《Journal of Insect Physiology》：A cuticular protein mediates thermal and desiccation tolerance through dual regulation of barrier function and water homeostasis
编辑推荐：
环境温度与湿度波动影响昆虫存活与适应，其机制研究对害虫防控具有重要意义。本文利用CRISPR/Cas9技术构建小菜蛾PxPCP基因敲除突变体，发现突变体在高温条件下发育性能和繁殖能力显著下降，同时耐高温及干旱胁迫能力减弱，表现为表皮渗透性增加和水含量异常。转录组分析表明，PxPCP缺失诱导表皮相关基因补偿性上调，但无法完全恢复屏障功能，并发现水合平衡相关基因（如感湿受体、离子运输基因等）表达失调，揭示PxPCP通过结构屏障形成和主动水合调节双重机制参与环境适应。该研究为害虫气候适应性机制及靶向防控策略提供新依据。
苏海英|胡桂蕾|陈炳伟|侯青|苗欣|沈梦迪|肖航|李天普|刘圆圆|尤世军|雷高科
福建省农业科学院植物保护研究所，农业与林业生物安全国家重点实验室，福建农林大学应用生态研究所，中国福州350002
摘要 环境温度和湿度的变化影响昆虫的存活和适应性，这对当前的害虫管理和未来的气候情景都具有重要意义。角质层作为抵御环境压力的主要物理屏障，对昆虫的适应能力起着关键作用。在本研究中，我们利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，探讨了蛹期角质层蛋白基因PxPCP在钻石背蛾（Plutella xylostella）环境适应中的作用。PxPCP基因敲除显著降低了昆虫在高温条件下的发育表现和繁殖能力，同时减弱了其对极端温度和干燥胁迫的耐受性。突变体表现出更高的角质层通透性，并且在干燥条件下体水分含量增加，这表明PxPCP不仅通过形成被动物理屏障来调节水分平衡，还参与主动的水分稳态调控。转录分析显示，PxPCP基因缺失会触发与角质层相关的基因（包括几丁质合成酶和角质层脂质代谢酶）的补偿性上调；然而，这些转录补偿未能完全恢复角质层的屏障功能。此外，PxPCP基因缺失还扰乱了与水分稳态相关的基因表达，包括水分感受器基因和利尿激素信号传导成分的调控，以及离子转运和渗透保护物质的生物合成基因，为观察到的系统性水分平衡功能障碍提供了分子证据。总体而言，我们的研究结果表明PxPCP通过调节角质层形成和水分稳态在昆虫的环境适应中起着关键作用，为理解该害虫在气候变化下的持续爆发提供了分子基础。这些发现为昆虫的气候适应机制提供了新的见解，并为开发基于气候信息的害虫管理策略提供了有前景的分子靶点。
引言 昆虫必须应对日常和季节性周期中发生的显著温度和湿度变化，许多农业地区的夏季条件经常使害虫种群同时面临高温和干旱的胁迫（Bubliy等，2013；Sinclair等，2013）。预计在未来的气候情景下，极端高温和干旱事件的频率将增加（Gu等，2025；IPCC，2023）。昆虫凭借其卓越的环境适应性几乎占据了所有陆地栖息地，但它们对温度和干燥胁迫的响应机制仍不完全清楚（Couper等，2025；García-Robledo等，2016；Halsch等，2021）。阐明这些机制对于预测生态响应和制定有效的害虫管理策略至关重要。
昆虫的角质层是生物体与其环境之间的主要界面，在抵抗环境胁迫中起着关键作用（Edney，2012；Gibbs和Rajpurohit，2010）。角质层由几丁质纤维、角质层蛋白和表面脂质组成，这种多层结构提供了机械强度、防水性和化学保护（Baio等，2019；Sviben等，2020）。昆虫通过调节角质层的厚度、密度、脂质含量和化学组成来提高其对高温和干旱的耐受性，这些适应策略已在蚂蚁、果蝇等物种中得到验证（Sprenger等，2018；Wang等，2022）。
角质层蛋白约占昆虫蛋白质编码基因的1-2%，对角质层的发育、维持和功能调节至关重要（Pan等，2018；Thakur等，2025；Willis，2010）。这些结构多样的蛋白质在发育阶段、组织和环境条件下表现出复杂的时空表达模式（Pan等，2018；Zhao等，2017）。新兴证据表明角质层蛋白与环境适应有关。Bactrocera dorsalis的CPAP3基因在高温和干旱胁迫下表达上调（Chen等，2018）；Cnaphalocrocis medinalis适应高温的品系中，CmTweedle1和CmCPG1基因的功能丧失会降低幼虫的耐热性（Guo等，2022）；41°C的热休克会诱导这些品系中多种角质层相关基因的差异表达（Quan等，2020）。除了作为物理屏障外，角质层还调节水分平衡。这种双重功能依赖于角质层蛋白的结构重塑和代谢调节（Sviben等，2020；Zhao等，2020）。尽管之前的研究已经记录了角质层的防御功能，但特定角质层蛋白如何协调角质层重塑和主动维持水分平衡的机制仍不清楚。因此，系统地研究这些基因的功能对于全面理解昆虫的气候适应至关重要。
钻石背蛾（Plutella xylostella）是一种对十字花科作物具有全球性危害的害虫，每年造成的经济损失达40-50亿美元（Furlong等，2013）。其卓越的环境适应能力和快速的进化能力使其成为研究昆虫气候适应的理想模型（You等，2020；You等，2013）。气候模型预测这种害虫将在2050年后继续威胁全球农业（Chen等，2021）。然而，关于PxPCP在Plutella xylostella中的角质层调节和环境适应的研究仍然有限。迄今为止，只有一个与角质层化相关的基因PxHacd2被鉴定出来；它通过调节长链脂肪酸的合成来影响角质层通透性和温度适应（Lei等，2023）。尽管已经注释了196个角质层蛋白（Chen和Hou，2021），但这些基因的功能及其在环境适应中的作用仍大部分未被探索。
我们之前的研究表明，PxPCP这种蛹期角质层蛋白基因在Plutella xylostella经过高温适应后表现出差异性表达（CRA014495，
https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa ）（You等，2024）。生物信息学分析显示PxPCP属于几丁质结合蛋白超家族，具有预测的角质层形成功能。鉴于其在高温适应期间的表达变化，我们假设PxPCP参与了Plutella xylostella的环境适应。然而，PxPCP的生物学功能、其在调节角质层通透性中的作用及其对环境适应的贡献仍需系统研究。
在这里，我们使用CRISPR/Cas9基因编辑技术生成了PxPCP基因敲除突变体，并通过年龄阶段、两性生命表分析、极端温度耐受性测试（临界热最大值和热应激存活）以及水分平衡评估（角质层通透性、湿度胁迫存活和水分含量测量）全面表征了基因功能。我们的结果表明，PxPCP基因敲除显著降低了昆虫对高温和干燥胁迫的耐受性，同时增加了角质层通透性。基因表达分析显示，PxPCP基因缺失会触发与角质层相关的基因（包括几丁质合成酶和脂质代谢酶）的补偿性上调，但这些反应未能完全恢复角质层的屏障功能。此外，PxPCP基因缺失还扰乱了与水分稳态相关的基因表达，包括水分感受器、离子和渗透调节以及排泄信号传导基因，揭示了其在结构屏障形成和主动水分平衡维持中的双重调节作用。本研究阐明了害虫气候适应的分子机制，并为气候变化下的精准害虫控制提供了潜在的分子靶点和理论基础。
实验部分 昆虫饲养与维护 Plutella xylostella的野生型（WT）品系最初于2012年从中国科学院动物研究所获得，并在标准化的条件下在实验室气候室中维持：26±0.5°C、60±5%相对湿度（RH）和12L:12D的光周期。幼虫在90毫米的无菌Petri培养皿中人工饲养。羽化后，成虫被转移到一次性纸杯（10.4厘米×7.3厘米×8.5厘米）中用于交配和产卵，同时加入10%的蜂蜜
PxPCP序列分析和蛋白质结构预测 NCBI数据库分析显示，PxPCP基因包含一个外显子，开放阅读框长度为783 bp，编码260个氨基酸，属于几丁质结合蛋白-4超家族。ExPASy分析预测PxPCP蛋白的分子量为26.21 kDa，理论等电点为5.88，GRAVY值为-1.089，表明其具有亲水性。SignalP-6.0预测N端信号肽的切割位点位于Ala16和Ala17之间。讨论 全球气候变化加剧了极端高温和干旱事件的频率和严重程度，对昆虫种群动态和地理分布构成了前所未有的威胁（Gu等，2025；IPCC，2023）。以Plutella xylostella为模型系统，本研究利用CRISPR/Cas9基因编辑技术研究了蛹期角质层蛋白基因PxPCP在环境适应中的功能作用。我们的发现表明，PxPCP不仅参与了角质层的构建
CRediT作者贡献声明 苏海英： 撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，资源提供，方法学设计，实验研究。胡桂蕾： 软件使用，概念构思。陈炳伟： 实验研究。侯青： 概念构思。苗欣： 软件使用，资源提供。沈梦迪： 实验研究。肖航： 方法学设计。李天普： 方法学设计。刘圆圆： 撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。尤世军： 撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。雷高科： 撰写 – 审稿与编辑，撰写 –
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢 我们感谢中国科学院北京动物研究所提供了Plutella xylostella的初始品系。
