虫草蝠蛾耐寒性特征及机理研究

Hepialus spp., host of Ophiocordyceps sinensis (Berk.) G.H. Sung, J.M. Sung, Hywel-Jones & Spatafora, grown at the Tibetan Plateau from an altitude above 3,000 m up to the snow line and formed specific adaptation to the cold environment, is a very good material to study cold tolerance. However, with slow growth and great difficulty in arificial rearing, the research about the cold tolerance of Hepialus spp. is very limited. We have successfully set up the laboratory population of Hepialus armoricanus Oberthür, make it possible to provide sufficient larvae for the cold tolerance study. In this project, we are going to clarify the characterization of the cold tolerance of H. armoricanus, indicate the whole regulatory pathways of H. armoricanus toward the cold pressure by combining the results of differently expressed genes from SSH study and the metabolic networks of small molecular metabolites, upon these, find and test the roles of the key metabolic pathways and also the key genes and enzymes with important regulatory function in the anti-cold system of H. armoricanus. With the illuminations of the physiological bases and molecular mechanisms of cold responding system of H. armoricanus, this project will improves our knowledge toward the basic biology of this high economic value insect, provide theoretical and technical support to the artificial rearing of Ophiocordyceps sinensis. Furthermore, it is highly possible to make some new discoveries on the cold resistance mechanism, enrich and progress the theory and application of insect cold resistance study.

蝠蛾是冬虫夏草的寄主昆虫，栖息于青藏高原的高寒地带，对低温形成了独特的适应性，是昆虫抗寒性研究的一个极好材料。但蝠蛾饲养困难、发育期长，已有的耐寒性研究非常有限，生理生化和分子生物学领域基本是空白。我们成功建立了虫草蝠蛾的室内人工种群，解决了实验材料来源这个关键问题。本项目将围绕耐寒性这一科学问题，阐明虫草蝠蛾的耐寒性特征，结合低温处理下差减杂交所获得的差异性表达基因和代谢小分子构建的代谢网络，揭示虫草蝠蛾抗寒系统应对低温环境时的整体调节路径，并在此基础上，寻找虫草蝠蛾抗寒性适应调节的关键代谢途径和具有调节功能的重要基因和酶，验证其在虫草蝠蛾抗寒性调节中所起的作用，阐明虫草蝠蛾抗寒的生理基础和分子机制, 揭示其耐寒性的本质。这项研究将加深人们对这种具有重要价值昆虫的基础生物学的认识，为人工栽培冬虫夏草提供理论和技术支持, 并可能在抗寒机制上有新的发现，丰富和发展昆虫抗寒性的理论和应用研究。

本研究从转录、代谢、生理等多层面系统揭示了蝠蛾低温适应的代谢调节网络和调节机制。（1）蝠蛾对低温的响应主要体现在对合成与分解代谢的平衡调节中，包括低温下合成代谢的下调、糖代谢各途径的重调、脂质动员及有氧代谢补偿等过程。（2）蝠蛾冷适应相关机制包括肌醇和海藻糖等低温保护剂的积累、膜脂的重塑等，其与代谢平衡的调节相互协调，具有内在一致性。氨基酸在代谢调节中可能具有协调和信号放大的作用，而对脯氨酸的动员亦可能是蝠蛾生存策略的重要环节。（3）蝠蛾通过热补偿机制维持低温下的能量供应和对代谢资源的重新分配以实现生长与越冬之间的平衡，这也是蝠蛾适应高海拔环境的重要策略之一：1）低温驯化后蝠蛾的整体糖代谢降低，而糖类的能量代谢途径得到选择性的补偿，从而实现低温下各糖代谢途径优先性的重调；2）低温驯化的幼虫动员脂肪体中的脂质储备，并取代糖类成为低温下的主要代谢底物；3）在有氧代谢过程中，一方面以a-KDGH作为补偿靶点来提高三羧酸循环的总代谢流量，另一方面增加线粒体的嵴密度以升高线粒体内膜的总面积。为此，蝠蛾幼虫不仅具有低温适应的代谢组构，还具有完整和系统的低温应答和保护机制。我们的研究填补了对蝠蛾低温适应性生理、生化和分子水平的研究空白，并以蝠蛾为模型对昆虫的低温生物学做出以下几点延伸：1)揭示了低温适应昆虫在低温下的代谢平衡的维持机制，以及代谢平衡维持与昆虫冷适应的内在一致性；2)首次系统地阐述了昆虫的热补偿机制调节途径以及补偿靶点；3)指出了能量代谢底物的替换在昆虫低温适应机制中的潜在意义。此外，我们延伸开展了蝠蛾的热敏感性研究，首次系统阐述了蝠蛾幼虫在27゜C热胁迫下从短暂耐受到不耐受的整个过程，阐释了氧代谢限制是蝠蛾高温不耐受的根本原因，暗示“氧限制的热耐受”假说可能同样适用于某些生存于极端环境下的陆生昆虫，为提高蝠蛾养殖效率、缩短冬虫夏草人工养殖周期提供了理论储备和突破方向。