二化螟水通道蛋白表达、功能分析及其在环境适应中的作用

Water is one of the most important variables that potentially dictate the distribution and abundance of insects. Aquaporins (AQPs) transport not only water but also other small molecules. Insects have a number of aquaporins with each performing different functions. Moreover, some studies have suggested that aquaporins played some essential roles in insects to adapt their environmental conditions. The striped stem borer, Chilo suppressalis, entered faculative diapause as larvae, one of the most important rice pests in China, has evolved strong ability to resist environmental adversities (particularly temperature stress), which likely is intimately related to its aquaporins. And AQPs play an important role in the diapause and the environmental adaption of C. suppressalis. The objectives of the research proposal are 1) to determine the number of aquaporins and their sequences in C. suppressalis by the RACE; 2) to establish the structural characteristics of C. suppressalis aquaporins through biological information; 3) to further elucidate the specific functions of the individual aquaporins using the Xenopus oocyte swelling assay system; and 4) to assess respectively the spatial and temporal profiles of aquaporins (various tissues or organs, different developmental stages and different situations through Real-time PCR and Western blot. By performing the planned research, we are confident for being not only able to achieve a comprehensive understanding of the scientific roles of insect AQPs, but also provide deep insight towards the environmental adaption and outbreak mechanisms of C. suppressalis.

水是生物生存发展的基本要素，生物体中的水通道蛋白（AQPs）不仅可以转运水分，而且还可传输小分子溶质。每种生物都拥有多种功能不同的水通道蛋白，这些蛋白质在生物环境适应中起着重要作用。二化螟是一种重要的水稻害虫，为兼性滞育并对环境具有很强的适应性,而水通道蛋白在水稻二化螟滞育和对环境适应中起着非常重要的作用。本项目利用RACE方法克隆水稻二化螟体内的水通道蛋白基因；利用生物信息学方法对所获得的水通道蛋白基因序列进行分析，预测其结构特征；通过非洲爪蟾卵细胞体系研究各种水通道蛋白的功能；运用实时定量和蛋白免疫印迹法从mRNA和蛋白质水平研究水通道蛋白在水稻二化螟不同发育阶段和不同组织部位的表达模式以及在水稻二化螟滞育和环境适应中的作用。显然，本项目研究不但对进一步了解昆虫水通道蛋白具有重要的科学价值，而且对深入了解水稻二化螟的环境适应性和爆发成灾机理具有重要意义。

本研究采用RACE技术克隆出水稻二化螟三条水通道蛋白基因全长，分别命名为CsDrip1、CsPrip和CsAQP12L。CsDrip1和CsPrip具有两个转录型，编码相同的氨基酸，而CsAQP12L具有两个转录型，编码不同的氨基酸。CsDrip1和CsPrip都具有2个NPA单元和由四个保守残基区域形成的压缩区域ar/R。CsAQP12L1和CsAQP12L2都拥有不保守的CPY (Cys-Pro-Tyr) 和 NPV (Asn-Pro-Val)单元。利用非洲爪蟾卵母细胞功能分析表明：CsDrip1和CsPrip都可以高效转运水分子，CsDrip1转运水的能力要显著高于CsPrip。但是，CsDrip1和CsPrip都不能转运甘油、海藻糖和尿素。CsAQP12L1和CsAQP12L2既不能转运水也不能转运甘油，海藻糖和尿素。这说明CsDrip1和CsPrip在二化螟水分调节中发挥着重要的作用。不同湿度处理水稻二化螟3龄幼虫，18S为最稳定的内参基因，不同湿度处理水稻二化螟5龄幼虫，ACTIN为最稳定的内参基因，不同湿度处理水稻二化螟雄蛹，TUB为最稳定的内参基因，不同湿度处理水稻二化螟雌蛹和雄成虫，UBI为最稳定的内参基因，不同湿度处理水稻二化螟雌成虫，EF1为最稳定的内参基因。实时定量分析显示：CsDrip1 mRNA最高表达水平是在中肠中，CsDrip1表达量在水稻二化螟的不同发育阶段呈现动态的变化，在三龄幼虫期表达量最高。同时，CsDrip1表达水平在水稻二化螟的雌（成虫或蛹）和雄（成虫或蛹）之间有显著差异。CsDrip1的含量随着滞育的进程逐渐的增加，在1月15日达到最大值。并且，CsDrip1的表达水平可以被高温显著诱导，同时，在雌成虫中，干燥处理显著诱导了CsDrip1的表达量。CsPrip的最高表达水平在马氏管中和雄成虫中，最低的表达水平在中肠和雌蛹中，同时干燥显著诱导了在三龄幼虫体内的CsPrip的表达。CsAQP12L1和CsAQP12L2都显示在二化螟的后肠有最高的表达量，CsAQP2L在一龄幼虫的表达量高于其他发育时期，不同温湿处理并未引起CsAQP12L两种转录型的表达量有显著的变化。通过本项目的研究为进一步了解昆虫水通道蛋白具有重要的科学价值，也为该虫综合治理提供了新的思路。