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宁波大学陈剑平院士团队揭示水稻害虫褐飞虱雌性性别发育开关

2021年11月26日,陈剑平院士/张传溪/李俊敏的植物病毒媒介昆虫团队在Science Advances上在线发表了题为“A feminizingswitchin a hemimetabolous insect”的研究论文。文章报道了参与褐飞虱雌性决定的因子Nlfmd及其配体蛋白Nlfmd2,并通过体外验证了复合体NlFMD/NlFMD2是通过结合在雌性双性基因特异性外显子4上的重复元件(G/A)AAGAA来调控褐飞虱双性基因的雌性特异性可变剪接,从而调控褐飞虱雌虫的发育,该研究揭示了昆虫雌性性别决定的一种新的分子机制。

性别分化是生殖细胞在性别决定的基础上,进行雌性或者雄性特异性发育的过程。昆虫是生物界种类最多的群体,拥有复杂而多样的生殖方式,与此同时也进化出复杂而精细的性别决定机制。Doublesex基因被认为是昆虫性别决定通路中最为保守的一环,上游基因通过调控Doublesex的雌雄特异性可变剪接来实现性别特异性发育,但目前Doublesexpre-mRNA受到调控的分子机制可参考模型比较单一(来自黑腹果蝇),其它昆虫的调控模式是否与果蝇完全一致对研究昆虫性别决定具有重要意义。

半翅目昆虫是进化上相对于双翅目更为古老的一类昆虫,同时也是危害粮食作物害虫非常多的一个类群。研究团队结合前期褐飞虱基因组和转录组的研究成果,对褐飞虱胚胎早期基因进行了大规模RNAi筛选,成功找到了参与调控Doublesex可变剪接的两个新基因Nlfmd和Nlfmd2。在若虫期敲除Nlfmd和Nlfmd2后,雌虫体内出现雄性特异性Doublesex的表达,并使得褐飞虱在羽化后出现雌雄嵌合体的表型,与此同时研究人员通过蛋白互作实验证明了Nlfmd和Nlfmd2可以形成复合体。团队成员通过体外构建人工Doublesexmini-genome成功在293T细胞系中模拟出雌性特异性和雄性特异性可变剪接。在293T细胞系中表达Nlfmd和Nlfmd2后,Doublesexpre-mRNA可变剪接中雌性可变剪接模式增加。进一步研究表明点突变雌性特异性外显子4上的重复序列(G/A)AAGAA后,该调控作用消失,微量热泳动分子互作实验验证了该结果。本研究明确了两个新的参与性别决定的基因Nlfmd和Nlfmd2,并初步证明了Nlfmd/Nlfmd2复合体调控Doublesex的分子机制,说明在Doublesex可变剪接的调控也具有物种多样性。稻飞虱是我国危害最大的害虫,也是重要的传播水稻病毒的媒介昆虫,本研究成果将为未来利用昆虫不育技术防治褐飞虱提供重要的基础。

论文的第一作者为宁波大学卓继冲博士,浙江大学的博士生张厚洪和胡庆龄为共同第一作者。宁波大学陈剑平院士、李俊敏研究员、张传溪教授和弗吉尼亚理工大学屠志坚教授为共同通讯作者。宁波大学鲁嘉宝、黄海剑、卢刚博士和研究生张岩、王海强,浙江大学张金利博士和研究生李晗婧、谢雨澄、王伟伟等也参与了部分研究工作。该研究项目得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金资助。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf9237

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