家蚕β-FFase同源基因的表达差异与昆虫食性相关的功能研究

桑叶的乳液中含有大量的生物碱DNJ，对蓖麻蚕等非食桑昆虫具有毒害致死作用，而家蚕不受桑叶毒害作用的分子机制尚不明确。我们首次从家蚕克隆出动物型β－呋喃果糖苷酶（β－FFase）基因，编码功能性中肠消化酶，其活性不受DNJ的抑制。虽然从蓖麻蚕中分离出2个β－FFase同源基因，但在中肠都不表达，预示着家蚕利用β－FFase消化吸收桑叶中的糖分，抵抗生物碱毒性。为了弄清β－FFase在蚕-桑互作中的功能，本项目从蓖麻蚕、柞蚕、桑蝗和桑螟等鳞翅目昆虫中网罗分离家蚕β－FFase同源基因，对比调查基因在中肠的转录表达水平，鉴定体内外β－FFase酶活性质，解析生物碱添食对幼虫生长发育的影响，阐明基因的表达差异及其启动子调控元件的作用模式与昆虫食桑或非食桑的食性选择之间的关系。研究成果为揭示蚕-桑高度协同进化系统的分子调控机理奠定基础，为进一步开发新型抗虫靶标、防治鳞翅目害虫的应用研究提供理论依据。

DNJ、DAB-1等糖类似生物碱在桑叶中含量很高，是桑树化学防御体系中重要的生理活性物质，可通过抑制昆虫肠道的α-葡萄糖苷酶活性而起到防御虫害的作用。β-呋喃果糖苷酶（β-FFase）是不受生物碱抑制作用的蔗糖水解酶，在植物和微生物中广泛存在。家蚕（Bombyx mori）是以桑叶为唯一食物原料的鳞翅目昆虫，BmSuc1是首个被克隆鉴定的动物型β-FFase基因。为了解明BmSuc1在家蚕抵抗桑叶生物碱的分子机制中所扮演的角色，本项目以鳞翅目蚕蛾科的家蚕、桑蟥（Rondotia menciana），大蚕蛾科的蓖麻蚕（Samia cynthia ricini）、柞蚕（Antheraea pernyi），以及螟蛾科的桑螟(Glyphodes pyloalis)等5种昆虫为材料，主要开展了3个方面的体内体外研究。1. BmSuc1同源基因在不同食性、不同亲缘关系昆虫的存在情况，基因表达是否存在差异。结果从家蚕以外的4种昆虫共克隆得到10个β-FFase同源基因的cDNA全长和4个基因片段，表明β-FFase基因在所调查的食桑/非食桑昆虫中普遍存在，然而在不同食性的昆虫中肠的转录表达受到了严格调控，呈现明显的表达差异分化。2. 食桑/非食桑昆虫中肠的蔗糖水解酶活性、比例与β-FFase基因表达之间的关系。结果发现，β-FFase基因在家蚕等食桑昆虫高量表达，所产生的酶活在中肠蔗糖水解酶总活性中占90%以上。3. 食桑/非食桑昆虫摄食生物碱后的生长发育情况调查。DNJ、DAB-1的添食实验结果表明，生物碱对家蚕和桑螟的生长发育没有影响，却严重地阻碍了蓖麻蚕等非食桑昆虫的体重增长，且DAB-1对幼虫的致死毒性强于DNJ。综合以上研究进展，我们认为β-FFase在食桑昆虫的糖类代谢途径中具有重要功能，可以帮助昆虫正常水解蔗糖，获取糖类营养，从而避开生物碱的毒性通路。研究结果对揭示蚕-桑高度协同进化模式的分子调控机制具有理论意义，为发展我国桑产业的害虫防治研究提供了新靶标和新思路。