水稻二化螟熱激蛋白的研究進展

陸明星 李秋雨 杜予州

摘要

水稻二化螟Chilo suppressalis （Walker）是水稻上的主要害蟲之一，近年來在部分地區發生為害逐漸加重。熱激蛋白是一類脅迫蛋白，在細胞生長、發育、分化、基因轉錄等功能方面具有重要的作用。本文綜述了二化螟熱激蛋白的研究進展。目前，已在二化螟體內鑒定出11種熱激蛋白，它們分別屬于熱激蛋白90家族、熱激蛋白70家族、熱激蛋白60家族和小分子量熱激蛋白家族。這些熱激蛋白在二化螟生長發育中的調節作用也各不相同;同時，熱激蛋白（Cshsp90，Cshsp70和Cshsp60）還與水稻二化螟的滯育有著緊密的聯系。不同的熱激蛋白對溫度的響應大體可以分為三種類型：對高低溫都有響應型、對低溫響應型和對溫度不響應型。最后，分析了二化螟熱激蛋白研究過程中存在的問題，提出了該研究領域的展望。

關鍵詞

水稻二化螟; 熱激蛋白; 生長發育; 滯育; 溫度

中圖分類號：

S 435.112.1

文獻標識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2018314

Research progresses in the heat shock proteins of Chilo suppressalis

LU Mingxing， LI Qiuyu， DU Yuzhou

（College of Horticulture and Plant Protection， Institute of Applied Entomology，

Yangzhou University， Yangzhou 225009， China）

Abstract

The rice stem borer， Chilo suppressalis （Walker）， is one of most important rice pests. In recent years， C.suppressalis have caused more and more damages. Heat shock proteins belong to stress proteins， which play very important roles in the development， differentiation， gene transcription of cells. In this review， the progresses in the heat shock proteins of C.suppressalis were summarized. To date， 11 heat shock proteins have been identified from C.suppressalis， belonging to heat shock protein 90， heat shock protein 70， heat shock protein 60， and small heat shock protein family. They played different roles in the development of C.suppressalis. Moreover， heat shock proteins （Cshsp90， Cshsp70 and Cshsp60） are also closely related to the diapause of C.suppressalis. In general， the responses of heat shock proteins to temperature can be divided into three types： response to both heat and cold stress， response to cold stress only and no response to temperature. Last， the problems in the study of heat shock proteins of C.suppressalis were analyzed， and the prospects for the future study was exhibited.

Key words

Chilo suppressalis; heat shock protein; development; diapause; temperature

水稻二化螟Chilo suppressalis （Walker）隸屬于鱗翅目Lepidoptera，螟蛾科Pyralidae，俗名鉆心蟲、蛀心蟲或蛀稈蟲等，是世界水稻36種螟蛾科蛀莖害蟲中分布最廣，并且為害最為嚴重的害蟲之一[1]。據報道，自2013年以來，江蘇大豐東部沿海地區二化螟種群數量呈上升趨勢，為害加重[2];在江西的余干縣2016年全年總體偏重發生，重于2015年及近年，發生面積8.05萬hm2次[3];在湘南地區的衡陽縣、漣源市、衡南縣、茶陵縣的二化螟偏重發生[4];浙江象山縣的水稻二化螟種群在2013—2017年間數量急劇回升[5]。同時，我們從近兩年全國主要稻區的調查采樣也發現，二化螟在局部地區有逐年加重為害的趨勢，需要給予密切關注。水稻二化螟在我國從南到北廣泛分布，該蟲對溫度脅迫有著很強的耐受能力[6-7]。但是，由于在多個地區已經發現水稻二化螟對三唑磷、殺蟲單、阿維菌素、氟苯蟲酰胺和氯蟲苯甲酰胺等藥劑都產生了抗性[8-10]。因此，為了闡明在全球變暖條件下水稻二化螟種群數量逐漸增加的原因，同時也為今后開辟新的防控技術提供理論參考，對水稻二化螟熱激蛋白的相關研究進行了總結。

熱激蛋白 （heat shock proteins， HSPs）先于1962年由Ritossa在研究果蠅唾腺染色體時偶然發現，后在1974年被Tissieres等人研究證實其是一組響應溫度脅迫的特殊蛋白[11-12]。它在分子進化上相對保守，廣泛分布于各種生物體內，在細胞生長、發育、分化、基因轉錄等功能方面具有重要的作用?；诜肿恿亢屯葱?，熱激蛋白家族通常分為HSP100，HSP90，HSP70，HSP60和小分子量熱激蛋白亞族（small heat shock protein，sHSPs，12～43 kDa）[13-14]。目前，已經有多種熱激蛋白從昆蟲中鑒定發現，并初步研究了其功能。例如，通過不同高溫處理果蠅成蟲，發現果蠅耐熱性與HSP70的表達成正相關，而且HSPs的表達可以使原本對高溫敏感的黑腹果蠅Drosophila melanogaster初生精子細胞具備耐熱性[15]。

對蝶蛹金小蜂Pteromalus puparum的研究發現，經過非致死高溫鍛煉明顯提高其在極端溫度下的羽化率，原因在于hsp70的迅速上調表達降低了高溫帶來的損傷[16]。同樣，對一種彈尾目昆蟲Orchesella cincta的研究發現，該蟲耐熱性的獲得與其hsp70蛋白表達水平呈正相關，但與HSP70 mRNA的表達水平關系不大[17]。懸鈴木方翅網蝽Corythucha ciliata的 hsp70響應高溫，有助于提高自身的熱耐受性[18]。高低溫可以誘導中華蜜蜂的hsp24.2和hsp23.0上調表達;同時，RNAi技術沉默了中華蜜蜂的hsp22.6可以明顯降低其高低溫存活率[19-20]。在所有已研究的與滯育相關的基因中，熱激蛋白基因被認為是與滯育關系最為密切的基因[21]。由此可見，昆蟲體內的不同熱激蛋白具有不同的作用，并在昆蟲生命活動中起到重要的作用。本文就水稻二化螟熱激蛋白的相關研究進展進行了綜述，并提出了該研究領域的展望。

1 二化螟熱激蛋白的鑒定與分類

目前已從水稻二化螟體內鑒定分離出11種熱激蛋白，分別屬于熱激蛋白90家族、熱激蛋白70家族、熱激蛋白60家族和小分子量熱激蛋白家族，它們都具有典型的家族特征[22-29]。例如，7種小分子量熱激蛋白基因在序列長度上不一樣，而且序列變異也較大，但是它們都擁有α-晶狀體結構域;二化螟熱激蛋白90擁有NKEIFLRVISNASDALDKIRY，LGTIAKSGTK，IGQFGVGFYSCYLVADR，IKLYVRRVPI和GVVDSEDLPLNISREM典型的家族特征。在這11種熱激蛋白中，有一種特殊的熱激蛋白——T-復合多肽-1（Cstcp-1），該類蛋白隸屬于熱激蛋白60家族成員。但是，它們的家族特征完全不同，熱激蛋白60擁有C端的（GGM）4重復序列，而T-復合多肽-1具有RSAYGPNGMNKMI和QDAEVGDGT家族特征序列（表1）。對這些二化螟熱激蛋白進行系統進化樹分析表明，這些熱激蛋白也明顯地分為4個熱激蛋白亞族;同時，不同種昆蟲的同一家族的熱激蛋白成員的親緣關系也近于同一種昆蟲不同熱激蛋白家族成員。此外，研究結果進一步表明，二化螟7種小分子量熱激蛋白成員實際上分為了3支，說明二化螟體內不同種小分子量熱激蛋白變異性較大（圖1）。

表1 已鑒定的二化螟熱激蛋白及基本特征

Table 1 The identified heat shock proteins in Chilo suppressalis and their basic characteristics

圖1 用鄰接法構建的水稻二化螟不同熱激蛋白的系統發育樹

Fig.1 Neighbour-joining phylogenetic tree of different heat

shock proteins of Chilo suppressalis

2 熱激蛋白在二化螟生長發育中的調節作用

水稻二化螟是完全變態昆蟲，分為卵、幼蟲、蛹和成蟲4種形態完全不同的蟲態。在二化螟不同的生長發育階段，Cshsp90的表達水平沒有顯著差異，而Cshsp70在整個發育階段變化顯著。盡管其體內的不同種熱激蛋白呈現不同的表達規律。但是Cshsp90，Cshsp60，Cshsp19.8，Cshsp21.4，Cshsp21.5和Cshsp21.7b在成蟲的表達水平最高，Cshsp70和Cshsp21.7a在1齡幼蟲表達水平達到最高。hsp90，hsp70和hsp60在雌性個體中的表達量高于雄性個體，無論是蛹期還是成蟲期的Cshsp19.8，Cshsp21.4，Cshsp21.5，Cshsp21.7a和Cshsp21.7b的表達水平在雄性和雌性之間都存在差異[25， 30]。有研究表明，在昆蟲的發育過程中熱激蛋白的表達水平受到蛻皮激素的調節，在昆蟲的身體重構和變態階段會具有更高的熱激蛋白表達水平[19， 31]。同時，在昆蟲生長過程中，體內會有積累的活性氧，從而啟動轉錄因子Foxo和JNK信號途徑誘導熱激蛋白保護昆蟲正常生長[32]。

3 熱激蛋白在二化螟滯育過程中的作用

水稻二化螟屬兼性滯育昆蟲，短光照是滯育誘導的關鍵因子，3齡幼蟲是主要的感應光周期的敏感蟲齡，它能以4～7齡幼蟲滯育越冬[7， 33-34]。水稻二化螟在揚州地區進入滯育的時間在9月初，滯育解除的時間為1月底到2月初之間，最高的滯育強度是11月份，可以維持滯育狀態長達5個月之久，在田間保持靜止期長達3個月，并且熱激蛋白（Cshsp90，Cshsp70和Cshsp60）的表達和水稻二化螟的滯育有著緊密的聯系[7]。例如，水稻二化螟越冬幼蟲體內的hsp90，hsp70和hsp60都在2011年1月上中旬達到最大值，并且這3種熱激蛋白的含量在2011年1月中旬以后都呈下降趨勢[7]。同時，不同種類的熱激蛋白在不同的地理種群水稻二化螟滯育幼蟲體內的表達量沒有顯著性差異[7]。熱激蛋白可能在二化螟滯育過程中起到保護自己的結構、調節和酶類蛋白的作用，從而保證滯育解除后，這些蛋白能夠保證二化螟的進一步發育。

4 二化螟熱激蛋白對溫度的響應

提及滯育，總是要和昆蟲的耐寒性聯系在一起。昆蟲的耐寒性與滯育的關系大體上分為三種類型：滯育與其耐寒性完全獨立、滯育與耐寒性部分獨立、滯育與其耐寒性緊密聯系。研究表明，越冬期間的水稻二化螟可以耐受-21℃的低溫[35]，且揚州地區水稻二化螟的耐寒能力在1月份最強，此時二化螟已開始逐漸解除滯育[7]，說明揚州二化螟種群的耐寒性不是完全依賴于滯育，它部分獨立于其滯育[35]。此外，田間水稻二化螟卵塊經過42℃，8 h處理后，仍然有75%的存活率;二化螟幼蟲高溫處理2 h的LT50（引起種群50%個體死亡的溫度）是45.4℃;水稻二化螟雄成蟲和雌成蟲高溫處理2 h的LT50分別為43.8℃和43.6℃[36]。二化螟如此高的溫度耐受能力和其體內熱激蛋白的表達也有著密切的聯系。日本的研究者發現：Cshsp90可以被低溫誘導，但是，Cshsp70和Cshsp19.8不能夠被低溫誘導[22-23]。我們對11種二化螟熱激蛋白對溫度的響應規律做了系統的分析，表明二化螟不同種類的熱激蛋白的響應規律不盡相同，其中Cshsp19.8，Cshsp21.7b，Cshsp22.9b，Cshsp24.3，Cshsp90對高低溫都有響應，但對高低溫的響應程度不一致。Cshsp19.8，Cshsp21.7b和Cshsp24.3對高溫有很強的響應，而對低溫僅有中等程度的響應;Cshsp22.9b對高溫有中等程度的響應，而對低溫具有很強的響應;Cshsp21.5僅對低溫有中等的響應，而對高溫沒有響應。Cshsp21.4，Cshsp21.7a，Cstcp-1，Cshsp60，Cshsp70對高低溫都沒有響應?？傊?，在這11種熱激蛋白中，多數為高溫響應型[25-27， 30]。此外，對這些熱激蛋白基因組結構特征分析表明，一般具有內含子的熱激蛋白基因對溫度不響應或者響應不敏感，例如Cshsp21.4具有內含子，對高低溫都不響應。溫度誘導型的熱激蛋白在二化螟應對不良溫度時，彼此相互配合，共同發揮作用保護二化螟免受高低溫傷害。

表2 不同二化螟熱激蛋白對溫度的響應

Table 2 The responses of different heat shock proteins of

Chilo suppressalis to temperature

5 問題與展望

盡管已經對二化螟的熱激蛋白進行了較為系統的研究，但依據轉錄組數據分析表明，水稻二化螟體內仍然還有其他熱激蛋白的存在，因此還需要進一步分析鑒定其他的熱激蛋白基因。同時，作為分子伴侶，水稻二化螟的許多生命活動都需要熱激蛋白的參與，那么，每一種熱激蛋白在不同的生命活動中其所起的作用是什么？例如，在生長發育中到底哪些熱激蛋白起到主要的作用;在溫度響應中哪一些熱激蛋白起到主要的作用。針對其他的不良環境，如高濕、干燥、缺氧、饑餓等[37]，水稻二化螟又是如何調節熱激蛋白進行響應的？這些都是我們需要進一步研究的重要科學問題。由于研究昆蟲熱激蛋白還有很多技術障礙，目前水稻二化螟的熱激蛋白研究還主要集中在基因水平。因此，解決技術難題，將水稻二化螟熱激蛋白的研究逐步深入到蛋白質水平，以及研究二化螟熱激蛋白表達的基因網絡調控路徑，是今后的主要研究方向。隨著研究的不斷深入，水稻二化螟的熱激蛋白功能也會逐漸被揭示，這將為未來利用新的分子生物學技術防治該蟲提供基礎。

參考文獻

[1] KHAN Z R， LITSINGER J A， BARRION A T， et al. World bibliography of rice stem borers 1794-1990 [M]. International Rice Research Institute， 1991.

[2] 劉勇，沈田輝，王風良，等.2013-2017年大豐東部沿海地區二化螟重發原因及綠色防控技術[J].現代農業科技，2018（7）：146-147.

[3] 潘戰勝，樂麗紅， 江紅梅. 余干縣水稻二化螟發生特點及回升原因[J]. 江西農業， 2017（5）： 102-104.

[4] 周斌， 劉洋， 黃思娣， 等. 湘南水稻二化螟發生現狀及防治對策[J]. 湖南農業科學， 2017（12）： 81-84.

[5] 孫蓮， 賴朝暉， 蔣天梅， 等. 近13年象山縣水稻二化螟發生情況及防控對策[J]. 浙江農業科學， 2018， 59（3）： 494-495.

[6] 林煒， 韓永強， 劉玉娣， 等. 二化螟越冬生物學研究進展[J]. 湖南農業科學， 2008（3）： 116-118.

[7] LU Mingxing， CAO Shuangshuang， DU Yuzhou， et al. Diapause， signal and molecular characteristics of overwintering Chilo suppressalis （Insecta： Lepidoptera： Pyralidae）[J]. Scientific Reports， 2013， 3（11）：3211.

[8] 葉波， 李生智， 丁文兵， 等. 湖南不同二化螟種群對幾種殺蟲劑的抗性監測[J]. 湖南農業科學， 2017（9）： 59-62.

[9] 趙丹丹，周麗琪，張帥，等.二化螟對雙酰胺類殺蟲劑的抗藥性監測和交互抗性研究[J].中國水稻科學，2017，31（3）：307-314.

[10] HUANG Shuijin， CHEN Qiong， QIN Wenjing， et al. Resistance monitoring of four insecticides and a description of an artificial diet incorporation method for Chilo suppressalis （Lepidoptera： Crambidae）[J].Journal of Economic Entomology， 2017， 110（6）.

[11] RITOSSA F. A new puffing pattern induced by temperature shock and DNP in drosophila [J]. Experientia， 1962， 18（12）： 571-573.

[12] TISSIRES A， MITCHELL H K， TRACY U M. Protein synthesis in salivary glands of Drosophila melanogaster： Relation to chromosome puffs [J]. Journal of Molecular Biology， 1974， 84（3）： 389-398.

[13] KIM K K， KIM R， KIM S H. Crystal structure of a small heat-shock protein [J]. Nature， 1998， 394（6693）： 595.

[14] HOFFMANN A A， SRENSEN J G， LOESCHCKE V. Adaptation of Drosophila， to temperature extremes： bringing together quantitative and molecular approaches[J]. Journal of Thermal Biology， 2003， 28（3）： 175-216.

[15] DAHLGAARD J， LOESCHCKE V， MICHALAK P， et al. Induced thermotolerance and associated expression of the heat-shock protein Hsp70 in adult Drosophila melanogaster[J]. Functional Ecology， 1998， 12（5）： 786-793.

[16] WANG H， DONG S Z， LI K， et al. A heat shock cognate 70 gene in the endoparasitoid， Pteromalus puparum， and its expression in relation to thermal stress [J]. BMB Reports， 2008， 41（5）： 388.

[17] BAHRNDORFF S， MARIN J， LOESCHCKE V， et al. Dynamics of heat-induced thermal stress resistance and Hsp 70 expression in the springtail， Orchesella cincta[J]. Functional Ecology， 2009， 23（2）： 233-239.

[18] JU R T， LUO Q Q， GAO L， et al. Identification of HSP70 gene in Corythucha ciliata and its expression profiles under laboratory and field thermal conditions [J]. Cell Stress & Chaperones， 2017， 23（2）： 1-7.

[19] LIU Z， YAO P， GUO X， et al. Two small heat shock protein genes in Apis cerana cerana： characterization， regulation， and developmental expression [J].Gene，2014，545（2）：205-214.

[20] ZHANG Yuanying， LIU Yaling， GUO Xulei， et al. sHsp22.6， an intronless small heat shock protein gene， is involved in stress defence and development in Apis cerana cerana[J]. Insect Biochemistry & Molecular Biology， 2014， 53（2）： 1-12.

[21] RINEHART J P， LI A， YOCUM G D， et al. Up-regulation of heat shock proteins is essential for cold survival during insect diapause [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2007， 104（27）： 11130.

[22] SONODA S， FUKUMOTO K， IZUMI Y， et al. A small HSP gene is not responsible for diapause and cold tolerance acquisition in Chilo suppressalis [J]. Journal of Applied Entomology， 2006， 130（5）： 309-313.

[23] SONODA S， FUKUMOTO K， IZUMI Y， et al. Cloning of heat shock protein genes （hsp90 and hsc70） and their expression during larval diapause and cold tolerance acquisition in the rice stem borer， Chilo suppressalis Walker [J]. Archives of Insect Biochemistry & Physiology， 2006， 63（1）：36-47.

[24] CUI Yadong， DU Yuzhou， LU Mingxing， et al. Cloning of the heat shock protein 60 gene from the stem borer，Chilo suppressalis， and analysis of expression characteristics under heat stress [J]. Journal of Insect Science， 2010， 10（10）： 100.

[25] LU Mingxing， HUA Jin， CUI Yadong， et al. Five small heat shock protein genes from Chilo suppressalis： characteristics of gene， genomic organization， structural analysis， and transcription profiles [J]. Cell Stress & Chaperones， 2014， 19（1）： 91-104.

[26] PAN D D， LU M X， LI Q Y， et al. Characteristics and expression of genes encoding two small heat shock protein genes lacking introns from Chilo suppressalis[J]. Cell Stress & Chaperones， 2018， 23（1）：55-64.

[27] YU Tongying， LU Mingxing， CUI Yadong. Characterization of T-complex polypeptide 1 （TCP-1） from the Chilo suppressalis， HSP60 family and its expression in response to temperature stress [J].Journal of Integrative Agriculture，2018，17（5）：1032-1039.

[28] 崔亞東， 杜予州， 陸明星， 等. 熱脅迫對二化螟幼蟲血淋巴細胞內活性氧、HSP90及細胞凋亡的影響[J]. 昆蟲學報， 2010， 53（7）： 721-726.

[29] 崔亞東，陸明星，杜予州.二化螟熱休克蛋白70基因的克隆及熱脅迫下的表達分析[J].昆蟲學報，2010，53（8）： 841-848.

[30] LU Mingxing， LIU Zhengxian， CUI Yadong， et al. Expression patterns of three heat shock proteins in Chilo suppressalis （Lepidoptera： Pyralidae）[J]. Annals of the Entomological Society of America， 2014， 107（3）： 667-673.

[31] LUO Y， AMIN J， VOELLMY R. Ecdysterone receptor is a sequence-specific transcription factor involved in the developmental regulation of heat shock genes [J].Molecular & Cellular Biology， 1991， 11（7）： 3660-3675.

[32] TOWER J. Heat shock proteins and Drosophila aging[J]. Experimental Gerontology， 2011， 46（5）： 355-362.

[33] 汪信庚， 程家安. 二化螟滯育的研究[J]. 浙江大學學報（農業與生命科學版）， 1993， 19（2）： 170-174.

[34] XIAO Haijun， MOU Fengchen， ZHU Xingfen， et al. Diapause induction， maintenance and termination in the rice stem borer Chilo suppressalis （Walker）[J].Journal of Insect Physiology，2010，56（11）： 1558-1564.

[35] LU Mingxing， LIU Zhongxian， WANG Xun， et al. Seasonal cold tolerance of Chilo suppressalis （Lepidoptera： Pyralidae）[J]. Annals of the Entomological Society of America， 2012， 105（3）： 479-483.

[36] LU M X，CAO S S， LIU Z X， et al. Heat tolerance of developmental and seasonal stages of Chilo suppressalis [J]. Entomologia Experimentalis et Applicata， 2014， 152（2）： 91-99.

[37] KING A M， MACRAE T H. Insect heat shock proteins during stress and diapause [J]. Annual Review of Entomology， 2015， 60（1）： 59.

（責任編輯： 田 喆）