蚜茧蜂小热休克蛋白基因家族扩张及其在滞育调控中的多层次机制研究

《BMC Genomics》：Genome-wide identification and multi-level analysis of the HSP gene superfamily in Aphidoletes aphidimyza: sHSP gene family expansion and its role in diapause regulation

本研究针对天敌昆虫蚜茧蜂(Aphidoletes aphidimyza)在生物防治应用中存在的低温储存难题，通过全基因组鉴定和转录组分析，揭示了sHSP基因家族通过选择性扩张形成多层次调控机制的关键作用。研究发现CladeX亚家族在滞育过程中特异性高表达，其单外显子结构、磷酸化修饰和激素响应元件共同构成了快速应激保护网络，为改善天敌昆虫储存技术提供了新思路。

　　

在生物防治领域，蚜茧蜂(Aphidoletes aphidimyza)作为重要的天敌昆虫，能有效控制60多种蚜虫的危害。然而，这种捕食性昆虫对低温等不良环境高度敏感，其蛹期的低温储存存在保质期短、存活率低等技术瓶颈。令人惊奇的是，蚜茧蜂在长期进化过程中形成了独特的生存策略——当遭遇低温和短日照条件时，会进入滞育状态，这是一种发育停滞的生理现象，能使昆虫在恶劣环境中存活数月甚至数年。

以往研究多关注滞育过程中海藻糖、甘油等能量物质的积累，但对于蛋白质稳态维持机制的认识仍较有限。热休克蛋白(Heat shock proteins, HSPs)作为生物体应对环境胁迫的关键分子伴侣，特别是小热休克蛋白(small heat shock proteins, sHSPs)因其不依赖ATP的作用特性，在能量有限的滞育过程中可能发挥特殊作用。然而，蚜茧蜂HSP基因超家族的全基因组特征及其在滞育调控中的机制尚未系统阐明。

为解开这一谜题，Wang等研究人员在《BMC Genomics》上发表了最新研究成果，通过对蚜茧蜂HSP基因超家族进行全基因组鉴定和多层次分析，揭示了sHSP基因家族扩张在滞育调控中的重要作用。研究发现蚜茧蜂通过转录调控、转录后调控和翻译后修饰的多层次机制，快速响应低温短日照等不良环境，为其在生物防治中的应用提供了重要的理论基础。

研究人员主要采用了几项关键技术：通过BITACORA和HMMER工具进行HSP基因家族全基因组鉴定；利用Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序，比较滞育与非滞育个体的基因表达差异；采用最大似然法构建系统发育树分析基因进化关系；使用MEME suite进行保守 motif分析；通过AlphaFold3预测蛋白质三维结构；并利用qRT-PCR验证关键基因表达。实验样本来自贵州遵义地区的蚜茧蜂种群，在实验室条件下培育6代后，分别设置标准条件(25°C, 16L:8D)和滞育诱导条件(8h光照25°C/16h黑暗10°C)进行处理。

HSP基因超家族鉴定与表达模式

研究团队在蚜茧蜂基因组中共鉴定出100个HSP基因，分为6个家族：sHSP(34个)、HSP40(44个)、HSP60(11个)、HSP70(16个)、HSP90(3个)和HSP100(2个)。表达模式分析显示，在滞育个体中，sHSP基因家族成员普遍呈现上调表达趋势，而其他HSP家族则表现稳定或略有下降。这一发现提示sHSP可能在蚜茧蜂滞育过程中扮演特殊角色。

HSP基因超家族扩张分析

比较基因组学分析揭示了有趣的进化现象：与按实蝇(Sitodiplosis mosellana)、埃及伊蚊(Aedes aegypti)、黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)和油菜跳甲(Psylliodes chrysocephala)相比，蚜茧蜂的sHSP基因家族发生了显著扩张。系统发育分析显示，蚜茧蜂sHSP基因家族从10个祖先基因进化而来，在其谱系中经历了23次基因复制和4次基因丢失事件，扩张程度远超其他近缘物种。

sHSP基因家族的进化与表达特征

研究人员发现蚜茧蜂sHSP基因家族可划分为两个明显分支：CladeX分支包含17个基因，形成独特的物种特异性簇；Others分支包含其余17个基因。差异表达分析表明，CladeX分支在滞育过程中表达显著上调，qRT-PCR验证进一步证实了这一趋势。值得注意的是，分支位点模型分析显示sHSP基因家族整体处于进化保守状态，未检测到显著的正选择信号。

sHSP基因家族结构与功能分析

基因结构分析揭示了CladeX分支的独特特征：该分支基因均为单外显子结构，不含内含子，这种结构有利于快速mRNA成熟和蛋白质合成。保守motif分析显示CladeX分支包含Motifs 1-5，而Others分支大多缺失Motif 4和Motif 5。磷酸化位点预测发现CladeX分支的N端含有丰富的PKC（蛋白激酶C）磷酸化位点，实验验证表明PKC和CAMKII（钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II）在滞育个体中表达上调。

三维结构预测显示，sHSP蛋白通过β-折叠核心域形成稳定的二聚体，多个二聚体进一步组装成12-48聚体的动态空心球状寡聚结构。值得注意的是，预测的磷酸化位点主要位于寡聚体的中心区域，提示磷酸化修饰可能通过调节sHSP蛋白的寡聚状态来影响其功能活性。

sHSP基因家族对激素信号通路的响应

研究人员发现滞育蚜茧蜂中5个激素信号通路相关的转录因子表达发生显著变化，其中Ftzf1表达上调，Hr3和Hr4表达下调。顺式作用元件分析显示，sHSP基因启动子区域富含这些转录因子的结合位点，CladeX分支基因中Ftzf1结合位点的比例高达64.7%，表明激素信号通路可能通过Ftzf1等转录因子精确调控sHSP基因在滞育过程中的表达。

本研究系统阐明了蚜茧蜂sHSP基因家族在滞育调控中的多层次机制。在基因组层面，sHSP基因家族通过选择性扩张适应了 facultative diapause（兼性滞育）的生态需求；在转录层面，激素信号通路通过Ftzf1等转录因子精确调控CladeX基因的表达；在转录后层面，单外显子结构保障了mRNA的快速成熟；在翻译后层面，磷酸化修饰调节sHSP蛋白的寡聚状态，促进其向功能活性构象转化。这些机制共同构成了蚜茧蜂应对低温短日照环境的快速响应网络，不仅深化了对昆虫滞育分子机制的理解，也为改进天敌昆虫储存技术、提高生物防治效率提供了新的理论依据和应用前景。