Fox基因家族调控褐飞虱整个生命周期生长发育的功能网络研究

The forkhead-box (Fox) genes encoded a large family of transcription factors characterized by a ‘winged-helix’ DNA-binding domain. Our preliminary results showed that Fox genes played indispensable roles in embryonic development, molting, wing differentiation and reproduction of the brown planthopper (BPH). Thus far, most studies have focused on the individual gene function, and thus lack a comprehensive understanding of the Fox gene family. In this study, we identify all genes of the Fox gene family in the BPH genome and the annotated cDNA sequences. The gene architectures, phylogenetic relationships, expression patterns and RNA interference (RNAi) results are analyzed to elucidate the functions of the Fox genes with the context of BPH growth, development and reproduction. Moreover, RNA-seq is used to further explore the potential downstream target genes of these Fox genes, thereby constructing a coordinated genetic regulatory network of the Fox gene family throughout the life cycle of the BPH. These findings may deepen our overall understanding of the regulatory function of the Fox gene family in insect growth and development, and thus ultimately stimulate the design and development of novel insecticides.

Forkhead (Fox)基因编码一组包含保守的“翼状螺旋”DNA结合域的转录因子家族。我们初步研究结果显示，褐飞虱Fox基因对胚胎发育、蜕皮、翅型分化、繁殖等过程都起到至关重要的作用。但目前对Fox基因家族的功能研究都只涉及个别Fox基因，缺乏一个对Fox基因家族全面的、互相关联的整体研究。本申请项目中，我们将全面鉴定并克隆褐飞虱基因组中的Fox基因，通过基因结构、进化关系、表达模式和RNA干扰等研究方案，全方位揭示Fox基因家族在褐飞虱生长发育过程中扮演的重要作用。之后，利用转录组差异表达分析进一步探究这些Fox基因的潜在下游靶标基因，对重要下游基因进行启动子结合分析和功能验证，从而构建一个Fox基因家族及其下游靶标基因对褐飞虱整个生命历期的协同调控网络，从而深化我们对Fox基因家族在昆虫生长发育中调控功能的整体理解，也为通过基因调控进行害虫防治提供潜在靶标。

Forkhead (Fox)基因编码一组包含保守的“翼状螺旋”DNA结合域的转录因子家族，目前已知有19个亚家族，分别是FoxA到FoxS。Fox基因家族存在于多种后生动物中，并在生命活动中扮演着十分重要的角色。本文中，我们鉴定了褐飞虱基因组中存在的一组Fox基因，并对它们的功能进行了研究。我们共鉴定并克隆了18条褐飞虱Fox基因，其中有17条归属于13个亚家族中。另一条与其他一些昆虫Fox蛋白发生了聚类，并形成了一个昆虫特异的Fox蛋白分支，而且自展支持率高达100%。我们暂时将这个分支命名为FoxT。NlFoxA、NlFoxN1和NlFoxQ这三个基因具有基因多效性。在五龄若虫前期干扰这三个基因中的任何一个，褐飞虱都将无法完成蜕皮过程，死亡率高达100%。同时，卵缺少这些基因的表达后，胚胎发育停滞，致使孵化率为0%。我们选择NlFoxN1为研究对象做进一步研究，进一步分析其基因多效性机理及其潜在靶标基因。实验结果发现，NlFoxN1可通过调控一个角蛋白基因NlKrt9来影响褐飞虱蜕皮过程的。经转录组测序、荧光定量PCR验证，我们找到了10个在卵期NlFoxN1靶标基因。这些基因的功能包括了调控、转录翻译、细胞结构等。我们推测NlFoxN1在胚胎发育过程中起到了先锋因子功能。在干扰NlFoxG或NlFoxN2后，卵的孵化率也都为0%，但它们对褐飞虱蜕皮过程没有影响。NlFoxT在系统发育分析中不归属于19个已知Fox蛋白亚家族中的任何一个，而是归属于一个特异的昆虫Fox蛋白分支。这些新型Fox基因具有明显的组织特异性与性别特异性，主要在雄虫的精巢中高表达。这个新的发现可能为Fox基因家族的分类与功能研究提供新的线索。但是我们在干扰NlFoxT后并没有发现雄虫有可见的表型变化。结合之前的研究结果，我们构建了一个Fox基因家族及其下游靶标基因对褐飞虱整个生命历期的协同调控网络，从而深化我们对Fox基因家族在昆虫生长发育中调控功能的整体理解，也为通过基因调控进行害虫防治提供潜在靶标。