞翅目昆虫中具有高度保守的功能，可能在不同物种间通过相似的机制调控精子形成和迁移。这些发现不仅加深了我们对鳞翅目昆虫精子形成机制的理解，也为利用基因编辑技术进行害虫控制提供了理论依据。

### TSSKL基因在精子迁移中的作用

精子迁移是受精过程中的关键步骤，尤其是在鳞翅目昆虫中，精子需要从雄性生殖器官迁移到雌性生殖系统中才能完成受精。本研究通过比较不同交配组合下的受精情况，发现TSSKL基因缺失的雄性个体无法将精子成功转移到雌性的 spermatheca（精子囊）中。在WT（野生型）雌性与TSSKL基因缺失的雄性交配后，其精子囊为空，与未交配的雌性相似，这表明精子迁移过程受到了严重影响。而WT雄性与TSSKL基因缺失的雌性交配后，虽然能够产生正常数量的卵，但这些卵无法成功孵化，这进一步证明了TSSKL基因在雄性生育中的关键作用。

进一步的分子分析表明，TSSKL基因的缺失影响了与精子运动相关的基因表达，包括与肌动蛋白聚合、线粒体定位和ATP合成相关的基因。这些基因的表达水平在TSSKL基因敲除的个体中显著下降，导致精子无法有效运动并完成迁移过程。这种现象在小菜蛾中同样存在，说明TSSKL基因在不同鳞翅目昆虫中具有相似的功能。这些结果表明，TSSKL基因可能通过调控精子的运动能力，影响其在雌性生殖系统中的迁移，从而间接影响受精和后代的产生。

### TSSKL基因的进化保守性

本研究还探讨了TSSKL基因在鳞翅目昆虫中的进化保守性。通过比较家蚕和小菜蛾的基因表达模式，发现TSSKL基因在两种物种中均具有高度的睾丸特异性表达，并且其表达水平在不同的发育阶段也呈现出相似的动态变化。这表明，TSSKL基因在鳞翅目昆虫中可能具有共同的进化基础，其功能在不同物种中保持一致。这种保守性不仅支持了TSSKL基因在精子形成中的核心作用，也为其在害虫控制中的广泛应用提供了可能性。

进一步的实验表明，TSSKL基因的缺失在小菜蛾中同样导致了雄性不育，而雌性仍能正常繁殖。这一结果与家蚕中的观察一致，说明TSSKL基因的功能在鳞翅目昆虫中具有高度保守性。此外，TSSKL基因的缺失还影响了小菜蛾精子的形态，包括线粒体结构的异常和精子囊的空置。这些结果进一步表明，TSSKL基因在精子形成和迁移中的作用是普遍存在的，而不仅仅是特定物种的特征。

### TSSKL基因的功能机制

从分子机制的角度来看，TSSKL基因可能通过调控线粒体的融合和分裂过程，影响精子的形态和功能。线粒体的动态变化是精子形成过程中的重要环节，它不仅决定了精子的结构完整性，还影响了其能量供应和运动能力。在TSSKL基因缺失的个体中，线粒体的融合和分裂过程受到干扰，导致线粒体结构异常和能量代谢紊乱。这可能与TSSKL基因调控的多种蛋白有关，例如与线粒体融合相关的Mch和Slp2，与线粒体分裂相关的Dlp1和Fis1，以及与线粒体质量控制相关的E3和Mib1。这些蛋白的表达水平在TSSKL基因缺失的个体中显著下调，导致线粒体功能受损，进而影响精子的运动能力。

此外，TSSKL基因的缺失还可能影响精子的代谢过程，导致ATP合成受阻。线粒体的结构和功能变化可能进一步影响精子的核结构和轴丝的组织，最终导致精子无法正常完成受精过程。这种机制在不同鳞翅目昆虫中具有相似性，表明TSSKL基因在精子形成中的作用是保守的，可能通过调控线粒体动态和代谢过程，影响精子的形态和功能。

### TSSKL基因在害虫控制中的应用前景

由于TSSKL基因在雄性生育中的关键作用，其可能成为鳞翅目害虫控制的潜在靶点。通过基因编辑技术，如CRISPR/Cas9，可以特异性地敲除TSSKL基因，使雄性个体失去生育能力，而雌性仍能正常繁殖。这种“精准不育”策略可以有效减少害虫种群数量，而不会对非目标物种造成影响。此外，TSSKL基因的缺失不会影响害虫的交配行为，这意味着该基因的靶向编辑不会干扰害虫的自然行为模式，从而降低对生态系统的负面影响。

本研究在小菜蛾中成功构建了TSSKL基因的突变体，并观察到与家蚕相似的不育现象。这一结果表明，TSSKL基因在鳞翅目昆虫中的功能具有高度的保守性，可能成为害虫控制的通用靶点。此外，由于TSSKL基因的表达和功能在不同鳞翅目物种中相似，该基因的靶向编辑可能具有广泛的应用前景，不仅适用于家蚕，还可以推广到其他农业害虫。

### 研究方法与技术细节

为了验证TSSKL基因的功能，研究采用了多种实验方法。首先，通过RNA-seq和qPCR分析，研究团队发现TSSKL基因在睾丸中具有高度的表达特异性。随后，利用CRISPR/Cas9技术构建了TSSKL基因的敲除突变体，并通过荧光显微镜和透射电镜观察其对精子形态和结构的影响。此外，研究还通过免疫荧光分析检测了TSSKL蛋白在睾丸中的表达情况，发现突变体中几乎检测不到该蛋白，进一步支持了其在精子形成中的关键作用。

在实验过程中，研究团队还采用了多种分子生物学技术，如DNA提取、PCR扩增、基因测序和荧光标记。这些技术的应用不仅提高了实验的准确性，也为后续的基因表达分析和突变体鉴定提供了可靠的依据。此外，通过统计分析，研究团队验证了不同交配组合下的繁殖效果，发现TSSKL基因缺失的雄性个体无法产生可育后代，而雌性个体仍能正常繁殖。

### 结论与展望

本研究揭示了TSSKL基因在鳞翅目昆虫精子形成和迁移中的核心作用，其缺失会导致雄性完全不育，而对雌性无显著影响。这一发现不仅为理解昆虫生殖生物学提供了新的视角，也为害虫控制策略的开发提供了重要的分子靶点。通过精准不育技术，可以有效减少害虫种群数量，同时避免对非目标物种的干扰。

未来的研究可以进一步探讨TSSKL基因在不同鳞翅目昆虫中的具体作用机制，以及其在其他昆虫类群中的保守性。此外，还可以探索TSSKL基因与其他生殖相关基因的相互作用，以更全面地理解其在精子形成中的调控网络。这些研究将有助于开发更高效、更安全的害虫控制技术，为可持续农业提供新的解决方案。