《Insects》：Transcriptomic and Physio-Biochemical Responses of the Fifth-Instar Larvae of Chilo sacchariphagus to High-Temperature Stress
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**摘要**
*Chilo sacchariphagus*是一种世界范围内破坏性的甘蔗螟虫，频发的极端高温扰乱了其田间种群动态。阐明幼虫的热响应机制可为气候变暖背景下该害虫的风险预测提供理论支持。前期研究已表明，中等强度高温可诱导经典的HSP激活，但该害虫在
**摘要**
*Chilo sacchariphagus*是一种世界范围内破坏性的甘蔗螟虫，频发的极端高温扰乱了其田间种群动态。阐明幼虫的热响应机制可为气候变暖背景下该害虫的风险预测提供理论支持。前期研究已表明，中等强度高温可诱导经典的HSP激活，但该害虫在41 °C极端高温下的分子响应尚不明确。为此，研究人员以26 °C为对照，对暴露于41 °C 12 h的五龄幼虫开展了非参考转录组测序及11项生理生化指标测定，以表征其热调控网络。从头组装获得了较为完整的转录组资源，差异表达基因分析显示，富集通路涉及能量代谢、内质网蛋白质加工、MAPK信号通路及自噬等。核心HSP70/40转录本显著下调，而HSP80转录水平保持稳定，提示41 °C可能已超过热激保护阈值并可能触发热损伤。qRT-PCR对7个核心胁迫基因的验证结果与RNA-seq趋势一致。过氧化氢酶（CAT）活性显著升高，但所有已注释的过氧化氢酶基因均未显示转录水平变化，同时CarE和AchE活性升高亦缺乏相应的转录变化，暗示可能涉及翻译后调控或其他替代性调控机制。本研究数据揭示了极端高温下转录与生理的协同变化，这些发现为深入研究*C. sacchariphagus*在气候变暖背景下对极端高温的响应机制奠定了基础。
**论文解读：蔗螟五龄幼虫响应极端高温胁迫的转录组与生理生化整合分析**
**1. 研究背景与科学问题**
甘蔗（*Saccharum* spp.）是我国重要的糖料作物和战略物资，广西作为全国最大的糖料生产基地，2024/2025榨季产糖量达646.5万吨，连续34个榨季居全国首位，约占全国总产量的60%。蔗螟（*Chilo sacchariphagus*，Bojer, 1856）（鳞翅目：草螟科）是广西甘蔗上危害最严重的钻蛀性害虫之一。据广西植保站2025年监测，第一代钻蛀性螟虫在桂南部分蔗区造成严重危害，枯心苗率达12.5%~18.6%，个别田块高达41.3%；在北海蔗区苗期性诱监测中，蔗螟占雄性成虫诱捕总量的50%以上，显著高于其他螟虫种类，显示出其在甘蔗生长前期的明显种群优势。幼虫早期钻蛀蔗茎并内部取食，防治难度大，造成重大经济损失，已成为制约该地区甘蔗可持续高效生产的主要限制因素。
温度是影响昆虫发育、生长和繁殖的关键生态因子。作为变温动物，昆虫对外界温度变化高度敏感。已有研究表明，20–32 °C范围内蔗螟各发育阶段历期随温度升高而缩短，其最适发育与繁殖温度为26–29 °C。然而，极端高温对该害虫种群动态的影响机制尚不清楚。2025年春季广西出现干旱，研究显示干旱胁迫显著加剧甘蔗螟虫的种群增长与危害；与此同时，随着全球变暖，极端高温事件愈发频繁，2023年广西多地出现41 °C以上极端高温。干旱与高温的叠加效应对蔗螟种群动态的影响亟待阐明。
昆虫已进化出多种应对高温胁迫的分子策略。热激蛋白（HSPs）作为分子伴侣在细胞应激反应中发挥核心作用，但HSP的保护功能存在温度上限——当温度超过有效诱导范围时，HSP系统本身会受到抑制并丧失保护功能，即进入“热损伤”阶段。例如，烟粉虱（*Bemisia tabaci*）的*hsp70*表达在41 °C达到峰值后随温度升高迅速下降，提示41 °C可能是一些昆虫热损伤的临界温度。此外，热胁迫下保护酶转录水平与功能响应之间的关系往往复杂：酶活性并不能单凭转录水平预测，翻译后或替代性调控机制可能发挥重要作用。尽管在其他昆虫中已取得诸多进展，蔗螟对41 °C极端高温的分子响应仍知之甚少。基于此，研究人员开展了本研究，以阐明其热调控网络。
**2. 主要技术方法**
研究人员以人工饲料继代饲养20代以上的蔗螟实验种群为材料，选取大小一致的五龄幼虫，在人工气候箱中分别置于26 °C（对照）、35 °C、38 °C和41 °C下处理12 h（各处理3个生物学重复，每重复8头幼虫），暗条件下提供食物，处理结束后液氮速冻并于?80 °C保存。对26 °C和41 °C处理的6个样本进行Illumina NovaSeq 6000平台双端150 bp测序，经TrimGalore过滤、Trinity从头组装、Corset聚类获得基因级unigene集合，利用Trinotate、eggNOG-mapper和GhostKOALA进行Nr、Pfam、Swiss-Prot、GO和KEGG功能注释；DESeq2筛选差异表达基因（DEGs，padj < 0.05且|log2FC| > 1）；测定了谷胱甘肽S-转移酶（GST）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、羧酸酯酶（CarE）、乙酰胆碱酯酶（AchE）活性及总蛋白、甘油三酯、海藻糖、山梨醇和糖原含量共11项生理生化指标；并以β-Actin为内参，通过qRT-PCR验证7个核心基因（*ACS*、*HSP7C*、*DNJH*、*SODC2*、*CYP1*、*CYP63*、*CATA2*）的表达变化。
**3. 研究结果**
**3.1 转录组测序数据质量评估**：对26 °C和41 °C处理的6个样本进行测序，共获得3.5亿条原始读段（52.6 Gb原始数据），过滤后获得3.45亿条高质量读段（51.6 Gb），有效率均高于98.39%，测序错误率为0%，Q20值为99.34%~99.50%，Q30值为96.24%~97.35%，GC含量稳定在44.7%~45.4%，表明测序数据质量高，适用于后续分析。
**3.2 转录组组装与功能注释**：Trinity从头组装获得132,531条转录本，总长162,008,603 bp，平均长度1222.42 bp，N50为2069 bp；去冗余后获得90,394条unigene。BUSCO评估显示98.0%的完整BUSCO被恢复，表明组装完整性高。经Corset聚类获得89,352条unigene用于功能注释，其中Nr数据库注释21,790条（24.4%）、Pfam注释15,545条（17.4%）。Nr注释物种分布显示，最多匹配*Chilo suppressalis*（58.77%，同属草螟科），其次为*Ostrinia furnacalis*（9.8%）和*Plutella xylostella*（2.48%），确认了样本来源的可靠性。
**3.3 差异表达基因总体分析**：以|log2FC| ≥ 1且padj < 0.05为阈值，在高温（41 °C）与对照（26 °C）组间共鉴定出8563个DEGs，其中3352个上调、5211个下调，下调基因数量显著多于上调基因。层次聚类清晰地将热胁迫样本与对照分开，表明41 °C胁迫诱导了五龄幼虫广泛的转录组重编程。
**3.4 GO富集分析**：DEGs显著富集于碳水化合物代谢过程、甘油分解代谢过程和脂质代谢过程等能量代谢相关生物学过程，以及有毒物质响应、L-脯氨酸生物合成过程和细菌防御反应等胁迫响应条目。植物特异性GO条目作为注释伪迹被排除。
**3.5 KEGG通路富集分析**：DEGs显著富集于内质网蛋白质加工、MAPK信号通路、过氧化物酶体、自噬以及果糖和甘露糖代谢、酪氨酸代谢、甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢和PPAR信号通路等能量代谢通路。植物相关KEGG条目作为注释伪迹被排除。
**3.6 高温胁迫对生理生化指标的影响**：CAT活性仅在41 °C时显著升高；GST活性在各温度处理间无显著变化；POD活性在35 °C达峰，SOD活性在38 °C达峰，两者在41 °C均有所下降；CarE活性随温度升高呈上升趋势，41 °C时最高且显著高于35 °C；AchE活性在38 °C达峰（约为对照的2.2倍），显著高于对照及其他处理，41 °C时恢复至对照水平；总蛋白、甘油三酯、海藻糖、山梨醇和糖原含量在各温度处理间无显著变化。
**3.7 高温胁迫核心基因筛选与验证**：HSP家族系统分析显示，仅部分HSP转录本显著差异表达且全部下调——4条注释为HSP7C的转录本、1条HSP7R和1条HSP7O转录本（HSP70家族部分成员）以及HSP40同源物DNJH显著下调，而HSP80转录本无显著表达变化。基于差异倍数、功能富集和已知胁迫响应相关性，筛选出7个核心基因：ACS（log2FC = +5.49）和CYP63（log2FC = +2.01）显著上调；HSP7C（log2FC = ?5.44）、DNJH（log2FC = ?3.25）、SODC2（log2FC = ?6.46）和CYP1（log2FC = ?3.32）显著下调；CATA2（log2FC = ?0.83）无显著变化。值得注意的是，CYP1和CYP63来自同一基因座（Cluster-35096）的两个转录本变体，表现出相反的表达模式。qRT-PCR验证结果与转录组数据高度一致。
**3.8 生理生化指标与转录组数据关联分析**：对于多数测定指标，生理变化与其编码基因的转录模式基本一致，但CAT、SOD、CarE和AchE存在明显不一致性——CAT活性在41 °C显著升高但CATA2基因无显著转录变化；SOD活性在38 °C达峰后于41 °C下降，同时SODC2显著下调；CarE和AchE活性在热胁迫下明显升高但未检测到相应基因的差异表达；POD在35 °C瞬时激活但该温度下无转录组数据，41 °C时仅一个过氧化物酶基因（Cluster-44392.0）显著下调。这些酶活性与基因表达间的差异提示可能存在额外的调控机制。
**4. 讨论与结论**
本研究通过转录组与生理生化的整合分析，系统揭示了蔗螟五龄幼虫响应41 °C极端高温的分子调控网络。研究发现，41 °C胁迫触发了广泛的转录组重编程，涉及内质网蛋白质加工、MAPK信号和自噬等多条通路；HSP70/40家族成员的选择性转录抑制而非全面抑制，提示该温度可能已超过热激反应的有效诱导阈值，进入了热损伤阶段；ACS显著上调表明幼虫通过增强脂质代谢应对热胁迫下的能量需求，而能量储备物质保持稳定则反映了基本代谢稳态的维持。特别值得关注的是，CAT、SOD、CarE和AchE酶活性的显著变化并未伴随相应编码基因的转录水平改变，暗示翻译后修饰、蛋白质稳定性增强或其他替代性调控机制在其中发挥重要作用。
本研究也存在一定局限性：分析仅限于急性热暴露条件下的五龄幼虫；生理生化测定涵盖26–41 °C温度梯度，而RNA-seq仅比较了对照组和最极端热胁迫组，导致35 °C POD峰值和38 °C AchE峰值的转录组关联无法直接建立；RNAi介导的功能验证有待开展以提供直接的因果证据。
研究结论指出，热胁迫下的蔗螟五龄幼虫转录组与生理生化分析揭示了8563个差异表达基因，涉及蛋白质稳态、胁迫信号和能量代谢；HSP70/40家族成员显著下调而HSP80保持稳定；CAT活性在41 °C升高但已注释的过氧化氢酶基因无转录变化；CarE和AchE活性升高同样缺乏相应的转录变化。ACS、HSP7C、DNJH、SODC2、CYP1、CYP63和CATA2七个基因被建议作为未来功能研究的候选靶标。该研究从转录和生理层面描述了蔗螟幼虫对极端高温的响应特征，为理解气候变暖背景下这一重要甘蔗害虫的种群动态和风险评估提供了理论基础。论文发表于《Insects》。
