熱激蛋白與昆蟲的耐熱性關(guān)系研究進展

韓 政，趙龍龍，陳 光，馬瑞燕

（山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷030801）

昆蟲是變溫動物，保持和調(diào)節(jié)體溫的能力不強，且環(huán)境溫度直接決定著昆蟲體溫的高低變化，進而決定著其生命過程的特點、趨向和水平。因此，環(huán)境溫度是影響昆蟲生命活動的重要因素之一。在適宜的溫度范圍內(nèi)，昆蟲生命活動處于積極狀態(tài)，體內(nèi)能量消耗小，死亡率低，生殖力強；而當環(huán)境溫度超過一定的限度時，昆蟲的生命活動即會受到嚴重影響，甚至引起發(fā)育異常乃至死亡。對于不同種類的昆蟲來說，其耐熱性的高低也不相同，有些昆蟲能夠耐受較高的溫度脅迫，在高于其正常生長溫度較多的條件下仍能正常存活，而有些昆蟲則對溫度變化非常敏感，微小的溫度波動就可能對其機體產(chǎn)生嚴重損傷。因此，昆蟲的熱脅迫耐受能力是決定其種群能否在特定生態(tài)環(huán)境下得以生存及延續(xù)的一個重要條件。目前，在全球氣候變暖的大背景下，極端高溫天氣出現(xiàn)的頻率顯著增加，由此導致的物種多樣性喪失的問題越來越引起人們的注意，因此，昆蟲對高溫脅迫的耐受性及其機理已經(jīng)成為近年來昆蟲學研究領域中深受重視的問題。

已有的研究結(jié)果表明，昆蟲的熱脅迫耐受能力除了與其遺傳基礎有關(guān)之外，不同的昆蟲還會采用不同的生理及生化策略來抵御高溫脅迫。如有些昆蟲能在不同溫度條件下改變細胞膜脂飽和度，有些則通過合成滲透性脅迫保護物質(zhì)（如多元醇和海藻糖等）來提高對高溫的抵抗能力，而有些昆蟲則能誘導表達熱激蛋白或者補償性表達某些關(guān)鍵酶的同工酶或異型酶等等。其中，熱激蛋白的誘導表達是目前研究最多的，也是被認為與昆蟲耐熱性關(guān)系最密切的因素之一。熱激蛋白（Heat Shock Proteins，HSPs）又稱熱休克蛋白或應激蛋白，是細胞或生物體在受到高溫等逆境刺激后新合成的或合成量增加的一類蛋白質(zhì)，它廣泛參與各種生理代謝途徑，在生物體的抗逆反應中起著十分重要的作用。目前，關(guān)于昆蟲熱激蛋白的誘導表達與其耐熱能力的關(guān)系，國內(nèi)外學者已進行了大量深入的研究，本文就目前這一領域已取得的一些研究成果作一簡要綜述。

1 熱激蛋白的誘導表達能夠提高昆蟲機體的耐熱性

生物體對熱脅迫最基本的反應就是熱激蛋白的表達。遺傳學家Ritossa[1]研究發(fā)現(xiàn)，短暫的熱激處理能誘導黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）唾腺的多線染色體發(fā)生膨突，膨突的生成表明該區(qū)染色體已被活化，后經(jīng)Tissieres等[2]證實，在受熱激的果蠅組織中產(chǎn)生一類新型的蛋白質(zhì)，并稱其為熱激蛋白。Adams等[3]研究表明，一切生物細胞（包括原核細胞和真核細胞）受高溫誘導時均能合成熱激蛋白。

熱激蛋白的表達能夠提高生物體的耐熱性，這是人們發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)存在熱激蛋白基因后最早認識到的。若給生物以非致死性熱刺激，可以增強生物對第2次熱刺激的抵抗力，例如非洲蝗蟲（Locusta migratoria）在50℃熱激處理2 h后全部死亡，但在39～45℃之間短暫預處理之后，由于熱激蛋白的誘導表達使其能在更高溫度下存活[4]；太陽照射下的果蠅幼蟲和蛹體內(nèi)大量表達熱激蛋白后，可以抵抗40℃高溫[5]；擬麻蠅（Sarcophaga crassipalpis）非滯育蛹在43℃條件下處理2 h，大量合成小分子HSP23，使蛹的耐熱能力明顯提高，且隨著蛹進入滯育期，合成HSP23的mRNA表達增加，因此滯育蛹對環(huán)境溫度變化有很大耐力[6]；精子發(fā)育對高溫極為敏感，但果蠅的初生精母細胞在導入HSP70后對高溫遲鈍[7]。通過對熱激蛋白基因缺失突變體的研究證明，至少某些熱激蛋白對有機體在高溫下的存活和耐熱性的獲得是必需的[8]。例如，把多拷貝的hsp70基因或hsp70反義基因轉(zhuǎn)移到果蠅體內(nèi)的分子試驗證明，HSP70在果蠅耐熱性的獲得上具有重要作用[9-10]。這些研究結(jié)果均表明，熱激蛋白的誘導表達能夠提高昆蟲機體對高溫脅迫的耐受性。

2 熱激蛋白的表達能夠使昆蟲快速獲得耐熱性

熱激蛋白基因的存在還與細胞獲得耐熱性的速度有關(guān)。Solomon等[9]研究發(fā)現(xiàn)，當在培養(yǎng)的果蠅細胞中導入hsp70基因，其耐熱性的獲得比沒有導入hsp70基因的細胞要快，當在果蠅細胞中導入抑制熱激蛋白表達的基因時，其耐熱性的獲得要比沒有導入hsp70基因的細胞慢。攜帶12種hsp70原始基因的黑腹果蠅比無hsp70基因的野生型獲得耐熱性的速度要快得多[11]。人為加入hsp70拷貝基因的黑腹果蠅的培養(yǎng)細胞獲得耐熱性的速度比無hsp70拷貝基因的普通細胞快，而攜帶hsp70原始基因的培養(yǎng)細胞獲得耐熱性的速度更快[9]。

3 熱激蛋白的表達量與昆蟲耐熱能力正相關(guān)

熱激蛋白在生物體對熱脅迫的適應中，最引人注意的作用就是生物體在受到脅迫刺激后，對脅迫抗性的提高與熱激蛋白的表達上升普遍呈正相關(guān)關(guān)系。Dahlgaard等[7]研究發(fā)現(xiàn)，高溫處理果蠅成蟲后，檢查不同時段HSP70的表達水平發(fā)現(xiàn)，果蠅的耐熱性與HSP70的表達量呈正相關(guān)。黃立華等[12]以南美斑潛蠅（Liriomyza huidobrensis）和美洲斑潛蠅（Liriomyza sativae）為研究對象，發(fā)現(xiàn)溫和的溫度馴化使得hsp70基因大量表達，2種斑潛蠅的耐熱能力也顯著提高，耐熱性誘導和消退的動力學與HSP70的誘導和降解存在平行關(guān)系。崔旭紅等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在溫室條件下，B型煙粉虱（Bemisia tabaci B-biotype）體內(nèi)HSP70的表達水平隨著氣溫的變化而變化，在氣溫較高的12時與14時，B型煙粉虱成蟲體內(nèi)HSP70的表達量分別比10時的表達量上升52.5和54.2倍；而在傍晚溫度下降、誘導壓力降低時，HSP70的表達量也隨之下降。

4 誘導熱激蛋白產(chǎn)生的溫度閾值與昆蟲的耐熱性正相關(guān)

誘導熱激蛋白產(chǎn)生的溫度閾值可以從一定程度上反映昆蟲的熱脅迫耐受能力，通常耐熱性高的昆蟲誘導熱激蛋白產(chǎn)生的溫度閾值比耐熱性低的昆蟲要高。黃立華等[12]通過對南美斑潛蠅和美洲斑潛蠅的熱脅迫適應性研究發(fā)現(xiàn)，在高溫脅迫條件下，誘導熱激蛋白產(chǎn)生的溫度閾值與2種斑潛蠅對溫度的耐受性呈正相關(guān)關(guān)系，南美斑潛蠅誘導熱激蛋白表達的溫度閾值總比美洲斑潛蠅低，并與2種斑潛蠅在自然界中的越冬北界高度一致；沙漠蟻（Cataglyphis fortis）和溫帶種紅木蟻（Camponotus ferrugineus）雖然有類似的HSP70表達模式，但前者在45℃仍能繼續(xù)合成熱激蛋白，而后者在39℃時熱激蛋白的合成即受到抑制[14]；在冷激條件下，果蠅亞熱帶低海拔種誘導熱激蛋白表達的溫度閾值要比溫帶種和亞熱帶高海拔種高，而亞熱帶低海拔種的耐寒性卻最低，說明在果蠅中誘導熱激蛋白基因表達的溫度閾值和耐寒性呈負相關(guān)關(guān)系，與耐熱性呈正相關(guān)關(guān)系[15]。Gehring等[16]研究指出，在種群水平上，熱激蛋白基因的特點和表達差異與昆蟲所適應的溫度、氣候和緯度變化呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。

5 熱激蛋白氨基酸序列和基因結(jié)構(gòu)變異與昆蟲耐熱性之間的關(guān)系

盡管熱激蛋白序列保守，編碼序列變異比較低，但近期已有研究表明，熱激蛋白基因序列存在變異，而且這類變異與生物體對溫度的適應性之間存在著一定的相關(guān)性。Evgen’ev等[17]研究發(fā)現(xiàn)，hsp70基因的拷貝數(shù)與不同緯度果蠅種群的耐熱性之間有潛在的聯(lián)系，適應于低緯度的果蠅（D virilis）有7個hsp70基因拷貝，其熱脅迫耐受性要明顯高于具有5個拷貝的果蠅（D lummei），后者在分布上處于較高的緯度，提示hsp70基因結(jié)構(gòu)與果蠅的適應緯度有關(guān)。Bettencourt等[18]發(fā)現(xiàn)，在hsp70基因內(nèi)部，適應不同緯度的果蠅種群間存在2個顯著差異，即1個大的插入/缺失多肽位點（56H8/122）和1個單核苷酸多肽位點差異，對于來自澳大利亞東部不同緯度的11個果蠅地理種群，插入/缺失位點的頻率與緯度呈正相關(guān)，提示溫度變化可能對hsp70基因的這一變異頻率產(chǎn)生影響。Anderson等[19]也發(fā)現(xiàn)，黑腹果蠅3號染色體右臂上hsr-omega基因的8 bp缺失作為1個遺傳標記，與其熱脅迫耐受性正相關(guān)。這些研究結(jié)果均表明，保守的熱激蛋白基因結(jié)構(gòu)的變異與昆蟲的耐熱性之間存在著一定的聯(lián)系。

自從20世紀60年代熱激蛋白被發(fā)現(xiàn)至今，已經(jīng)近半個世紀，熱激蛋白的研究已經(jīng)取得了較快的發(fā)展，尤其是以昆蟲為研究對象對其熱激蛋白的理化性質(zhì)和功能的探索。但總的來說，這些研究還僅僅停留在搞清楚一兩個熱激蛋白的作用或通過轉(zhuǎn)移一兩個熱激基因來驗證其生理功能階段，對其生物學特性、遺傳作用機制及其分子演化過程等方面尚缺乏綜合、系統(tǒng)的研究。昆蟲熱激蛋白及其基因一般呈現(xiàn)多家族、多成員等特點，這一方面說明其作用機理的復雜性，另一方面也說明伴隨著昆蟲物種的形成和進化，這些基因經(jīng)歷了復雜的基因復制和分化。因此，要全面深入地認識昆蟲熱激蛋白的生物學特性及功能，了解其演化過程，還需要選擇性地利用新的分子生物學技術(shù)，并結(jié)合其他相關(guān)方面（如昆蟲抗逆性的基因調(diào)控或生物信號的感受系統(tǒng)）對其進行突破性研究，徹底弄清熱激蛋白在整個生命系統(tǒng)的功能，尤其是其分子演化過程與昆蟲物種所經(jīng)歷的環(huán)境變遷之間的相關(guān)性，從而為昆蟲物種多樣性保護提供一定理論參考。

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