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昆虫通过食物源(大多数昆虫)、共生菌(如粉虱)和自身生物合成(如蚜虫、蚊子等)获得类胡萝卜素。其中,一些昆虫在进化中通过水平基因转移,从真菌中获取了类胡萝卜素生物合成相关基因,因此能够合成和调控自身类胡萝卜素。豌豆蚜基因组中有7个与真菌同源的类胡萝卜素生物合成相关基因,包括3个类胡萝卜素合成/环化酶基因(Carotenoid synthase/cyclase genes,Csc)(CscA/CscB/CscC)和4个类胡萝卜素脱氢酶基因(Carotenoid desaturase genes,Cde)(CdeA/CdeB/CdeC/CdeD)。然而,这些基因是否具有活性以及如何调控豌豆蚜的生理功能仍不清楚。为回答这一科学问题,本学位论文在离体水平利用异源互补检测方法系统分析豌豆蚜这7个基因与类胡萝卜素合成、脱氢和环化的关系,在活体水平利用RT-qPCR及HPLC检测这7个基因的表达及合成的类胡萝卜素的种类和含量,通过母代RNAi分析CdeB对红色型豌豆蚜体色及种群适合度的影响,最后借助类胡萝卜素脱氢酶专性抑制剂与RNAi技术,分析豌豆蚜类胡萝卜素对光能的捕获及与抗逆力的关系。1.豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因具有合成或脱氢功能在离体水平上,借助大肠杆菌表达载体,通过异源互补检测的方法分析7个类胡萝卜素生物合成相关基因的活性。将载体pACCRT-E分别与豌豆蚜的3个合成/环化酶基因共转化,证明3个合成/环化酶基因均具有合成酶的活性,但是否具有环化酶的功能尚需进一步研究;将载体pACCRT-EB分别与豌豆蚜的4个脱氢酶基因共转化,证明4个脱氢酶基因均具有脱氢酶的活性。其中,CdeA可将八氢番茄红素三步脱氢生成链孢红素,同时生成六氢番茄红素和ζ-胡萝卜素;CdeC可将八氢番茄红素两步脱氢生成ζ-胡萝卜素,同时生成六氢番茄红素;CdeD可将八氢番茄红素四步脱氢生成番茄红素,同时生成六氢番茄红素、ζ-胡萝卜素和链孢红素。2.豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因可能主要在表皮参与调控类胡萝卜素的生物合成在活体水平上,利用RT-qPCR技术解析豌豆蚜7个类胡萝卜素生物合成相关基因在不同发育阶段、不同组织和不同色型的表达模式。比较而言,所有基因均在成蚜期的表达量较高,同时在表皮和胚胎有较高的表达水平,暗示豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因主要在表皮表达并与表皮中类胡萝卜素的生物合成有关。豌豆蚜不同色型间相比较,CscB主要在绿色型高表达,CdeB主要在红色型高表达,暗示二者参与豌豆蚜红绿色型差异类胡萝卜素的生物合成。利用HPLC技术分析豌豆蚜不同色型类胡萝卜素的种类和含量差异,发现绿色型豌豆蚜含有α-、β-和γ-胡萝卜素,而红色型豌豆蚜除α-、β-和γ-胡萝卜素外,还包含另外3种红色类胡萝卜素:cis-torulene、all trans-torulene和3,4-didehydrolycopene,但绿色型豌豆蚜类胡萝卜素总量显著高于红色型。干扰上游基因GGPPS导致豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因表达量和类胡萝卜素总量降低。以上结果表明豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因可能主要在表皮部位参与调控不同类胡萝卜素的生物合成,并受上游通路基因GGPPS的调控。3.CdeB调控红色型豌豆蚜体色的形成及种群适合度利用母代RNAi技术(parental RNAi),研究类胡萝卜素脱氢酶基因CdeB对红色型豌豆蚜体色形成和种群适合度的影响。结果发现,干扰CdeB后,当代(F0)和后代(F1-F3)豌豆蚜的体色逐渐变浅,红色类胡萝卜素(cis-torulene、all trans-torulene和3,4-didehydrolycopene)的含量下降;当代种群各个龄期发育历期延长,产蚜量降低;后代种群数量和生物量显著下降,且种群年龄结构发生显著变化。CdeB参与红色类胡萝卜素的生物合成并影响豌豆蚜的种群适合度。4.豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因能响应不同的光谱并介导抗逆性综合利用不同光谱(有或无类胡萝卜素吸收峰)和饥饿胁迫处理、脱氢酶抑制剂和RNAi技术研究豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因响应光与胁迫适应能力间的关系。结果发现,以去除类胡萝卜素光吸收峰的光谱处理后,豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因表达量和类胡萝卜素含量下降,但不影响豌豆蚜的其他生长发育指标(重量、产蚜量、体长、体宽及表面积),暗示豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因可特异性的响应有类胡萝卜素光吸收峰的光谱。饥饿胁迫后,豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因表达量和类胡萝卜素含量显著增加,说明豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因能够响应饥饿胁迫。不同光谱联合饥饿胁迫处理下,豌豆蚜在有类胡萝卜素光吸收峰时,存活时间更久,抗胁迫能力更强。最后,利用类胡萝卜素脱氢酶抑制剂及联合RNAi技术抑制类胡萝卜素生物合成通路后,豌豆蚜抗饥饿胁迫能力显著降低。以上结果表明豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因通过对光的响应介导其抗逆能力。综上所述,豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因调控自身类胡萝卜素的生物合成和体色形成,下调类胡萝卜素生物合成相关基因表达量导致种群适合度显著降低,并且豌豆蚜类胡萝卜素生物合成相关基因能够通过对光的响应介导其抗逆性。说明在长期进化过程中,这些基因在蚜虫适应环境方面具有重要的作用。