蜕皮激素(20-羟基蜕皮酮,20E)在控制昆虫的蜕皮变态和生殖过程中起着十分关键的作用,它可能参与了昆虫卵黄原蛋白Vg(Vitellogenin)合成与转运、生殖细胞分化、卵泡细胞发育、卵子发生与卵巢形态变化等生理过程。蜕皮激素的形成与活化是由胆固醇前体在一系列羟基化过程的作用下完成的,该过程主要由Halloween基因编码的活性酶参与,但也具有一定的物种特异。因此,解析Halloween基因的分子结构特征与功能对于阐明害虫生长发育与生殖的激素调控机制,防治害虫种群增长与危害具有重要的生物学意义。小菜蛾Plutella xylostella(L.)是世界性的对十字花科蔬菜具有毁灭性危害的重要害虫,但目前仍然缺乏安全高效防治小菜蛾的方法,而强大的生殖能力是其危害的主要原因之一。本论文以激素调控生殖进而决定昆虫生殖潜力为核心,采用生物信息学、分子生物学、解剖学与种群生物学等技术,从蜕皮激素关键合成酶基因方面,重点研究了 1)小菜蛾Halloween基因的数量、分子结构特征与系统进化关系,2)Halloween基因在小菜蛾不同发育历期与不同组织的表达模式,3)Halloween基因在小菜蛾20E合成、生长发育以及生殖过程中作用。主要结果如下:小菜蛾有 6 个 Halloween 基因,disembodied(dib;CYP302A1),shadow(sad;CYP315A1),shade(shd;CYP314a1),spook(spo;CYP307A1),non-molting glossy/shroud(sro),plus neverland(nvd),其开放阅读框(ORF)分别为 1431、1231、1552、1620、918、1128 bp,预计编码 476、305、470、539、305、375个氨基酸。spo、dib、sad和shd属于P450超家族,而nvd和sro分别具有Rieske superfamily 和 SDR(short-chain dehydrogenase reductase)superfamily 结构域。氨基酸序列同源比对分析结果显示,小菜蛾Halloween基因与家蚕Bombyx mori、斜纹夜蛾Spodopteralitura、烟草天蛾Manducasexta、甘蓝夜蛾Mamestra brassicae等鳞翅目昆虫的相似度均在55%以上。系统进化分析表明,小菜蛾Halloween基因与其他昆虫物种的同源基因可以分别很好的聚在一起,具有高度的保守性,尤其与鳞翅目昆虫(图2-3)。表达模式分析结果表明,Halloween基因在小菜蛾的不同组织和不同龄期都有表达。其中dib、sad、shd在成虫阶段高表达,nvd和spo分别在卵期和蛹期高表达,sro在每一个发育阶段表达量都无显著差异(图3-4)。组织表达模式显示,除了shd外,其他基因均在前胸高表达,因为前胸腺是蜕皮激素合成的主要场所。Shd在脂肪体和中肠高表达,因为蜕皮酮由前胸腺合成后释放至血淋巴,随后在周缘组织中(如脂肪体、中肠、马氏管、表皮等)由shd催化形成具有活性的20E蜕皮酮。利用RNAi技术干扰4龄幼虫的sad基因,12与24 h时,sad基因表达量与20E含量均显著下降,同时小菜蛾4龄幼虫的发育历期显著延长,且化蛹率显著降低;利用RNAi技术干扰蛹期的sad基因,6与12 h时,sad基因表达量显著下降,但24 h即恢复回来;20E含量仅在12 h时显著下降,说明20E的合成速率较基因表达相比具有滞后性。Vg与及其受体VgR(Vitellogeninreceptor)基因的表达量分别在12和24h时显著下降,暗示卵黄原蛋白的合成受到抑制。初羽化成虫卵巢管显著缩短,卵子发生受到抑制。羽化后3天内的总产卵量显著下降,但逐日产卵量结果显示,仅在羽化后第1天的产卵量具有显著差异。本研究表明Halloween基因在小菜蛾蜕皮激素的生物合成过程以及生长发育与生殖调控过程中具有十分重要的作用。可为阐明小菜蛾生殖的激素调控机理奠定理论基础,在实践上有助于筛选控制小菜蛾的潜在靶标,为有效防治和持续控制小菜蛾种群暴发与危害提供创新思路和途径。