Grainyhead基因在调控昆虫翅膀发育过程中所发挥的进化保守功能

摘要

昆虫附肢的发育受到高度保守的遗传程序的调控，尽管不同类群的发育策略存在显著差异。在这项研究中，我们发现转录因子Grainyhead（Grh）是昆虫翅膀发育的关键调控因子。在蚕（Bombyx mori）中，通过CRISPR/Cas9技术敲除BmGrh并未影响幼虫的存活能力，但导致成虫出现严重的翅膀缺陷，如翅膀皱缩且无法展开。同样，在果蝇（Drosophila melanogaster）的翅膀发育过程中，特异性敲低DmGrh会导致蛹期死亡、羽化率出现性别差异，以及成虫翅膀皱缩且翅膀毛状结构紊乱。比较转录组学分析显示，在这两种物种中，DmGrh的功能丧失主要会下调与角质层结构和细胞外基质组织相关的基因。在果蝇中，染色质免疫沉淀实验进一步证实DmGrh直接结合到这些下调基因的调控区域。通过功能筛选，我们发现角质层蛋白基因cpr65Ea是关键的下游效应因子，其敲低可重现DmGrh RNA干扰个体所观察到的翅膀形态和羽化缺陷。此外，将研究扩展到一种农业害虫——白背飞虱（Sogatella furcifera>），发现RNAi介导的沉默会抑制翅膀的伸展能力并完全丧失飞行能力。我们的研究结果证实了Grh作为昆虫翅膀发育的进化保守调控因子的作用，并强调了其作为害虫管理新遗传靶点的潜力，通过破坏害虫的飞行能力和扩散能力来控制害虫。

图形摘要

Grainyhead（Grh）是一种对昆虫翅膀发育至关重要的进化保守转录因子。在蚕、果蝇和飞虱中，Grh功能的丧失会导致成虫翅膀严重缺陷（翅膀皱缩、无法展开）和飞行能力受损。从机制上看，Grh直接调控角质层蛋白基因（如cpr65Ea）和细胞外基质的组织结构，表明这一调控途径具有高度保守性，因此可作为害虫控制的潜在靶点。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究的数据集可应合理要求向通讯作者索取。