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主要作者及研究机构、发表期刊与时间

本研究由Shan Zhao、Ruijuan Wang、Yan Liu、Long Su、Xiaoyan Dai、Dongyun Qin、Hao Chen、Zhenjuan Yin、Li Zheng和Yifan Zhai共同完成。研究团队来自多个机构，包括Shandong Academy of Agricultural Sciences、Key Laboratory of Natural Enemies Insects, Ministry of Agriculture and Rural Affairs、China Ministry of Agriculture and Rural Affairs (MARA) - Centre for Agriculture and Bioscience International (CABI) Joint Laboratory for Bio-Safety Shandong Sub-Center以及Guizhou University。该研究于2023年11月10日发表在Frontiers in Physiology期刊上。

学术背景

本研究的科学领域为昆虫生物学，特别是关于果蝇（Drosophila suzukii）的发育与繁殖调控机制。Drosophila suzukii，又称斑翅果蝇，是一种对薄皮水果造成严重危害的农业害虫。由于其特殊的产卵习性，能够刺破成熟水果的果皮并在果肉内产卵，导致果实受损并引发其他病原体感染，因此对其控制至关重要。目前，化学杀虫剂是主要防治手段，但抗药性和环境不持续性限制了其效果。因此，寻找新的控制策略和潜在靶点基因成为研究热点。

Forkhead box O (FoxO)是一种高度保守的转录因子，在多种生物中参与寿命、生长、应激抵抗和代谢等生理过程。在果蝇中，FoxO通过多种信号通路调控发育和繁殖。然而，FoxO在D. suzukii中的具体功能及其分子机制尚未完全阐明。本研究旨在通过CRISPR/Cas9技术敲除D. suzukii中的dsFoxO基因，探究其对果蝇发育和繁殖的影响，并通过转录组分析揭示其分子机制。

研究流程

本研究包括以下几个主要步骤：

1. 昆虫饲养与基因敲除株系的建立
   研究团队从中国山东省的樱桃园中采集了D. suzukii，并在实验室条件下饲养。通过CRISPR/Cas9技术，设计并合成针对dsFoxO基因的sgRNA，并将其与Cas9蛋白共同注射到果蝇胚胎中。经过多代筛选和基因型鉴定，成功获得了dsFoxO基因敲除株系（dsFoxO-KO）。

2. 生命史特征检测
   研究比较了dsFoxO-KO株系与对照组（TA2012株系）在不同发育阶段（卵、幼虫、蛹、成虫）的存活率、发育时长以及繁殖力。具体实验包括：

   • 记录卵孵化、幼虫、蛹和成虫的发育时长。
     
   • 计算各阶段的存活率。
     
   • 观察并记录成虫的产卵前期（APOP）和总产卵前期（TPOP），以及30天内的产卵量。

3. 转录组分析
   为了揭示dsFoxO敲除对基因表达的影响，研究对dsFoxO-KO株系和对照组进行了RNA测序。通过SOAPnuke和Trimmomatic软件去除低质量和接头序列，获得高质量的测序数据。使用RSEM和DESeq2软件进行基因表达量分析和差异表达基因（DEGs）筛选。进一步通过COG、GO和KEGG数据库对DEGs进行功能注释和通路分析。

4. qRT-PCR验证
   为了验证转录组分析结果，研究随机选择了6个基因进行qRT-PCR检测，包括ecdysone 20-monooxygenase isoform (E20-MO)、juvenile hormone acid O-methyltransferase (JHAMT)等。

主要结果

1. 生命史特征的变化

   • dsFoxO-KO株系在幼虫、蛹和成虫阶段的存活率显著低于对照组（分别为54.07%、63.69%和63.63% vs. 91.33%、76.94%和95.27%）。
     
   • dsFoxO-KO株系的卵和幼虫发育时长显著延长（分别为1.53天和6.07天 vs. 1.17天和4.78天），成虫产卵前期和总产卵前期也显著延长（分别为12.08天和24.44天 vs. 3.47天和14.60天）。
     
   • dsFoxO-KO株系的繁殖力显著降低，每只雌虫产卵量为20.31个，远低于对照组的430.47个。

2. 转录组分析结果

   • 共鉴定出612个差异表达基因（DEGs），其中404个上调，208个下调。
     
   • GO分析显示，DEGs主要富集在细胞过程、代谢过程和催化活性等类别。
     
   • KEGG分析表明，DEGs主要涉及代谢、环境信息处理等通路，包括mTOR信号通路、MAPK信号通路、Wnt信号通路、Toll和IMD信号通路、昆虫激素生物合成、自噬和凋亡等。

3. qRT-PCR验证结果
   qRT-PCR结果与RNA测序结果一致，验证了转录组分析的可靠性。

结论与意义

本研究表明，dsFoxO基因敲除显著影响了D. suzukii的发育和繁殖能力。转录组分析揭示了dsFoxO通过调控多种信号通路（如mTOR、MAPK、Wnt等）和昆虫激素生物合成，参与果蝇的生长发育和繁殖调控。这些发现不仅加深了对FoxO在昆虫中功能的理解，还为开发基于基因靶点的D. suzukii控制策略提供了重要理论依据。

研究亮点

1. 创新性方法：首次利用CRISPR/Cas9技术在D. suzukii中敲除dsFoxO基因，并系统评估了其对果蝇发育和繁殖的影响。
   
2. 多维度分析：结合生命史特征检测和转录组分析，全面揭示了dsFoxO的调控机制。
   
3. 应用价值：研究结果为开发新型害虫控制策略提供了潜在靶点，具有重要的农业应用前景。

其他有价值的内容

研究还发现，dsFoxO敲除导致昆虫激素生物合成相关基因（如E20-MO、JHAMT等）表达上调，提示FoxO可能通过调控激素水平影响果蝇的发育和繁殖。这一发现为进一步研究昆虫激素与FoxO的相互作用提供了新方向。

通过本研究，我们对FoxO在D. suzukii中的功能有了更深入的理解，并为未来开发可持续的害虫管理策略奠定了重要基础。