华山松大小蠹耐寒的生理生化与分子机制研究

This research project based on the outbreak and damaged of Chinese white pine beetle (Dendroctonus armandi) in middle areas of Qinling and Bashan Mountains, and little is known about the metabolism of antifreeze substances and trehalose; relationship of antifreeze protein with thermal hysteresis activity; and regulatory of bark beetle cold tolerance by heat shock protein of Chinese white pine beetle. After the system research on Chinese white pine beetle population dispersion, host selection and defense resistance, we focus on the relationship of antifreeze substances metabolism with supercooling point and enzyme activity, mainly antifreeze substances biosynthesis for cold tolerance of Chinese white pine beetle, through biochemistry and molecular biology technology. Moreover, the regulatory of trehalose biosynthesis by Chinese white pine beetle diapause hormone genes and heat shock protein spatial and temporal expression diversity with cold tolerance and regulatore mechanisms are involved to dicovery physiological and molecular mechanisms of D. armandi for cold tolerance. The research has great scientific significant and theoretical values for understanding the molecular mechanisms of Chinese white pine beetle outbreaks and regulation of population density, and providing more basis on bark beetle ecological adaptability, population spatial and temporal dynamics and sustainable pest management.

本研究针对华山松大小蠹在秦岭巴山中山地带持续发生的实际，特别是华山松大小蠹抗冻保护物质代谢、海藻糖、抗冻蛋白与热滞活性，以及热激蛋白对华山松大小蠹耐寒性调控机制研究的滞后，在系统研究华山松大小蠹种群扩散、寄主选择和抗性的基础上，应用分子生物学和生化等技术，通过对华山松大小蠹主要抗冻保护物质代谢与过冷却点、酶活性的关系，主要抗冻保护物质的合成与耐寒关系；华山松大小蠹滞育激素相关基因结构与功能，分析滞育激素基因对海藻糖合成的作用；华山松大小蠹热激蛋白基因表达与耐寒时空表达的差异性与调控等的研究，揭示华山松大小蠹耐寒的生理生化与分子机制，这对全面了解华山松大小蠹成灾的分子机制和华山松大小蠹种群密度调控等具有重大的科学意义和理论研究价值，也将对我国小蠹类森林害虫的生态适应性、种群时空动态和可持续控制提供科学依据。

小蠹虫类森林害虫在森林生态系统内的持续发生一直是国内外学者高度重视的科学问题，研究华山松大小蠹耐寒机制是揭示华山松大小蠹生态适应性、持续发生和实施有效控制的关键环节之一。本项目通过对华山松大小蠹抗寒相关基因的鉴定，华山松大小蠹热激蛋白家族基因和抗寒相关基因的表达差异，华山松大小蠹主要抗冻保护物质的合成，华山松大小蠹海藻糖酶等代谢与抗寒性的关系，以及华山松大小蠹热激蛋白基因与抗冻相关酶和抗冻蛋白的相互作用与调控等研究。明确了华山松大小蠹耐寒性与温度、低温胁迫存在密切的关系，低温驯化可显著提高耐寒性。华山松大小蠹海藻糖酶等六种线粒体酶活性直接影响抗冻保护物质的代谢，海藻糖磷酸合酶、山梨糖醇脱氢酶和甘油激酶基因调控华山松大小蠹抗冻保护物质的合成。低温可诱导华山松大小蠹抗冻蛋白基因的表达，水通道蛋白基因和抗冻蛋白基因调控华山松大小蠹越冬幼虫各组织、细胞器适应和应对低温胁迫，形成自身对低温的耐受机制。华山松大小蠹越冬幼虫热激蛋白和冷休克蛋白基因的表达与海藻糖磷酸合酶、山梨糖醇脱氢酶和甘油激酶基因的表达具有发育阶段、时间、温度的协调性；华山松大小蠹越冬幼虫热激蛋白、冷休克蛋白、海藻糖磷酸合酶、山梨糖醇脱氢酶和甘油激酶基因间的协同作用，激活华山松大小蠹越冬幼虫主要抗冻保护物质的合成、抗冻相关酶代谢和抗冻基因的表达，从而提高华山松大小蠹的耐寒性。为秦岭巴山林区华山松大小蠹的发生机制、可持续控制和森林生态系统的保护提供了重要的理论和技术支撑。