《Biotechnology for the Environment》：Harnessing transcriptomics to understand insect response to environmental alterations: recent advances and emerging applications
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昆虫是地球上最大且最多样化的动物类群，几乎占据所有栖息地，在自然和农业生态系统中发挥着基础性作用。因此，解码其复杂生物学特性的能力对于保护有益物种和控制有害昆虫害虫均至关重要。然而，由气候变化、污染、栖息地退化和农药暴露引起的环境条件变化正显著影响全球昆虫种群
昆虫是地球上最大且最多样化的动物类群，几乎占据所有栖息地，在自然和农业生态系统中发挥着基础性作用。因此，解码其复杂生物学特性的能力对于保护有益物种和控制有害昆虫害虫均至关重要。然而，由气候变化、污染、栖息地退化和农药暴露引起的环境条件变化正显著影响全球昆虫种群。转录组学（Transcriptomics）已成为一种强有力的研究手段，可全面理解基因活性与表达状况。该领域已从早期的RNA分子探索发展为先进的基因表达分析，从而能够精确洞察调控昆虫发育、繁殖、适应及多种行为的分子机制。通过分析特定组织、器官、性别和物种的转录谱，可识别并靶向表达发生改变的RNA转录本。除基础生物学研究外，转录组学在评估昆虫对温度波动、干旱和化学物质等环境非生物胁迫的分子响应方面同样具有重要价值。本综述深入探讨了转录组研究成果，展示了多种调控网络如何与昆虫的胁迫耐受性、解毒作用、防御、行为及环境适应相关联。此外，单细胞转录组学（single-cell transcriptomics）展现出更大的应用潜力，可用于分析单个细胞水平的基因表达与异质性。转录组学与RNA干扰（RNAi）、CRISPR Cas 9、蛋白质组学（proteomics）和代谢组学（metabolomics）等其他技术的整合，将显著增强基因功能研究，进而阐明昆虫体内复杂的调控网络。本综述讨论了上述所有技术，这些技术为昆虫学领域带来了新的进展，并有可能在分子和行为水平上将传统害虫管理实践转变为更具靶向性、生态友好且高效的方式。
**引言**
昆虫是动物界中分类多样性最高的类群，基因表达变异是其形态、发育和生理性状多样性的核心基础。RNA作为基因表达的核心介质，包括mRNA、微小RNA（miRNA）和长链非编码RNA（lncRNA）等多种类型，参与调控转录、剪接、染色质重塑及表观遗传过程。下一代测序（next-generation sequencing, NGS）技术的进步极大地推动了昆虫转录组研究，使高通量基因表达分析和靶标基因发掘成为可能，为害虫防治和有益昆虫利用提供了双重潜力。近年来，昆虫转录组学研究呈显著上升趋势，并呈现出向转录组学与蛋白质组学、代谢组学、RNA干扰（RNAi）及CRISPR功能验证等整合方法发展的态势。
**文献检索、筛选与荟萃分析方法学**
研究人员系统检索了Scopus、PubMed和Google Scholar数据库中截至2025年的相关文献，使用"transcriptomics"、"RNA-Seq"与"insects"等关键词。初步获得2449篇参考文献，经排除标准筛选后保留704篇，最终166篇全文纳入本综述，并采用PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）流程图展示筛选过程。
**转录组学的历史演变**
"转录组学"一词由Charles Auffray于1996年提出，指特定细胞、组织或器官在特定发育或功能状态下全部RNA的总和，包括编码RNA和非编码RNA。转录组具有可塑性，随个体、发育阶段和环境条件变化而动态改变。Illumina短读长RNA测序技术凭借高通量、高碱基准确性和成本效益成为主流平台，但仍面临低质量/降解RNA处理及批次效应等挑战。第三代测序平台如Pacific Biosciences（PacBio）和Oxford Nanopore Technologies（ONT）提供长读长测序能力（PacBio: 10-25 kb；ONT: >20 kb），其中ONT可实现实时测序和更长的读长，但错误率较高。RNA-seq数据的下游分析通常包括功能注释和通路富集分析，常用基因本体论（Gene Ontology, GO）和京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopaedia of Gene and Genomes, KEGG）等数据库。
**转录组学揭示环境变化下昆虫的发育过程**
转录组学通过评估不同发育阶段和生理状态下的基因表达模式，揭示了多种昆虫的发育调控基因。在直翅目飞蝗（Locusta migratoria）中，syntaxin 5基因被证实对飞蝗存活、蜕皮及外源和内源化学代谢调控至关重要，并影响其对化学农药的敏感性；Cys2-His型锌指蛋白基因Rotund（Rn）在若虫翅芽中高表达，RNAi沉默后导致翅畸形和卵巢发育异常。鳞翅目家蚕（Bombyx mori）中，细胞色素P450基因CYP6AE7和CYP6AE4参与免疫启动与解毒过程，沉默后活性氧水平升高、解毒酶活性降低并显著降低存活率。小菜蛾（Plutella xylostella）中，黑芥子苷可转录激活表皮相关基因LCP-17、CP-19和ABCC6，影响昆虫生长发育。鞘翅目昆虫中，龟纹瓢虫（Cheilomenes sexmaculata）肢体再生研究中鉴定出肌动蛋白、延伸因子2（EF2）和甘油醛-3-磷酸（G3P）脱氢酶为稳定性最高的参考基因。
**转录组水平解码繁殖性状**
转录组学在昆虫繁殖研究中广泛应用。家蚕中Brummer（BmBmm）通过调控甘油三酯在中肠、脂肪体和卵巢中的分布确保雌性繁殖成功，并与固醇调节元件结合蛋白（BmSrebp）协同促进卵母细胞脂质积累。Bactrocera tryoni精液中鉴定出144个交配依赖性unigenes和29个蛋白质。埃及伊蚊（Aedes aegypti）中，碱性亮氨酸拉链（bZIP）转录因子AaMafB响应血液摄入和20-羟基蜕皮激素（20E）信号，与AaCncC形成异源二聚体激活AaVg表达，促进生殖信号传导。斜纹夜蛾（Spodoptera litura）与家蚕睾丸融合的比较转录组研究揭示了5个参与睾丸融合的转录单元及Ca
2+和GTPase相关信号通路。
**昆虫适应气候变化和农药胁迫的基因表达特征**
转录组学揭示了昆虫应对温度和农药胁迫的分子机制。谷蠹（Rhyzopertha dominica）中，热激蛋白、海藻糖-6-磷酸合成酶（TPS）和卵黄原蛋白（Vg）基因参与热调节机制，沉默rdtps1导致海藻糖积累显著下降并影响40°C热胁迫下的存活。小菜蛾在40°C热适应中鉴定出1253个差异表达基因，涉及能量代谢、内质网蛋白加工和酪氨酸代谢等通路。草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）通过调控几丁质相关基因表达耐受高温。桃蚜（Myzus persicae）中硫酯酶基因MpTHEM6a参与新烟碱类抗性，敲低后增强杀虫剂毒性并缩短成虫寿命。农药诱导转录组学研究表明，乙酰甲胺磷和氯虫苯甲酰胺影响黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的蛋白质降解、外源物质清除和免疫功能等广泛分子通路。
**通过转录组学解码昆虫-病原互作**
转录组学为病原-宿主互作及毒力机制提供了关键见解。家蚕核型多角体病毒（NPV）感染诱导细胞去磷酸化，转录因子EB（TFEB）激活促进NPV增殖，TFEB敲除则部分提高幼虫存活率。蜜蜂畸形翅病毒（DWV）感染触发经典抗病毒免疫应答，包括Toll信号通路激活和抗菌肽（abaecin和hymenopteracin）表达上调，其中DWV-B基因型诱导较弱的宿主免疫应答，这与其增强的毒力和广泛流行相关。球孢白僵菌（Beauveria bassiana）感染显著影响寄主碳水化合物代谢、细胞色素P450酶活性和凋亡调控等通路。
**昆虫行为性状的转录组学：从序列到功能**
转录组学广泛用于研究夏眠、寄主转移与偏好、迁飞及昼夜节律等昆虫行为。甘蓝茎跳甲（Psylliodes chrysocephala）夏眠期间糖原储备耗尽、脂质积累，线粒体呼吸链组分和蛋白酶表达下调，表明代谢和消化活动显著抑制。草地贪夜蛾迁飞雌虫中脂质和碳水化合物代谢基因上调，腹部储存更多甘油三酯为迁飞提供能量。金小蜂（Nasonia vitripennis）昼夜节律转录组分析显示核心时钟基因Pdp1e、shaggy和clock存在显著节律性表达。豌豆象（Zabrotes subfasciatus）寄主转移研究中发现环境响应和发育相关基因呈现种群特异性表达模式。
**探索器官、性别、阶段和物种特异性表达模式**
触角转录组学在多种昆虫中鉴定出大量化学感受基因，包括气味结合蛋白（OBP）、气味受体（OR）、味觉受体（GR）、离子型受体（IR）和感觉神经元膜蛋白（SNMP）等，为阐明昆虫寄主定位和配偶识别机制提供了分子基础。Psyttalia incisi中鉴定出13个OBP、7个GR、10个IR、2个SNMP和55个OR；Monolepta signata中鉴定出114个嗅觉相关基因。中华蜜蜂（Apis cerana）工蜂与雄蜂胚胎比较转录组分析鉴定出59,254个共同异构体，并发现5,744和5,106个分别特异性表达于工蜂和雄蜂胚胎的异构体。
**单细胞转录组学方法**
单细胞RNA测序（scRNA-seq）可在单细胞水平解析基因表达和细胞异质性。该技术已应用于蚊、果蝇、家蚕和蜜蜂等多种昆虫。果蝇头部细胞图谱鉴定出81种不同细胞类型。赤拟谷盗（Tribolium castaneum）精子发生的单细胞转录组研究揭示了与果蝇的关键差异，包括X染色体减数分裂性别染色体失活现象。蜜蜂工蜂蛹期和预蛹期的单细胞转录组分析鉴定出63个细胞簇，涉及神经系统、脂肪体、表皮和复眼等组织。
**转录组学与其他技术的整合**
转录组学与RNAi和CRISPR-Cas9基因编辑的整合显著增强了基因功能研究。RNAi通过双链RNA触发特异性mRNA降解，广泛用于昆虫功能基因组学研究。CRISPR-Cas9系统通过Cas9蛋白和引导RNA实现位点特异性基因组修饰。在棉铃虫（Helicoverpa armigera）中敲除钙粘蛋白基因后，菌株对Cry1Ac和Cry1A.105的抗性分别提高44倍和16倍。蛋白质组学和代谢组学与转录组学的整合可提供系统水平的分子见解，例如磷化氢抗性赤拟谷盗中鉴定出107个差异表达蛋白，涉及代谢通路的显著变化。
**未来展望与结论**
未来转录组学研究重点方向包括：深入探索昆虫发育过程、鉴定物种特异性管理靶标、加强嗅觉相关基因研究、推动多组学技术整合，以及开发昆虫特异性数据库。转录组学虽能揭示特定时间或阶段的基因表达状态，但mRNA丰度与蛋白质水平因受转录后调控影响而不总是一致，因此有必要与RNAi、CRISPR Cas9和多组学方法整合。技术上，代表性昆虫物种的高精度基因组组装与注释，将有助于直系同源基因的准确鉴定及跨物种细胞类型关系的比较分析。嗅觉相关基因如OBP、CSP和OR作为关键靶标，结合分子对接和配体结合实验，可用于设计昆虫行为调控剂，为开发新型害虫管理策略提供理论基础。
