糖转运蛋白基因LdST59存在于Lymantria dispar中，该基因能够增强其病毒病原体LdMNPV感染后幼虫的致死性

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Sugar transporter protein gene LdST59 of Lymantria dispar mediates lethality of larvae infected by its viral pathogen, LdMNPV

病毒感染诱导鳞翅目昆虫能量代谢重分配机制研究显示，82个糖转运蛋白基因（LdSTs）中LdST59沉默显著降低幼虫存活率并增强病毒DNA复制，其通过调控葡萄糖转运影响抗菌肽（AMPs）基因表达，揭示糖代谢重编程在抗病毒免疫中的关键作用。

　　

刘翔|刘同宪|王敦

中国农业部与农村事务部黄土高原综合害虫管理重点实验室，西北农林科技大学，杨陵712100

摘要

病毒感染会触发昆虫的免疫反应，导致能量资源向免疫防御机制转移。尽管已知糖转运蛋白参与昆虫中的碳水化合物运输，但它们在病毒防御代谢过程中的具体功能尚未得到充分理解。本研究对Lymantria dispar的糖转运蛋白(LdSTs)进行了基因鉴定和功能分析，以探讨它们在应对Lymantria dispar核多聚hedrovirus (LdMNPV)病毒感染时的糖运输作用。从转录组数据中共鉴定出82个LdSTs。通过感染后时间分析发现，大多数转运蛋白基因的表达水平在LdMNPV感染期间发生了显著变化。在病毒感染过程中，海藻糖和葡萄糖从周围组织（如脂肪体）显著运输到宿主昆虫的血淋巴中。有趣的是，沉默LdST59会阻碍葡萄糖向血淋巴的转运，并抑制抗菌肽(AMPs)基因的表达，从而导致LdMNPV的致死性和DNA复制水平增加。这些结果表明，LdST59参与了病毒感染后葡萄糖在不同幼虫组织间的重新分配，而这种能量供应模式的改变在LdMNPV对幼虫的致死性中起着重要作用。

引言

Lymantria dispar已被确认为全球森林生态系统的重要威胁（Lazarevic等人，1998年）。这种破坏性害虫已记录到能够侵害500多种宿主植物，包括Populus Quercus、Pinus armandii和Larix gmelinii（Chen等人，2021年）。自1869年首次发现以来，L. dispar dispar对北美森林构成了严重威胁（Johnson等人，2006年）。同时，L. dispar asiatica自1991年入侵美国太平洋西北部以来，对森林造成的破坏日益严重，给农业经济带来了重大损失（Johnson等人，2006年；Vlahovi?等人，2016年）。

已有多种病毒（包括核多聚hedroviruses (NPV)和颗粒病毒 (GV)）被确认为能够感染鳞翅目昆虫的潜在病原体。因此，昆虫病毒被广泛用于生物控制多种害虫，如Helicoverpa armigera、Spodoptera litura和Spodoptera frugiperda（Sosa-Gómez等人，2020年）。这些病毒具有高毒力、狭窄的宿主范围，并且对脊椎动物和非目标生物是安全的（Lacey等人，2015年；Sun，2015年；Szewczyk等人，2006年）。与哺乳动物不同，昆虫没有获得性免疫系统，无法产生针对病毒感染的特异性抗体。相反，昆虫在长期接触病毒的过程中进化出了独特的先天免疫系统。

先天免疫系统是宿主防御机制的主要屏障。它不仅执行局部病原体识别和防御功能，还作为关键的免疫调节中心，启动精确的信号级联反应，以协调强大的适应性免疫反应（Lemaitre和Hoffmann，2007年）。然而，营养摄入不足会削弱免疫反应的有效性，导致生物体的防御机制受损（Spies等人，2012年；Gerriets和MacIver，2014年）。

昆虫主要以葡萄糖和海藻糖的形式参与糖代谢，其中海藻糖是昆虫血淋巴中的主要糖类（Thompson和Nelson，2003年）。海藻糖是一种由两个葡萄糖分子通过α-1,1-键连接而成的二糖，既作为营养来源，又能在干旱、高温和寒冷等不利环境条件下提供保护（Becker等人，1996年；Steele，1982年）。葡萄糖可以从海藻糖转化而来，然后通过糖酵解和三羧酸循环产生ATP（Becker等人，1996年；Steele，1982年）。当被寄生蜂寄生或被病原菌感染时，Drosophila melanogaster的幼虫会触发应激反应途径，将营养资源（尤其是葡萄糖）系统性地重新分配到血淋巴微环境中。这促进了免疫效应细胞的分化和功能成熟（Bajgar和Dolezal，2018年；Bajgar等人，2015年；Yang和Hultmark，2017年）。

属于主要促进因子超家族（MFS）的糖转运蛋白是动物体内最丰富的small molecule转运蛋白之一（Pao等人，1998年）。这些蛋白在调节从细菌到哺乳动物的各种生物体的碳水化合物运输中起着关键作用，促进糖分进出细胞的运输（Mueckler，1994年）。葡萄糖转运蛋白（Glut）和海藻糖转运蛋白（Tret）是迄今为止研究最深入的两种转运蛋白。在昆虫中，海藻糖转运蛋白对于将海藻糖从脂肪体运输到血淋巴、肌肉、睾丸和卵巢等组织至关重要，增强了昆虫对干旱和热 shock 的抵抗力（Benoit等人，2009年；Cornette等人，2010年）。此外，糖转运蛋白还参与调控抗菌肽(AMPs)基因的表达，这些肽是众所周知的昆虫免疫物质，可能与昆虫的免疫力有关。例如，在Drosophila中，GLUT3的表达抑制了AMPs的表达，而适当的和高水平的葡萄糖既促进了AMPs的表达，也抑制了其表达（Oka等人，2025年）。同时，一些研究发现，在Laodelphax striatellus中，LsST6将病毒运输到中肠细胞并促进了病毒的传播（Qin等人，2018年）。

本研究旨在利用生物信息学和RNA干扰（RNAi）技术探讨LdST59在L. dispar幼虫对杆状病毒感染反应中的作用。我们试图验证以下假设：沉默LdST59会干扰血淋巴中的葡萄糖积累。血淋巴中葡萄糖水平不足会抑制AMPs的表达，从而增强LdMNPV的致病性。这将揭示LdST59在维持碳水化合物稳态中的关键作用，并阐明其功能受损如何加剧病毒的致病效应的具体机制。

研究片段

昆虫与病毒

Lymantria dispar的卵来自中国吉林长春的吉林省林业科学院。孵化后，将单个幼虫放入25毫升的塑料盒中饲养至进行生物实验的相应龄期。这些塑料盒随后被放置在人工气候室中，环境参数如下：温度25±1°C，光照周期14L:8D（光照：黑暗），相对湿度60±5%。LdMNPV由Qu良健教授提供

LdSTs的鉴定和系统发育分析

从RNA-seq数据中共鉴定出82个LdSTs。这些LdSTs的氨基酸长度在357到637之间，预测的亚细胞定位表明它们都位于细胞膜上（表S1）。选择了先前研究的其他昆虫的STs的氨基酸序列，与本研究中鉴定的LdSTs一起构建了系统发育树。总体而言，LdSTs与HaSTs具有高度保守性，例如，LdST59与...

讨论

本研究通过HMM模型从转录组数据中鉴定出82个糖转运蛋白家族基因。鉴于LdSTs有82个成员，推测在进化过程中LdSTs基因家族发生了基因复制，以满足某些生理需求。这一过程为生物体提供了额外的基因和遗传物质，已被确认为物种发展和进化的重要机制（之前的研究也观察到了这一点）

CRediT作者贡献声明

刘翔：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，验证，软件使用，调查，正式分析，数据管理。刘同宪：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，资源获取，方法论，概念构思。王敦：写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理，方法论，资金获取，概念构思。

资助

本工作得到了NSFC（编号：32271894）的资助。

利益冲突声明

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

致谢

作者感谢西北农林科技大学的荆向峰教授在研究仪器和手稿编辑方面的帮助，同时也感谢亚利桑那大学的Ken Smith教授在语言编辑方面的帮助。