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为解决草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）化学防治带来的环境等问题，研究人员开展其热休克蛋白（Hsps）基因研究。发现 SfHsp68A 具睾丸特异性表达，敲除后致雄性不育等，揭示其通过维持线粒体功能等影响育性，为害虫防治提供新策略。
论文解读
研究背景与意义
在全球农业生产的舞台上，草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）宛如一个肆虐的 “破坏者”。它原产于美洲热带和亚热带地区，凭借全球化浪潮与国际贸易的 “顺风车”，自 2016 年起迅速向非洲蔓延，截至 2022 年已入侵 44 个非洲国家和地区；2018 年首次在印度被发现后，又向亚洲其他国家扩散，成为玉米、棉花、水稻、甘蔗等 350 余种植物的 “天敌”。当前，对它的防控主要依赖化学农药，然而长期使用农药不仅污染环境、误杀非靶标生物，还可能促使害虫产生抗药性，开发环境友好的新型防治手段迫在眉睫。
热休克蛋白（Heat Shock Proteins，Hsps）作为一类高度保守的蛋白质，在生物应对逆境和多种生理过程中扮演着重要角色，但其在昆虫生殖领域的功能却知之甚少。在昆虫雄性生殖过程中，精子发生涉及大量的转录和分化事件，亟需 Hsps 的参与。基于此，西北农林科技大学的研究人员开展了相关研究，试图挖掘 Hsps 在草地贪夜蛾雄性育性中的作用，为害虫防治开辟新路径。该研究成果发表在《Insect Biochemistry and Molecular Biology》上，为深入理解昆虫生殖机制及研发绿色防控技术提供了重要参考。
主要关键技术方法
研究人员首先从草地贪夜蛾基因组中鉴定出 36 个 Hsp 基因。通过 CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建了 LOC118269601（即 SfHsp68A）基因敲除突变体，对比分析突变体与野生型的表型差异。同时，利用转录组测序技术，对突变体睾丸进行分析，筛选差异表达基因并富集相关通路。此外，研究中使用的草地贪夜蛾种群由中国农业科学院植物保护研究所的张田涛博士提供，初始种群于 2019 年 1 月采自中国云南省江城县，昆虫在可控环境条件（25℃恒温、14 小时光照 / 10 小时黑暗光周期）下饲养，幼虫以购自 Keyon Biotech Co., Ltd. 的标准饲料喂养。
研究结果
睾丸特异性 Hsp 基因的鉴定
在草地贪夜蛾基因组中成功鉴定出 36 个 Hsp 基因（SfHsps），大部分定位于 16 号染色体且呈簇状分布。进一步命名和分类发现，多数属于小热休克蛋白家族。通过基于氨基酸序列构建系统发育树（使用 IQtree，1000 次自展重复），对其进化关系进行了分析。其中，LOC118269601（SfHsp68A）在正常及热胁迫条件下均表现出强烈的睾丸特异性表达，在蛹期睾丸发育的关键阶段表达量达到峰值。
SfHsp68A 敲除导致雄性不育
CRISPR/Cas9 介导的 SfHsp68A 敲除实验表明，突变体雄性表现为隐性雄性不育。与野生型相比，突变体雄性的睾丸体积显著减小，精子数量大幅减少。当野生型雌性与突变体雄性交配时，卵的孵化率急剧下降，这充分说明 SfHsp68A 对草地贪夜蛾雄性育性至关重要。
突变体睾丸的转录组分析
对突变体睾丸的转录组分析显示，与线粒体功能、氧化磷酸化、能量代谢和活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）代谢相关的基因显著下调。线粒体作为细胞的 “能量工厂”，在精子发生过程中为精子的生成和运动提供能量，氧化磷酸化是细胞生成 ATP 的主要途径，而 ROS 代谢失衡会导致细胞氧化损伤。由此推测，SfHsp68A 可能通过维持线粒体完整性和代谢稳态来保障精子发生过程的正常进行。
研究结论与讨论
本研究首次明确了睾丸特异性热休克蛋白基因 SfHsp68A 在草地贪夜蛾雄性育性中的关键作用。研究发现，SfHsp68A 的缺失会导致雄性不育，其机制可能与线粒体功能受损、能量代谢紊乱和 ROS 代谢异常有关。这一结果不仅拓展了我们对昆虫生殖中 Hsps 功能的认识，还为开发不育昆虫技术（Sterile Insect Technology，SIT）提供了潜在的遗传靶点。通过靶向 SfHsp68A 基因，有望培育出不育的草地贪夜蛾雄性个体，将其释放到野外与野生种群竞争交配，从而降低害虫种群密度，为可持续控制这一全球性入侵害虫提供了一种环境友好的新策略。此外，该研究也为其他害虫的绿色防控研究提供了借鉴，推动了昆虫分子生物学与害虫防治领域的交叉融合与发展。
