在不同外界环境条件的影响下,同一种生物可以发育成形态不同、生活习性不同的个体,即发育可塑性。发育可塑性是生物在自然选择的压力下,为适应不断变化的生态环境而形成的一种极其重要的生存策略。很多昆虫(如蜜蜂、蚂蚁、蝗虫、稻飞虱)具有发育可塑性现象。稻飞虱是水稻重要害虫,翅的发育具有可塑性。成虫具有长翅型和短翅型类型:在寄主营养恶化时,主要产生长翅型个体,长翅型成虫飞行能力强,前翅与后翅均长于身体,且前翅长于后翅,、但繁殖能力较弱;在寄主营养丰富时主要产生短翅型。短翅型个体不能飞行,前翅与后翅均短于身体,、且后翅非常退化,类似果蝇平衡棒,但繁殖能力强。多年来,稻飞虱的翅二型现象吸引了众多昆虫学者的兴趣,取得了大量研究进展。褐飞虱翅型转换的开关基因已经鉴定出来:胰岛素受体Insulin Receptor 1/2(In R1/2)。然而,In R1/2是非常上游的调控因子,翅发育基因是翅发育调控的具体执行者,翅发育基因是否能够响应In R1/2的信号,启动长翅型或短翅型翅发育的进程,进而调控翅型分化,目前还没有相关相关报道。本论文克隆了Ultrabithorax(Ubx)、Decapentaplegi(Dpp)、Vestigial(Vg)、apterous-A(ap A)4个翅发育基因,利用本室构建的长翅型与短翅型种群,通过同源比对、分子克隆、RNAi、荧光定量、原位杂交、Gal4-UAS转基因果蝇品系等技术研究了以上4个基因对长翅型和短翅型稻飞虱翅发育的调控作用,并初步研究了翅发育基因对In R1/2的应答,取得以下研究结果:褐飞虱Ubx(Nl Ubx)对翅发育及翅型分化的调控作用通过定量PCR、原位杂交实验,发现稻飞虱Ubx的表达模式与已知的昆虫Ubx不同,与甲壳纲动物更为相似。稻飞虱Ubx在前翅与后翅中均有表达,且短翅型种群表达量高于长翅型品系。无论是长翅还是短翅品系,若虫后翅翅芽表达量高于前翅翅芽。而昆虫已知的Ubx只在后翅表达,前翅不表达。稻飞虱Ubx蛋白在结构上也与已知的昆虫Ubx不同,与甲壳纲动物更为相似。稻飞虱Ubx的MXSXFE结构域序列为MMNSYFE,QA结构域序列为QAQAAK,Ploy-Ala结构域序列为AAALAASQAQ。而昆虫已知的Ubx,这三个结构域的序列分别为:MNSYFE,QAQAQK和AAAAAAAAAA。稻飞虱Ubx不但在前翅表达,而且对前翅的发育也承担着重要功能,并调控前翅与后翅的大小。通过RNAi干扰,降低稻飞虱Ubx表达量之后,产生以下表型:长翅和短翅成虫的前翅和后翅畸形且短翅型成虫前翅和后翅刚毛增多,长翅和短翅成虫后翅前翅化且短翅型成虫后翅变大程度尤为明显。稻飞虱Ubx在长翅种群与短翅种群中,对其靶标基因的调控模式不同。根据前人的研究,Nl Dpp,Nl Vg,Nlap A,Nl ASH等基因是Ubx的靶标基因。通过定量PCR,检测了褐飞虱长翅、短翅种群中Ubx被干扰之后,这些靶标基因的表达量。结果表明:Nl Ubx在长翅和短翅品系的前翅和后翅中对靶标基因的调控作用均有不同。考虑到Nl Ubx在短翅型、长翅型种群若虫翅芽表达量不同,且Ubx对翅的大小有调控作用,推测Ubx可能通过剂量效应调控褐飞虱翅的大小。为了验证这一推测,本文利用Gal4-UAS转基因果蝇品系使褐飞虱Ubx(Nl Ubx)、果蝇(Drosophila melanogaster)Ubx(Dm Ubx Ia)、丰年虾(Acanthokara kaputensis)的Ubx(Ak Ubx)在果蝇前翅(Ubx空背景组织)异位表达,并通过三种不同强度的启动子(Nub-Gal4(强),Sd-Gal4(中);C765-Gal4(弱))使转基因果蝇前翅表达不同剂量的Ubx。结果表明:Dm Ubx Ia在前翅表达高、中、低3个剂量下,果蝇的前翅仍然是平衡棒,而Nl Ubx与Ak Ubx在中等剂量下,果蝇前翅变成一个较小的翅,在低剂量下,果蝇前翅转换成一个相对完整的翅。因此,Dm Ubx Ia剂量效应不明显,而Nl Ubx与Ak Ubx剂量效应明显,通过剂量的变化,可以使翅的大小灵活变化。同时也说明Nl Ubx与Ak Ubx对翅形成基因的压制作用弱于Dm Ubx Ia。通过点突变技术使果蝇前翅表达突变后的Dm Ubx Ia、Nl Ubx、Ak Ubx,证明Nl Ubx负责抑制翅形成相关基因的结构域的压制能力显著弱于Dm Ubx Ia,压制能力与Ak Ubx相似。因此,稻飞虱Ubx蛋白保留或者半保留了原始物种Ubx结构,这是其存在灵敏的剂量效应的分子基础。在此基础上,我们也发现营养丰富的分蘖期水稻诱导稻飞虱In R2表达量上升,营养贫乏的黄熟期水稻诱导稻飞虱In R1表达上升。Ubx对寄主营养也存在响应,即营养丰富的分蘖期水稻诱导稻飞虱Ubx表达量上升,营养贫乏的黄熟期水稻导稻飞虱Ubx表达量下降。褐飞虱ap A(Nlap A)对翅发育的调控作用apA在褐飞虱二龄和四龄短翅种群若虫中的表达量显著高于长翅种群。Nlap A被干扰之后,造成成虫前翅刚毛消失,翅卷曲,翅长变短。进一步研究发现,ap A RNAi导致稻飞虱翅刚毛变少的原因是由于ap A的表达量降低致使控制刚毛发育的关键基因Achaete-scute homolog(Nl ASH)表达量降低。Nlap A是Nl ASH的上游调控因子。褐飞虱Dpp(Nl Dpp)和Vg(Nl Vg)对翅发育的调控作用Dpp和Vg在长翅和短翅稳定遗传系若虫中的表达量存在显著差异,在长翅若虫中的表达量显著高于短翅。干扰长翅和短翅稳定遗传系三龄若虫Dpp和Vg表达,发现Dpp被干扰后成虫翅的翅脉完全消失;Vg被干扰后,长翅型成虫的前翅和后翅臀田域顶角区出现水泡;但是短翅成虫的前翅臀田域顶角区并无水泡(后翅为翅芽状,无臀田域顶角区)。本论文以Ubx、Dpp、Vg、apA 4个翅发育基因为对象,比较这些基因在长、短翅型种群中的表达差异,揭示翅发育基因对翅发育、翅型分化的调控作用。研究结果将丰富不完全变态昆虫翅型分化分子机制理论,对揭示褐飞虱灾变的内在原因、实现褐飞虱虫源迁出时间的精细化预测、在褐飞虱迁出地进行源头治理具有重要的意义。