一个与褐飞虱致害性相关基因的克隆鉴定和功能分析

The brown planthopper(Nilaparvata lugens )is one of the most important pest insects on rice(Oryza sativa L.).It is considered an economical and environment friendly means of this pest control to breed resistant rice varieties.However, the occurrence of new virulence of brown planthopper is a great threat to the application of resistant varieties.In our previous study,we found a genome DNA fragment only in TN1 population,which is negatively related with virulence.An open reaing frame(ORF) linked with this frgment was predicted to encode a membrane protein with unknown function.In this project,we will characterize and confirm the relation of this gene,including flanking genes, to virulence of brown plant hopper and explore the mechanisms underlying the virulence.The proposed study areas include: Analysing the temporal and spatial expression of target genes, screening the interaction proteins and silencing the target gene via RNAi, etc.From these results,we will find the key genes regulating the virulence formation and study its function,and propose a working model through analysing its interacting proteins.This project will help us to get a better understanding on the molecular mechanism of virulence formation and shift in brown planthopper.

褐飞虱（Nilaparvata lugens）是我国水稻生产的主要生物灾害之一，培育和利用抗性品种是防治褐飞虱最经济有效的方法。但是，褐飞虱致害能力易于发生变异，成为抗性水稻应用的重要障碍，也是褐飞虱爆发成灾的主要原因。本项目在前期研究中找到了一条仅在褐飞虱弱致害性种群TN1基因组中出现且与致害性呈负相关的DNA片段，该片段所在位置的阅读框编码一个预测的未知功能的膜蛋白。本项目拟在此基础上研究该基因及其毗邻基因与褐飞虱致害性的相关性，并深入研究相关基因功能。研究目标基因在褐飞虱和水稻互作中的时空表达差异、筛选目标蛋白在褐飞虱或水稻中互作蛋白、对目标基因的功能进行RNA干涉并分析表型。通过这些研究，找到与褐飞虱致害性相关的关键基因并分析其作用机制，并根据互作蛋白分析初步提出决定褐飞虱致害性形成和分化的分子网络模型，促进对褐飞虱致害性产生和变异分子机制的认识。

褐飞虱(Nilaparvata lugens)是我国及东南亚水稻生产中的一种主要的刺吸式害虫，该虫具有迁飞性、高繁殖力和致害能力高可塑性等特征。由于褐飞虱致害性的可塑性是的生产上使用的抗性品种在短期内易于被褐飞虱适应而丧失抗性，目前对其致害性产生和变异的分子基础的认识还远远不够。从分子水平上深入研究褐飞虱致害性产生和变异的机制，了解致害行为相关的关键调控因子，可以为抗虫育种提供科学依据，为实现可持续控制褐飞虱种群提供基础。项目组前期研究发现褐飞虱致害性种群TN1中有一条特异的DNA条带，含该条带的褐飞虱个体在抗性品种上饲养发现若虫期发育速率、初羽化成虫体重、成虫（雌）寿命、产卵量等方面均处于劣势。本研究将在克隆盖序列代表的全长基因后进行功能分析，了解该基因的基本生物学功能以及是否和褐飞虱致害性相关。结果发现：1）该全长基因编码的是未知膜蛋白与褐飞虱体内共生细菌Arsenophonus同源，该菌在褐飞虱不同致害性种群中的感染率不同，与致害性之间无直接关系，但该菌有助于提高褐飞虱的免疫力；2）转录组测序对比寻找与致害性相关的关键基因，结果发现凡是在某一种群特异表达的基因均来源于褐飞虱体内共生菌或感染的病毒，推测不同致害性种群间基因表达的差异主要是量变而非质变造成；3）致害性强的种群其参与基础代谢和蛋白质合成方面的基因表达均高于致害性弱的种群，从中选出了在致害性强的种群中表达量显著高于TN1种群的糖酵解途径的烯醇酶基因NlEno1和蛋白质合成延伸因子NlEF1α基因，该基因的沉默会不同程度的影响褐飞虱的存活率，产卵量和子代数同时影响其他基因的转录。这些关键基因通常都是多功能的基因，基因的表达量都有冗余。除了作为基础代谢所需的看家基因功能而外，还参与信号传导、基因表达调控等。4）转录组数据库比对发现致害性强的种群中一个小G蛋白家族基因和富含EF-Hand结构域的钙离子结合蛋白表达量上调，暗示其可能调控褐飞虱与抗性水稻之间的互作。