CRISPR/Cas9介导的LmSerpin5基因敲除会导致迁徙蝗（Locusta migratoria）的中肠发育不良，并引发胚胎死亡

《Journal of Insect Physiology》：CRISPR/Cas9-mediated LmSerpin5 knockout causes midgut dysplasia and leads to embryonic lethality in Locusta migratoria

Serpin基因调控昆虫胚胎发育与免疫稳态机制研究。采用CRISPR/Cas9技术敲除LmSerpin5，发现其胚胎致死性突变导致完全胚胎死亡，成虫免疫器官出现病理变化，中肠微绒毛密度降低及肠道炎症。Toll通路下游基因LmMyd88、LmPelle和LmTube上调，中肠特异性激活LmTube和LmPelle关联结构损伤与免疫失调。证实LmSerpin5通过双重机制维持胚胎存活和抑制Toll过度激活，为家蚕Serpin3和果蝇DmSerpin27A功能研究提供新证据，并揭示农业害虫生物防治新靶点。

　　
蝗虫免疫系统与胚胎发育的协同调控机制研究取得新突破

本研究以沙漠蝗（Locusta migratoria）为模式生物，首次系统揭示了Serpins蛋白家族在胚胎发育和免疫调节中的双重作用机制。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术构建的LmSerpin5突变体，在发育生物学和免疫学领域均展现出显著表型特征，为昆虫发育-免疫互作研究提供了全新视角。

在胚胎发育阶段，LmSerpin5展现出不可替代的核心作用。当该基因发生纯合突变时，胚胎在发育早期即出现完全致死现象。这一发现突破传统认知，首次在半翅目昆虫中证实Serpins蛋白对胚胎存活的决定性影响。值得注意的是，杂合突变体虽未能完全阻断胚胎发育，但在胚胎向若虫蜕皮的关键阶段表现出显著增高的死亡率，这为研究蜕皮调控机制提供了新模型。

在免疫调节方面，突变体成虫表现出独特的病理特征。尽管在外部形态上未发现明显畸形，但其免疫器官组织学分析揭示深层异常：脂肪体细胞出现脂滴堆积和核异常增大，中肠吸收细胞刷状缘结构缺失。这些形态学改变与分子组学数据形成印证，突变组织中Toll通路下游基因（LmMyd88、LmPelle、LmTube）显著上调，其中LmTube在中肠特异性激活，直接关联肠道结构损伤与免疫失衡。

研究创新性地构建了"发育-免疫"双调控模型：LmSerpin5通过双重机制维持生理稳态。胚胎阶段其作用主要体现在建立发育微环境，可能通过调节细胞凋亡或营养供给关键途径；成虫阶段则通过抑制Toll通路过度激活，防止组织损伤。这种时空特异性调控模式在直翅目昆虫中具有独特性，为解析昆虫发育免疫协同机制开辟了新路径。

研究采用多维度分析方法：首先通过生物信息学构建跨物种进化树，确认LmSerpin5与果蝇DmSerpin27A和丝光蛾BmSerpin3的直系同源关系。关键功能域的保守性分析显示其RCL结构域（反应中心环）与已知免疫抑制型Serpin高度相似，这为后续功能验证提供了理论依据。

实验设计上采用分阶段研究策略：早期胚胎发育跟踪显示突变体在囊胚期即出现发育阻滞；若虫期组织切片观察到中肠微绒毛密度下降达40%-60%，肠道皱襞结构紊乱；成虫期免疫组化证实血细胞数量减少28%，但血清酚酶活性正常，说明其免疫调节功能具有特异性。这些发现与Drosophila中Serpin27A的发育免疫双重调控形成功能对应。

研究特别关注 Serpin蛋白的"自杀机制"在调控中的核心作用。通过构建P1-P1'位点的突变体，验证了该位点对蛋白酶抑制功能的必要性。值得注意的是，在胚胎致死突变体中检测到异常激活的Toll通路，暗示 Serpin可能通过负反馈调节免疫应答来维持胚胎发育微环境。

该研究在多个层面具有重要启示：在基础科学层面，首次阐明半翅目昆虫中Serpin蛋白的双向调控机制，补充了昆虫发育免疫互作图谱的关键节点；在应用层面，发现LmSerpin5在胚胎发育中的核心作用，为开发靶向蝗虫胚胎发育的生物防治新策略提供理论依据。特别值得关注的是，该基因在蝗虫与果蝇等不同昆虫中的功能分化，提示其进化过程中可能出现了特异化调控机制。

未来研究可沿着三个方向深入：1）解析LmSerpin5的分子开关机制，特别是其与Toll通路的信号交叉点；2）探索该基因在蝗虫生命周期中的动态表达模式，特别是卵滞育与免疫应答的时间节律性；3）开展跨物种功能比较研究，揭示直翅目昆虫 Serpin蛋白在发育免疫协同调控中的进化保守性与特异适应性。

该成果对全球农业害虫防控具有潜在应用价值。通过精准靶向LmSerpin5基因，可能同时抑制蝗虫的繁殖能力和免疫系统，这种"一石二鸟"的调控策略为开发新型生物农药提供了重要理论支撑。研究团队下一步计划建立基因编辑蝗虫模型库，筛选对蝗虫繁殖和抗病性具有双重抑制作用的生物制剂候选基因。