热激蛋白与昆虫的耐热性关系研究进展

韩 政，赵龙龙，陈 光，马瑞燕

（山西农业大学农学院，山西太谷030801）

昆虫是变温动物，保持和调节体温的能力不强，且环境温度直接决定着昆虫体温的高低变化，进而决定着其生命过程的特点、趋向和水平。因此，环境温度是影响昆虫生命活动的重要因素之一。在适宜的温度范围内，昆虫生命活动处于积极状态，体内能量消耗小，死亡率低，生殖力强；而当环境温度超过一定的限度时，昆虫的生命活动即会受到严重影响，甚至引起发育异常乃至死亡。对于不同种类的昆虫来说，其耐热性的高低也不相同，有些昆虫能够耐受较高的温度胁迫，在高于其正常生长温度较多的条件下仍能正常存活，而有些昆虫则对温度变化非常敏感，微小的温度波动就可能对其机体产生严重损伤。因此，昆虫的热胁迫耐受能力是决定其种群能否在特定生态环境下得以生存及延续的一个重要条件。目前，在全球气候变暖的大背景下，极端高温天气出现的频率显著增加，由此导致的物种多样性丧失的问题越来越引起人们的注意，因此，昆虫对高温胁迫的耐受性及其机理已经成为近年来昆虫学研究领域中深受重视的问题。

已有的研究结果表明，昆虫的热胁迫耐受能力除了与其遗传基础有关之外，不同的昆虫还会采用不同的生理及生化策略来抵御高温胁迫。如有些昆虫能在不同温度条件下改变细胞膜脂饱和度，有些则通过合成渗透性胁迫保护物质（如多元醇和海藻糖等）来提高对高温的抵抗能力，而有些昆虫则能诱导表达热激蛋白或者补偿性表达某些关键酶的同工酶或异型酶等等。其中，热激蛋白的诱导表达是目前研究最多的，也是被认为与昆虫耐热性关系最密切的因素之一。热激蛋白（Heat Shock Proteins，HSPs）又称热休克蛋白或应激蛋白，是细胞或生物体在受到高温等逆境刺激后新合成的或合成量增加的一类蛋白质，它广泛参与各种生理代谢途径，在生物体的抗逆反应中起着十分重要的作用。目前，关于昆虫热激蛋白的诱导表达与其耐热能力的关系，国内外学者已进行了大量深入的研究，本文就目前这一领域已取得的一些研究成果作一简要综述。

1 热激蛋白的诱导表达能够提高昆虫机体的耐热性

生物体对热胁迫最基本的反应就是热激蛋白的表达。遗传学家Ritossa[1]研究发现，短暂的热激处理能诱导黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）唾腺的多线染色体发生膨突，膨突的生成表明该区染色体已被活化，后经Tissieres等[2]证实，在受热激的果蝇组织中产生一类新型的蛋白质，并称其为热激蛋白。Adams等[3]研究表明，一切生物细胞（包括原核细胞和真核细胞）受高温诱导时均能合成热激蛋白。

热激蛋白的表达能够提高生物体的耐热性，这是人们发现生物体内存在热激蛋白基因后最早认识到的。若给生物以非致死性热刺激，可以增强生物对第2次热刺激的抵抗力，例如非洲蝗虫（Locusta migratoria）在50℃热激处理2 h后全部死亡，但在39～45℃之间短暂预处理之后，由于热激蛋白的诱导表达使其能在更高温度下存活[4]；太阳照射下的果蝇幼虫和蛹体内大量表达热激蛋白后，可以抵抗40℃高温[5]；拟麻蝇（Sarcophaga crassipalpis）非滞育蛹在43℃条件下处理2 h，大量合成小分子HSP23，使蛹的耐热能力明显提高，且随着蛹进入滞育期，合成HSP23的mRNA表达增加，因此滞育蛹对环境温度变化有很大耐力[6]；精子发育对高温极为敏感，但果蝇的初生精母细胞在导入HSP70后对高温迟钝[7]。通过对热激蛋白基因缺失突变体的研究证明，至少某些热激蛋白对有机体在高温下的存活和耐热性的获得是必需的[8]。例如，把多拷贝的hsp70基因或hsp70反义基因转移到果蝇体内的分子试验证明，HSP70在果蝇耐热性的获得上具有重要作用[9-10]。这些研究结果均表明，热激蛋白的诱导表达能够提高昆虫机体对高温胁迫的耐受性。

2 热激蛋白的表达能够使昆虫快速获得耐热性

热激蛋白基因的存在还与细胞获得耐热性的速度有关。Solomon等[9]研究发现，当在培养的果蝇细胞中导入hsp70基因，其耐热性的获得比没有导入hsp70基因的细胞要快，当在果蝇细胞中导入抑制热激蛋白表达的基因时，其耐热性的获得要比没有导入hsp70基因的细胞慢。携带12种hsp70原始基因的黑腹果蝇比无hsp70基因的野生型获得耐热性的速度要快得多[11]。人为加入hsp70拷贝基因的黑腹果蝇的培养细胞获得耐热性的速度比无hsp70拷贝基因的普通细胞快，而携带hsp70原始基因的培养细胞获得耐热性的速度更快[9]。

3 热激蛋白的表达量与昆虫耐热能力正相关

热激蛋白在生物体对热胁迫的适应中，最引人注意的作用就是生物体在受到胁迫刺激后，对胁迫抗性的提高与热激蛋白的表达上升普遍呈正相关关系。Dahlgaard等[7]研究发现，高温处理果蝇成虫后，检查不同时段HSP70的表达水平发现，果蝇的耐热性与HSP70的表达量呈正相关。黄立华等[12]以南美斑潜蝇（Liriomyza huidobrensis）和美洲斑潜蝇（Liriomyza sativae）为研究对象，发现温和的温度驯化使得hsp70基因大量表达，2种斑潜蝇的耐热能力也显著提高，耐热性诱导和消退的动力学与HSP70的诱导和降解存在平行关系。崔旭红等[13]研究发现，在温室条件下，B型烟粉虱（Bemisia tabaci B-biotype）体内HSP70的表达水平随着气温的变化而变化，在气温较高的12时与14时，B型烟粉虱成虫体内HSP70的表达量分别比10时的表达量上升52.5和54.2倍；而在傍晚温度下降、诱导压力降低时，HSP70的表达量也随之下降。

4 诱导热激蛋白产生的温度阈值与昆虫的耐热性正相关

诱导热激蛋白产生的温度阈值可以从一定程度上反映昆虫的热胁迫耐受能力，通常耐热性高的昆虫诱导热激蛋白产生的温度阈值比耐热性低的昆虫要高。黄立华等[12]通过对南美斑潜蝇和美洲斑潜蝇的热胁迫适应性研究发现，在高温胁迫条件下，诱导热激蛋白产生的温度阈值与2种斑潜蝇对温度的耐受性呈正相关关系，南美斑潜蝇诱导热激蛋白表达的温度阈值总比美洲斑潜蝇低，并与2种斑潜蝇在自然界中的越冬北界高度一致；沙漠蚁（Cataglyphis fortis）和温带种红木蚁（Camponotus ferrugineus）虽然有类似的HSP70表达模式，但前者在45℃仍能继续合成热激蛋白，而后者在39℃时热激蛋白的合成即受到抑制[14]；在冷激条件下，果蝇亚热带低海拔种诱导热激蛋白表达的温度阈值要比温带种和亚热带高海拔种高，而亚热带低海拔种的耐寒性却最低，说明在果蝇中诱导热激蛋白基因表达的温度阈值和耐寒性呈负相关关系，与耐热性呈正相关关系[15]。Gehring等[16]研究指出，在种群水平上，热激蛋白基因的特点和表达差异与昆虫所适应的温度、气候和纬度变化呈现一定的相关性。

5 热激蛋白氨基酸序列和基因结构变异与昆虫耐热性之间的关系

尽管热激蛋白序列保守，编码序列变异比较低，但近期已有研究表明，热激蛋白基因序列存在变异，而且这类变异与生物体对温度的适应性之间存在着一定的相关性。Evgen’ev等[17]研究发现，hsp70基因的拷贝数与不同纬度果蝇种群的耐热性之间有潜在的联系，适应于低纬度的果蝇（D virilis）有7个hsp70基因拷贝，其热胁迫耐受性要明显高于具有5个拷贝的果蝇（D lummei），后者在分布上处于较高的纬度，提示hsp70基因结构与果蝇的适应纬度有关。Bettencourt等[18]发现，在hsp70基因内部，适应不同纬度的果蝇种群间存在2个显著差异，即1个大的插入/缺失多肽位点（56H8/122）和1个单核苷酸多肽位点差异，对于来自澳大利亚东部不同纬度的11个果蝇地理种群，插入/缺失位点的频率与纬度呈正相关，提示温度变化可能对hsp70基因的这一变异频率产生影响。Anderson等[19]也发现，黑腹果蝇3号染色体右臂上hsr-omega基因的8 bp缺失作为1个遗传标记，与其热胁迫耐受性正相关。这些研究结果均表明，保守的热激蛋白基因结构的变异与昆虫的耐热性之间存在着一定的联系。

自从20世纪60年代热激蛋白被发现至今，已经近半个世纪，热激蛋白的研究已经取得了较快的发展，尤其是以昆虫为研究对象对其热激蛋白的理化性质和功能的探索。但总的来说，这些研究还仅仅停留在搞清楚一两个热激蛋白的作用或通过转移一两个热激基因来验证其生理功能阶段，对其生物学特性、遗传作用机制及其分子演化过程等方面尚缺乏综合、系统的研究。昆虫热激蛋白及其基因一般呈现多家族、多成员等特点，这一方面说明其作用机理的复杂性，另一方面也说明伴随着昆虫物种的形成和进化，这些基因经历了复杂的基因复制和分化。因此，要全面深入地认识昆虫热激蛋白的生物学特性及功能，了解其演化过程，还需要选择性地利用新的分子生物学技术，并结合其他相关方面（如昆虫抗逆性的基因调控或生物信号的感受系统）对其进行突破性研究，彻底弄清热激蛋白在整个生命系统的功能，尤其是其分子演化过程与昆虫物种所经历的环境变迁之间的相关性，从而为昆虫物种多样性保护提供一定理论参考。

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