热休克蛋白基因 Hsp70 和 DnaJA1 是捕食性瓢虫异色瓢虫热耐受性与发育的关键因素

《Journal of Insect Physiology》：Heat shock protein genes Hsp70 and DnaJA1 are key contributors to thermotolerance and development in predatory ladybeetle Propylaea japonica

　　

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  P. japonica（和瓢虫）是干旱和半干旱地区的一种有价值的天敌昆虫。
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  pjhsp70、pjDnaJA1和pjhsp21在蛹期的表达达到峰值。
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  pjhsp70沉默使成虫性别比例偏向雌性。
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  pjhsp70和pjDnaJA1是耐热性和发育的关键贡献因素。

引言

人为地表增温是全球气候变化的主要驱动因素，其特征为全球平均气温持续上升、极端高温事件频发以及极端低温事件减少。研究表明，气温较工业化前水平升高2–4 °C将使面临极高灭绝风险的物种比例从2%上升至15%（Trisos等，2020年）。即便是渐进式的气温变化，也会对昆虫的种群丰度和地理分布产生复杂的、往往是非线性的影响；单个物种的种群波动可能引发整个食物网的连锁性中断（Bellard等，2012年；Xu等，2025年），因此阐明温度与昆虫之间的关系对于预测虫害暴发风险、预测天敌种群动态以及在全球变暖背景下指导有益昆虫的保育和利用具有重要指导意义。

昆虫作为缺乏内部体温调节能力的小型变温动物，其生理表现和适应能力受到环境温度的严格制约（Liu等，2025年；Peng等，2025年）。全球变暖使某些昆虫物种得以向高纬度和高海拔地区扩展分布范围，在新入侵区域的种群数量迅速增长（Ullah等，2024年）。相反，许多其他物种则因无法耐受极端夏季温度而种群数量急剧下降，尤其是在热浪期间（Charlton等，2026年）。例如，桃小食心虫（Carposina sasakii）在43 °C下仅暴露3小时便出现100%死亡率，且随着温度升高，其繁殖力和卵孵化率均急剧下降（Chen等，2024年）。与自然环境中罕见持续存在的短时急性高温峰值不同，反复或持续的高温胁迫更能反映现实中的变暖模式。例如，在空心莲子草叶甲（Agasicles hygrophila）中，成虫在41 °C下暴露1小时的存活率为100%，而蛹的存活率仅为75%，凸显了热耐受性的显著龄期特异性差异（Jin等，2020年）。同一物种不同地理种群之间的热耐受性也存在差异。对于菠萝介壳虫（Dysmicoccus neobrevipes），热带低纬度的海南种群与亚热带高海拔的云南种群在热适应性表现上存在显著差异：在35 °C下，云南个体的成虫寿命显著短于海南个体，后代产出量也更低，而在41 °C下这一差距进一步扩大（Wang等，2026年）。

除影响个体昆虫的适合度外，变暖导致的高温胁迫还会扰乱植物、害虫及其天敌之间的三级营养互作。高温胁迫会延长灌浆期并抑制籽粒生长，导致春小麦籽粒密度和质量损失高达7%（Kino等，2020年）。热胁迫还会干扰植物激素、初级代谢物和防御性次生代谢物的合成，改变寄主植物对昆虫食草者的营养品质和防御化学特征（Ullah等，2024年）。害虫昆虫依赖其发育与寄主植物生长阶段的精确同步；当高温缩短植物生长期时，这种同步性被打破，从而改变害虫的发育进程（Zhong等，2024年）。这些物候学错配会通过食物网级联放大，扰乱天敌-害虫互作，最终降低生物防治效果。例如，Ali等（2007年）发现，在30 °C下，寄生蜂Lysiphlebus fabarum对Aphis gossypii和Myzus persicae的寄生率均维持在约35%，而近缘寄生蜂Aphelinus asychis对相同寄主的寄生率仅为约13%，表明寄生蜂的表现具有强烈的物种特异性热敏感性。类似地，Yang等（2022年）记录了两种捕食性瓢虫的物种特异性热表现差异，结果显示Hippodamia variegata的捕食能力在35 °C时达到峰值，随后在更高温下急剧下降，而Propylea quatuordecimpunctata的捕食能力则随温度升高而持续下降。

在分子水平上，昆虫通过合成特定的保护性蛋白来应对高温，其中最突出的是热休克蛋白（HSPs）和表皮蛋白（Ma等，2021年）。HSPs最早于1962年由Ritossa等（1989年）在Drosophila melanogaster（黑腹果蝇）的唾液腺中检测到；后来证实所观察到的染色体"气泡"是由温度诱导的HSP基因转录所致。这些高度保守的分子伴侣广泛分布于细胞中，在维持蛋白质稳态和保护生物体抵御各种环境胁迫——尤其是热胁迫——方面发挥着至关重要的作用（King and MacRae，2015年）。实证研究表明，HSPs在热胁迫下表达量急剧上升。在赤星椿卵蜂（Trichogramma chilonis）中，六种HSPs（Tchsp10、Tchsp21.6、Tchsp60、Tchsp70、Tchsp70–3和Tchsp90）在32 °C和40 °C下均显著上调，其中Tchsp70相对于25 °C对照组增加了约10倍（Yi等，2018年）。类似地，Liriomyza trifolii（豚草斑潜蝇）中的HSP20.8转录本在35 °C时开始增加，在40 °C下暴露2小时后达到峰值（约为对照组的140倍），即便在42.5 °C下仍维持高水平（Chang等，2019年）。在鳞翅目害虫Plutella xylostella（菜心夜蛾）中，高温诱导了12个不同HSP基因（Pxhsps）的表达（Chen and Zhang，2015年）。除了其经典的热胁迫响应功能外，HSPs在昆虫发育和繁殖适合度方面也发挥着关键作用。例如，对Nilaparvata lugens（二点委夜蛾）的研究表明，沉默四个hsc70基因会导致若虫蜕皮失败，存活率降至20%以下；此外，沉默两个DNAJ基因会导致若虫部分死亡以及成虫产卵几乎完全失败（Chen等，2021年）。在一项关于瓜实蝇（Zeugodacus cucurbitae）的研究中，发现两个hsc70在雄性睾丸中高表达；其沉默显著损害精子发生过程，使卵孵化率降低超过60%（Tan等，2024年）。

捕食性瓢虫Propylaea japonica（鞘翅目：瓢虫科）广泛分布于东南亚地区，包括中国、韩国、日本和印度，从春季到秋季主动捕食多种蚜虫及其他小型昆虫，是中国干旱和半干旱地区一种有价值的天敌昆虫（Zhang等，2004年；Zhang等，2012年；Wang等，2023年）。近年来，这些地区夏季气温不断上升，经常超过37 °C，连续数天日间气温超过40 °C。尽管已有研究表明高温暴露会扰乱P. japonica所有发育阶段的生理、代谢和存活（Zhang等，2015年；Pumhan等，2020年；Tian等，2022年），但其耐热性的分子机制仍未被探索。对P. japonica进行从头转录组组装后鉴定出17个HSP相关基因。基于其强烈的热诱导表达以及分属三个核心HSP家族（HSP70、HSP40/DNAJ和小分子HSP [sHSP]）的代表性，选择了三个候选基因（pjhsp70、pjDnaJA1和pjhsp21）进行功能表征（补充数据1）。本研究旨在阐明P. japonica中HSP介导的耐热机制及其在调节热胁迫响应和生长发育中的角色，为其适应气候变暖以及在高温条件下作为生物防治剂的潜力提供见解。

章节片段

昆虫与温度处理

Propylaea japonica的实验室种群来源于中国西北农林科技大学试验站玉米田中采集的瓢虫。经数代豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）-蚕豆（品种北斗七星，Vicia faba）系统的饲养后，成虫饲养在恒温箱内50 × 50 × 50 cm的笼中，条件为25 ± 2 °C、相对湿度50% ± 10%，光周期为16 h光照:8 h黑暗。

羽化不到24 h的新成虫用于高温暴露实验。

dsRNA合成、注射及RNAi后的耐热表型测定

针对pjhsp70、pjDnaJA1、pjhsp21和GFP的dsRNA模板设计有T7启动子突出端（见附录）。以蛹期cDNA为模板，使用T7 RiboMAX? Express RNAi System试剂盒（Promega，美国）合成并纯化dsRNA；最终浓度调整为3000 ng/μL。通过1%琼脂糖凝胶电泳确认产物大小。

在化蛹24 h内的蛹通过背部中线微注射给予202.4 nL dsRNA溶液（约607 ng总dsRNA）。

pjhsp70、pjDnaJA1和pjhsp21的基因克隆及理化特性表征

Pj25、Pj39和Pj41处理组的转录组数据（均由接受反复高温胁迫的雌性P. japonica成虫获得）从NCBI BioProject PRJNA820364中获取。对这些转录组的分析鉴定出17个差异表达基因，注释为热休克蛋白（HSP）家族，涵盖Hsp90、Hsp70、DnaJ和小分子HSP亚家族的成员。利用P. japonica完整基因组组装及相应转录序列作为

讨论

近年来，极端天气事件日益频繁，昆虫作为小型外温动物，对温度波动尤为敏感。为探究耐热物种P. japonica的热响应，我们采用实验室模拟热胁迫。基于17个HSP基因的转录组谱分析，我们分别从三个目标HSP家族（Hsp70、DnaJ/Hsp40和sHSP）中选择热响应最强的基因进行后续功能

CRediT作者贡献声明

Wen-Ting Sun：撰写——初稿、调查、形式化分析、数据管理。Jia Hu：调查、数据管理。Tong-Xian Liu：撰写——审阅与编辑、监督、经费获取、概念化。Jian-Fei Mei：调查、经费获取。Jia-Wei Sun：调查、经费获取。Shi-Ze Zhang：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法学、经费获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的会影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家重点研发计划（编号：2023YFD1400600）资助。我们感谢中国陕西省杨凌西北农林科技大学应用昆虫学重点实验室全体工作人员和学生的协助。

Wen-Ting Sun|Jia Hu|Tong-Xian Liu|Jian-Fei Mei|Jia-Wei Sun|Shi-Ze Zhang