视蛋白调控夜行性昆虫棉铃虫趋光行为的机理研究

Studies on the mechanism of light source preference and phototaxis rhythm among nocturnal insect has been one of the hotspots in entomology, but it still has many aspects that remain unknown. A large number of studies have shown that opsin determine insects’ selectivity to wavelength, which has a regulatory function on insect rhythm behavior. We focused on how opsin determined selectivity wavelength and phototaxis rhythm behavior of insects. We acquired seven opsin genes from the adult head transcriptome of Helicoverpa armigera analysis. In the study we clone seven opsin genes of H. armigera and then measure their mRNA levels in spatio-temporal using quantitative real-time PCR. We also study the light selection and phototaxis rhythm of H. armigera after silencing opsin genes using RNAi. Meanwhile, we define the correlation between opsin genes’ spatio-temporal expressions and related genes (trp、stops、nianaC、NinaA、per、tim、cry ) of light selection and rhythm expression pattern. The results would help us understand the opsin regulation mechanisms and effects in H. armigera phototaxis behavior, enrich and perfect light selection theory; benefit light trapping efficiency and selectivity by improving light source of light trapping techniques and regulating lights switch based on the phototaxis rhythm; and promote the development of physical control pests industry.

夜行性昆虫趋光行为过程中光源敏感性和上灯节律是如何形成的，一直是昆虫学领域研究热点之一，但仍是尚未解决的科学难题。研究表明昆虫视蛋白具有光源敏感性，且对行为节律有调控作用。那么视蛋白是如何调控夜行性昆虫光源敏感性和上灯节律的呢？这是我们感兴趣的科学问题。项目组前期从棉铃虫成虫头部转录组分析中获得了7种视蛋白基因序列。本项目拟克隆棉铃虫7种视蛋白基因，检测其时空表达特征，通过RNAi沉默视蛋白基因后检测棉铃虫光源敏感性和上灯节律的变化，并明确光源选择及节律相关基因trp、stops、nianaC、NinaA、per、tim、cry等的表达与视蛋白基因表达的关系，从而阐明视蛋白对棉铃虫趋光行为的调控作用和机制，对丰富和完善昆虫趋光性理论，推动灯光诱杀技术中光源的改进和基于上灯节律确定开关灯时间，从而提高灯光诱杀效果和选择性，促进害虫物理防治产业的发展具有重要的理论和实践意义。

本项目研究了粘虫和棉铃虫的趋光行为在趋光率、敏感波长、趋光节律等方面均存在差异；从生理结构上比较了两物种感光器官——复眼在外部形态和内部结构差异；在分子水平上解析了二者的光受体基因——视蛋白基因数量、种类、表达量、表达模式和表达部位的差异；从神经肽的角度解析了棉铃虫响应紫外光胁迫的特点。.1).对粘虫和棉铃虫进行转录组测序，分别鉴定得到8个和7个视蛋白基因，其中粘虫和棉铃虫转录组中鉴定出的UV视蛋白基因分别为3个和1个，棉铃虫还特有1个Pteropsin视蛋白基因。粘虫视蛋白基因LW2与LW1的FPKM比值（1/176）显著小于棉铃虫视蛋白基因LW2与LW1的FPKM比值（1/87）。.2).粘虫和棉铃虫主要视蛋白基因的表达模式不同：粘虫头部视蛋白基因（MS-lw、MS-bl和MS-uv）的表达有显著的昼夜节律，而棉铃虫视蛋白基因（HA-lw、HA-bl和HA-uv）的表达昼夜节律但没有显著差异。两物种3个视蛋白基因（lw、bl和uv）表达量的比例存在差异。.3).粘虫和棉铃虫复眼形态及显微结构比较上均有差异。.4).复眼中视蛋白基因的组织定位不同：棉铃虫复眼中3个视蛋白基因（HA-lw、HA-bl和HA-uv）的表达量，在光期雌虫明显高于雄虫，在暗期雌虫明显小于雄虫。但粘虫复眼中3个视蛋白基因（MS-lw、MS-bl和MS-uv）的表达量在光期和暗期均无性别差异。粘虫和棉铃虫复眼在光期时，3个视蛋白基因（lw、bl和uv）在视杆细胞中均匀分布表达，而在暗期则集中于视杆细胞远心端表达。.5).粘虫和棉铃虫成虫趋光特性存在差异：趋光反应率存在差异；敏感波峰存在差异；趋光节律存在差异。.6).紫外光胁迫时棉铃虫神经肽的转录变化，发现棉铃虫具有复杂的神经肽系统，其中部分神经肽参与的棉铃虫响应光胁迫的反应过程。.这些研究明确了粘虫和棉铃虫的趋光行为差异，揭示了趋光行为差异的生理结构和分子基础，为阐明昆虫趋光行为的多样性奠定了基础，同时对进一步理解害虫趋光机制、依据昆虫趋光行为建立高效的灯光诱虫技术从而科学地开展害虫物理防控具有重要意义。