中国农业大学植物保护学院李志红教授团队在国际学术期刊《BMC biology》发表论文,揭示谷斑皮蠹应对低温胁迫的分子机制

近日，农林生物安全全国重点实验室、农业农村部植物检疫性有害生物监测防控重点实验室、中国农业大学植物保护学院李志红教授团队在国际学术期刊《BMC biology》发表了题为“Functional genomics reveals key gene families and molecular pathways for extreme cold survival in the khapra beetle”的研究论文，揭示了谷斑皮蠹（Trogoderma granarium Everts）应对低温胁迫的关键基因家族与生存分子机制。

谷斑皮蠹是世界公认的最具破坏力的入侵物种之一，被我国列为进境检疫性有害生物。其幼虫具备暴食性，寄主横跨动植物产品，严重时可彻底粉碎储粮并导致高达75%的经济损失（图1）。尽管其主要分布于南北纬35°之间，但在挪威（62°N）、俄罗斯（60°N）等高纬度寒区亦曾被发现。作为限制昆虫分布的关键因子，温度耐受性是成功定殖的核心竞争力。凭借超强的环境耐受性与滞育能力，谷斑皮蠹极易在全球范围内定殖扩散。近年来，中国、美国、澳大利亚等截获该虫的频率持续攀升。鉴于谷斑皮蠹潜在威胁，解析其低温耐受分子机制，对守护国家粮食安全、降低国际贸易风险具有重大意义。

图1 谷斑皮蠹的危害与分布。 a 幼虫对储粮的初期侵害。b 在散装货物中，侵害通常发生于表层，表面覆盖着大量的幼虫蜕皮和排泄物。

该研究首次组装了谷斑皮蠹的染色体水平基因组，总长327 Mb，scaffold N50达38 Mb，其中93.97%的序列锚定至9条染色体（图2a-b），99.0%的BUSCO完整度验证了其完整性（图2c）。基因组注释共鉴定到19,112个蛋白编码基因。比较基因组分析揭示，谷斑皮蠹的第9号染色体与赤拟谷盗的X染色体具有高度共线性（图2d）。

图2 谷斑皮蠹染色体水平基因组图谱。a Hi-C互作热图展示全基因组染色体互作情况；b 九条染色体的Circos图（外圈），分别显示基因密度（红色）、重复序列含量（绿色）和GC含量（蓝色）；c 基于BUSCO的基因组完整度评估；d 谷斑皮蠹（Tgr）与赤拟谷盗（Tca）的全基因组共线性比较。

为解析谷斑皮蠹的环境适应机制，该研究对包括10种入侵昆虫在内的18个物种进行了比较基因组分析（图3a）。基因家族进化分析表明，谷斑皮蠹基因组中显著扩张的家族主要富集于三大功能类群：一是与生长发育密切相关的胰岛素/IGF/松弛素（Insulin/IGF/Relaxin）家族；二是涉及解毒代谢的P450s和UDP-葡萄糖醛酸转移酶；三是参与胁迫应答的热激蛋白HSP20/α-crystallin、信号传导相关的Ras及丝氨酸蛋白酶等（图3b-c）。此外，跨膜转运蛋白及化学感受相关基因家族也呈现扩张趋势。这些扩张的基因家族共同构成了谷斑皮蠹耐受极端环境、定殖新生境的基因组基础。

图3 18种昆虫的比较基因组进化与基因家族扩张分析。a 系统发育关系；b 基于BITACORA v1.3注释的甲虫代表性基因家族丰度；c 基于CAFE v5和KinFin v1.0鉴定的谷斑皮蠹显著扩张基因家族（p<0.05）功能注释。

为探究谷斑皮蠹的低温耐受机制，本研究对其幼虫进行了-1°C低温胁迫处理（图4a）。基于转录组获得的低温差异表达基因与先前发现的扩张基因家族存在335个基因的重叠（图4b-d）。这些重叠基因的功能主要富集于能量代谢（如胆固醇与脂肪酸合成）、应激信号（MAPK和AMPK通路）及调控过程（胰岛素信号与寿命调节通路）。关键上调基因包括胰岛素样肽受体（INSR）、PIK3CB、SOD2和CAT等（图4e）。

图4 谷斑皮蠹耐寒机制的转录组分析。a 研究方法示意图；b 低温处理组（TR）与对照组（CK）样本的主成分分析；c 差异表达基因（DEGs）火山图（|log2FoldChange|>1，padj<0.05）；d 显著扩张基因家族（p<0.05）与差异表达基因（padj<0.01，q<0.01）重叠基因的KEGG通路富集分析；e 参与寿命调节通路的差异表达基因热图。

通过实时荧光验证，胰岛素信号通路关键基因INSR、PIK3CB、ADCY9、PRKACA及RPS6KA5在低温胁迫下均显著上调（图5a）。RNAi功能实验表明，干扰INSR和PIK3CB在常温和低温下均导致幼虫死亡，说明这两个基因是基础发育所必需的；而干扰ADCY9则表现出显著的基因型-环境互作效应——低温下死亡率显著高于常温，证实ADCY9在谷斑皮蠹低温耐受中发挥特异性调控作用（图5b-e）。

图5 谷斑皮蠹耐寒机制的基因功能验证。 a 低温胁迫下目标基因的qRT-PCR验证；b-e 低温条件下干扰ADCY9基因的功能表型：相对日存活率（b）、化蛹率（c）、蛹期（d）和蛹重（e）。

通过小RNA测序，本研究在谷斑皮蠹中鉴定出235个miRNA，其中14个在低温胁迫下差异表达（图6a-e）。靶基因预测与功能富集分析表明，这些差异miRNA的靶基因显著富集于MAPK级联、应激反应及胰岛素相关的寿命调节通路（图6f）。在寿命通路中，INSR、ADCY9和RPS6KA5分别被预测为tca-miR-305-3p、novel0120和tca-miR-34-3p的潜在靶标（图6e）。上述发现提示，miRNA可能通过对胰岛素及长寿相关信号通路的精细调控，参与谷斑皮蠹的低温耐受过程（图6g）。

图6 谷斑皮蠹耐寒性的潜在miRNA调控网络。 a 低温胁迫（TR）与对照（CK）条件下miRNA图谱的主成分分析；b 已知miRNA与 novel miRNA在不同序列长度下的首位核苷酸偏好性分布；c 差异表达miRNA（DEMs）火山图（|log2FoldChange|>1，padj<0.05）；d 显著差异表达miRNA的分层聚类热图；e 基于miRanda、RNAhybrid与TargetScan预测寿命调节通路中miRNA靶标的韦恩图；f 上调差异表达miRNA及其靶基因的联合KEGG通路富集分析（padj<0.05，q<0.05）。g 低温胁迫下胰岛素信号与寿命通路潜在调控网络示意图；经RNAi验证对低温存活或发育有显著影响的基因以红色标注（红框：ADCY9；红色字体：INSR, PIK3CB）；虚线箭头表示预测的miRNA-靶基因互作关系。

中国农业大学植物保护学院为该论文的第一完成单位，已毕业博士曾令瑜为论文第一作者，李志红教授为通讯作者，苏州海关的郑斯竹博士、瑞典乌普萨拉大学的Göran Arnqvist教授、团队已毕业博士冯士骞和赵岩及团队郭韶堃副教授和赵紫华教授是共同作者。该研究获农林生物安全全国重点实验室联合攻关项目、国家现代农业产业技术体系、中国农业大学教学团队和中国农业大学2115人才项目的资助。