昆虫是陆地上生物多样性最为丰富的类群，害虫爆发危害是导致农作物产量损失和品质下降的重要因素。变态发育与大量繁殖是昆虫的重要生物学特征，也是其种群扩张的驱动力，但昆虫变态与高生殖力的调控机制仍有许多未解之谜。近日，我校生命科学学院和棉花生物育种与综合利用全国重点实验室周树堂团队在国际顶尖综合性跨学科期刊Advanced Science在线发表了题为“Stage‑Specific H3K14 and H3K23 Succinylation Orchestrates Insect Metamorphosis and Oogenesis”的研究论文（https://doi.org/10.1002/advs.75624）。该研究以蝗虫、棉铃虫、美洲大蠊、果蝇等为材料，揭示了组蛋白琥珀酰化在幼虫变态与成虫生殖中的阶段特异性主导地位。研究不仅发现组蛋白H3的K14和K23位点琥珀酰化阶段性分别调控从幼虫到蛹到成虫的变态与成虫期生殖，还揭示了诱导H3K14和H3K23琥珀酰化修饰的差异化信号传导途径，以及H3K14和H3K23的各自靶基因。
运用单样本基因集富集、质谱联用仪和毛细管电泳免疫印迹分析发现，琥珀酰化是脂肪体（昆虫代谢与卵黄原蛋白合成的核心器官，类似于哺乳动物的肝脏和脂肪组织）中最丰富的酰化修饰。通过琥珀酰化蛋白质组学和LC‑MS/MS分析，鉴定到H3的4个赖氨酸琥珀酰化位点，其中H3K14琥珀酰化在幼虫中高表达，负责调控幼虫变态发育；而H3K23琥珀酰化则在成虫期高表达，主导大量产卵繁殖。在幼虫期，保幼激素通过GPCR-PLC-LTCC‑PKCα通路，激活CBP/P300的琥珀酰转移酶作用，催化suc-H3K14，抑制早熟变态；在成虫期，保幼激素则通过GPCR-PLC-TTCC‑PKCε通路激活发挥琥珀酰转移酶作用的KAT2A/GCN5，催化suc-H3K23，促进卵黄原蛋白高表达和许多卵的同步成熟。
利用CRISPR/Cas9技术，研究团队构建了H3K14A和H3K23A突变体。H3K14A突变导致胚胎致死，H3K23A突变则导致雌虫产卵量大幅下降。Cut&Tag‑seq和RNA‑seq整合分析显示，suc-H3K14特异性靶向调控幼虫变态的基因， suc-H3K23则特异性靶向成虫生殖的基因。ChIP‑qPCR和qRT‑PCR验证了保幼激素对靶基因的直接调控作用。选择蝗虫、棉铃虫、美洲大蠊、果蝇等不同目昆虫进行功能验证，发现P300介导的suc-H3K14和GCN5介导的suc-H3K23在抑制幼虫早熟变态和促进成虫繁殖中的功能高度保守。研究结果揭示了跨越300余百万年昆虫进化史的变态与生殖的通用表观遗传调控机制，为害虫防控提供了新的分子靶标和理论依据。
该研究河南大学为第一完成单位，生命科学学院和棉花生物育种与综合利用全国重点实验室荆玉谱教授为第一作者，博士生李伦杰和杨力彬为共同第一作者，周树堂教授为通讯作者，得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划和河南省自然科学基金优秀青年基金的资助。
近年来，周树堂团队围绕昆虫种群暴发、生物互作与植物生物安全，揭示了农作物害虫大量繁殖、环境适应和暴发危害的重要机制，开发了害虫绿色防控的新技术新方法，在全省建立了多个绿色防控示范区，实现了增产增效和绿色高质量发展。主持承担国家自然科学基金重点项目、联合基金重点项目、国家重点研发计划课题等20余项，在Nature Communications、PNAS、Advanced Science、Plant Communications等国际著名期刊发表系列研究成果。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.75624
