《Journal of Stored Products Research》：Functional analysis of chitinase genes in
Lasioderma serricorne reveals their roles in molting and larval-pupal metamorphosis
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香烟甲虫九个Cht基因克隆及功能分析显示，LsCht5、7、10通过RNAi沉默导致蜕皮缺陷和幼虫高死亡率，揭示其调控甲虫发育中甲壳素代谢的关键作用。
刘德倩|张佳瑜|徐康康|李灿|万芳浩|盖伊·斯马格|杨文佳
贵州省农业生物安全重点实验室，贵州省外来入侵物种监测与管理重点实验室，贵阳大学生物与环境工程学院，贵阳，550005，中国
摘要
烟草甲虫Lasioderma serricorne是一种主要的储藏害虫，会侵害多种商品，造成显著的经济损失。几丁质酶（Chts）是负责降解昆虫外骨骼中几丁质的酶，是基于RNA干扰（RNAi）的害虫控制的有希望的分子靶点。在这项研究中，从L. serricorne中克隆并表征了九个Cht/Cht-like基因：LsCht1、LsCht3、LsCht5、LsCht6、LsCht7、LsCht8、LsCht10、LsCht11和LsIDGF。每个基因编码的蛋白质都包含一个保守的糖苷水解酶家族18（GH18）催化结构域，其中五个基因还具有几丁质结合结构域（CBDs）。系统发育分析将这些基因分为10个已知的昆虫Cht组，显示出进化的保守性和谱系特异性多样性。发育表达谱分析显示，除了LsCht8主要在幼虫阶段表达外，所有LsCht基因都表现出阶段特异性表达模式，这突显了它们在蜕皮和变态过程中的作用。组织特异性分析表明，这些基因主要在脑、肠道、表皮和马氏管中表达，暗示了它们具有多样的生理功能。通过RNAi介导的沉默LsCht5、LsCht7和LsCht10会导致严重的蜕皮缺陷，包括表皮皱缩、黑色素沉着和幼虫高死亡率。组织学（H&E）染色显示，这些基因的抑制会破坏表皮分离和新表皮的形成。此外，敲低LsCht5、LsCht7和LsCht10显著降低了总几丁质酶活性，并下调了多个参与几丁质合成和降解的基因。总体而言，这些结果表明LsCht5、LsCht7和LsCht10是L. serricorne几丁质代谢和幼虫-蛹变态的关键调节因子。本研究首次全面表征了这种害虫中的Cht基因家族，并确定了开发精确基于RNAi的生物控制策略的关键分子靶点。
引言
几丁质是一种富含氮的多糖，是仅次于纤维素的第二大天然聚合物，由N-乙酰-D-葡糖胺单元通过β-1,4-糖苷键连接而成（Merzendorfer和Zimoch，2003；Moussian等人，2005）。在昆虫中，几丁质是表皮、气管和周质基质的结构成分，提供机械保护并维持身体形状。然而，这种坚硬的屏障也限制了生长和形态的可塑性。为了适应发育，昆虫会经历周期性的蜕皮（ecdysis），在此过程中旧表皮被消化并被新表皮取代（Yang等人，2021；Zhao等人，2018）。这些过程由内分泌信号（如蜕皮甾醇）调控，并涉及在特定发育阶段的几丁质的严格调控的合成和降解。
几丁质的降解主要由两种酶系统介导：几丁质酶（Chts）和β-N-乙酰葡糖胺酶。Chts将聚合的几丁质水解为可溶性寡糖，这些寡糖进一步被β-N-乙酰葡糖胺酶降解为N-乙酰-D-葡糖胺单体（Chen等人，2018）。几丁质合成和降解之间的平衡对于成功的蜕皮、表皮重塑和胚胎后发育至关重要。因此，Chts在变态过程中的几丁质周转和组织分化中起着关键的生理作用（Zhu等人，2008；Liu等人，2019）。
昆虫拥有多个属于糖苷水解酶家族18（GH18）的Cht基因，该家族通过Pfam结构域PF00704进行鉴定。这个家族的成员包括具有催化活性的Chts和非酶性的几丁质酶样蛋白，如想象盘生长因子（IDGFs）。自从首次从Manduca sexta中完全克隆出Cht cDNA（Kramer等人，1993）以来，昆虫基因组学的进展极大地扩展了我们对几丁质酶多样性的理解。比较基因组学和转录组学分析揭示了来自鞘翅目（Coleoptera）、半翅目（Hemiptera）、双翅目（Diptera）、鳞翅目（Lepidoptera）和直翅目（Orthoptera）昆虫中的众多Cht和Cht同源基因（Rabadiya和Behr，2024）。
系统发育和结构研究表明，根据结构域组织和序列相似性，昆虫Chts被分为11个主要组（I-X，加上一个鳞翅目特异组H）（Tetreau等人，2015）。功能分析表明各组具有特定的生理作用。I组几丁质酶（Cht5）包含一个催化结构域和一个几丁质结合结构域（CBD），参与Myzus persicae和Tribolium castaneum的蜕皮过程中的表皮降解（Zhang等人，2025；Kim等人，2024）。II组几丁质酶（Cht10）通常包含多个催化和CBD结构域，在Ostrinia furnacalis和Leptinotarsa decemlineata的变态过程中对表皮周转至关重要（Qu等人，2021；Chen等人，2024）。III组几丁质酶（Cht7）参与T. castaneum蛹期到成虫期的翅膀扩展和腹部收缩（Noh等人，2018）。IV组几丁质酶（Cht8）包含催化和CBD结构域，在Helicoverpa armigera的中肠中主要表达，表明它们在几丁质消化中起作用（Hu等人，2022）。V组成员（IDGFs）没有催化活性，但具有支持生长的作用，例如在Sarcophaga peregrina中促进成虫出现（Feng等人，2023）。其他Chts，包括Cht11-1、Cht11-2、Cht3、Cht1和Cht2，与几种物种的表皮形成和蜕皮有关（Pesch等人，2016；Zhang等人，2025；Liu等人，2024；Chen等人，2024）。
烟草甲虫Lasioderma serricorne（Fabricius）是一种全球性的储藏产品害虫，会损害烟草、茶叶、药用植物和谷物（Li等人，2009）。它的生理可塑性使其能够在多种环境条件下生存。雌虫在隐蔽的基质中产卵，幼虫在材料内部取食，这使得早期检测和控制变得困难。虽然人们对其害虫地位给予了大量关注，但其生长和发育的生理机制仍知之甚少。了解L. serricorne中的几丁质代谢为探索鞘翅目昆虫在分子水平上如何协调表皮重塑和蜕皮提供了有价值的框架。尽管传统上使用磷化氢等化学熏蒸剂来控制L. serricorne，但抗性已经普遍存在（Edde，2019；Kim等人，2020；Liu等人，2023）。除了害虫控制之外，这种抗性还突显了阐明有助于生存和发育强健性的内在生理适应的重要性。在分子水平上，研究几丁质酶基因的功能为理解蜕皮调节、表皮周转和发育时间的关键生理过程提供了直接途径。
RNAi提供了一种强大的功能基因组学工具，通过沉默特定靶点来体内探索基因功能。在昆虫生理学的背景下，RNAi使我们能够剖析协调几丁质代谢、内分泌信号和组织重塑的基因网络。由于脊椎动物和植物中不存在几丁质，Cht基因为研究昆虫如何维持几丁质稳态和执行发育转变提供了理想的分子入口点。在这项研究中，从L. serricorne中鉴定并表征了九个Cht基因。分析了它们在发育阶段和组织中的空间和时间表达模式，以确定其在表皮形成、降解和蜕皮中的潜在作用。使用RNAi进行了功能分析，以评估基因沉默对蜕皮和变态进程的影响。这项研究解决了节肢动物发育中的基本生理问题：（1）L. serricorne的蜕皮周期中Cht基因是如何时间调控的？（2）哪些Cht基因表现出特定的时空表达模式？（3）Cht基因表达的破坏如何影响蜕皮和变态的生理过程？我们认为，通过将基因表达模式与发育生理联系起来，这项研究加深了我们对L. serricorne中几丁质代谢的分子和酶促调控的理解。这些发现有助于更广泛地了解昆虫蜕皮生理学，并提供了关于几丁质酶基因家族在节肢动物中如何多样化和特化的分子见解。
部分摘录
昆虫
2014年，从中国贵州省贵阳市的一个烟草仓库收集了L. serricorne成虫标本。该种群在实验室中维持在28°C、40%相对湿度和完全黑暗的环境中。昆虫以干燥的Angelica sinensis根作为食物来源进行饲养（Yang等人，2019）。
生物信息学分析
从L. serricorne的转录组中鉴定出九个LsCht cDNA（Cht1、Cht3、Cht5、Cht6、Cht7、Cht8、Cht10和IDGF）（登录号SRR13065789）。基因特异性引物被
L. serricorne中九个几丁质酶基因的序列分析
在L. serricorne中鉴定出九个与几丁质相关的基因，包括八个LsCht基因和一个LsIDGF（图S1）。所有LsCht蛋白都包含保守的GH18催化结构域，其中LsCht7、LsCht8和LsCht10分别含有两个、三个和五个GH18结构域。四个基因（LsCht1、LsCht8、LsCht11和LsIDGF）缺乏CBD，而LsCht3和LsCht10分别含有三个和五个CBD。氨基酸序列长度从407到2754个残基不等，表明
讨论
Chts是昆虫生长和变态的关键酶，介导蜕皮过程中的几丁质周转和表皮重塑。了解它们的结构和功能为昆虫生理学提供了基本见解，并为基于RNAi的害虫控制提供了分子靶点。在这项研究中，我们鉴定了烟草甲虫L. serricorne中的九个几丁质酶和几丁质酶样（Cht/IDGF）基因，并通过RNAi表征了它们的结构、表达模式和功能作用。我们的发现
结论
这项系统地表征了L. serricorne中的九个几丁质酶和几丁质酶样基因，揭示了它们保守的结构特征、多样的表达模式以及在蜕皮和变态中的关键功能作用。三个基因，即LsCht5、LsCht7和LsCht10，被证明对L. serricorne的幼虫-蛹转变至关重要。它们的沉默导致致命的蜕皮失败和几丁质代谢紊乱，提供了它们功能的直接证据
CRediT作者贡献声明
刘德倩：撰写——原始草稿，软件，方法学。张佳瑜：方法学，研究。徐康康：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金获取。李灿：可视化，资源。万芳浩：监督。盖伊·斯马格：撰写——审稿与编辑。杨文佳：撰写——审稿与编辑，数据管理。资助
本研究得到了国家自然科学基金（32460663）、贵州省高层次创新人才计划（GCC-2023-008）、贵州省基础研究计划（QKHJC-ZK-2023-020）、贵阳大学博士研究启动基金（GYU-KY-2025）和贵州省教育厅自然科学研究计划（QJJ-2023-024）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
