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山西大学张建珍教授团队：昆虫表皮发育与害虫防治

花匠小妙招
2024-11-05 19:09

昆虫属于无脊椎动物中的节肢动物，种类繁多、形态各异，是地球上种类和数量最多的动物群体，几乎遍布世界每一个角落。我国农业生物灾害频发，生态环境脆弱，毁灭性的农作物病虫害导致农业经济损失与环境破坏。因此，安全有效地防治农作物病虫害是农业可持续发展的重大课题，对保障我国农业生产安全、提高农产品质量和减少环境污染具有重要的意义。长期以来，我国农业害虫防治主要采用化学防治法，化学杀虫剂的大量施用已导致害虫产生抗药性和环境污染问题。对此，科技部、国家发展改革委、财政部和农业农村部等部委联合组织实施“十三五”国家重点研发计划试点专项“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”，双减政策的实施对农业植物保护现代化具有重要的推动作用。

▲ 昆虫体壁结构示意图［修改自刘晓健等（2019）］，右图为左图方框内的放大图。表皮是由表皮细胞分泌，跨膜转运至胞外，并沉积在表皮细胞顶膜表面而形成的，是一种天然的生物复合材料，具有独特的理化性质。其可将虫体与外界环境隔离开，具有防止干燥、机械支撑、定位方向、辅助运动、抵御外界机械损伤及微生物病菌的侵害等功能。表皮还可作为气管、腺管和感觉器官的导管，以及前、后肠内膜，在虫体呼吸、取食、排泄、渗透调节、水分控制等方面发挥作用。昆虫表皮结构具有高度的保守性，在不同昆虫类群中，均由多层组成，由外而内分别为外包膜（envelope）、上表皮（epicuticle）和原表皮（procuticle），每层组分各不相同。在昆虫表皮发育过程中，外包膜、上表皮和原表皮依次分泌，按顺序沉积形成成熟表皮（Locke，2001），孔道和蜡道（wax canal）分别贯穿原表皮和上表皮

昆虫体表具有坚硬的外骨骼以保护柔软的躯体。昆虫的外骨骼，即昆虫体壁，由表皮、表皮细胞和基膜组成，是抵御外界不良环境的第一道防线。昆虫表皮是由表皮细胞分泌产生的细胞外基质，覆盖于虫体表面，提供肌肉附着点，对于维持虫体形状、防止水分散失、抵御微生物侵染和天敌捕食等具有重要作用。昆虫复杂的表皮结构和化学成分使其适应于所处的生态环境。昆虫在生长发育过程中需要周期性蜕皮，而哺乳动物不具有蜕皮这一生物学现象，因此表皮是害虫防治的理想靶标。

▲ 翅表皮蛋白LmACP7 影响飞蝗翅发育的模式图（Zhao et al.，2019a），N5 表示5 龄若虫

解析昆虫表皮发育及其生理机制，可为基于昆虫蜕皮发育特点设计害虫防治分子靶标，从而实现害虫绿色精准防控提供理论和实践依据，在植物保护领域具有重要的科学意义与广泛的应用价值。

▲ 纳米材料介导的dsRNA/siRNA 传递系统示意图［修改自Yan 等（2021）］。纳米材料携带dsRNA 抗虫技术是利用纳米材料通过静电作用和范德瓦耳斯力与dsRNA 结合的原理，一方面保护dsRNA 在环境中的稳定性，另一方面保护dsRNA 不受核酸酶和昆虫体内环境的影响，从而提高RNA 干扰效率，达到抗虫目的。纳米材料携带dsRNA 抗虫技术主要包括纳米材料与dsRNA 结合、昆虫摄取、细胞吸收、内涵体逃逸、核酸释放和RNA 干扰效应等步骤

近年来，基因组学、蛋白质组学和RNA 干扰等分子生物学技术快速发展，推动了昆虫表皮发育机理的研究。然而，目前围绕昆虫表皮发育与害虫防治尚缺乏全面系统论述的专业书籍。（张建珍等编著 . 北京：科学出版社，2024.2）一书是在国家化肥农药减量施用的双减战略需求下进行编撰的，依托国家自然科学基金重点项目、中德国际合作项目、“十三五”国家重点研发计划项目等国家级研究任务，以及团队在昆虫表皮发育领域的研究基础，凝聚了作者团队近20 年的研究积累。该书出版得到了国家科学技术学术著作出版基金资助。

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全书共包含9 章内容：第1 章介绍了昆虫表皮结构与功能，第2 章、第3 章和第4 章分别就昆虫表皮几丁质代谢、昆虫表皮蛋白和昆虫表皮脂类物质进行了总结与论述，第5 章阐述了昆虫表皮体色与鞣化，第6 章综述了昆虫卵内表皮发育，第7 章、第8 章和第9 章分别论述了以表皮代谢为靶标的化学防治策略、真菌防治策略和RNA 干扰生物防治策略。其中，前6 章综述了课题组近20 年的研究成果，并参考国内外该领域的最新研究进展，对昆虫表皮结构及代谢机制进行了系统全面的总结和论述。后3 章主要针对表皮代谢分子靶标设计及潜在的应用前景进行展望，从经典的几丁质酶抑制剂设计到最新的RNA 干扰生物防治策略，系统总结了目前基于表皮的害虫防治方法和最新进展。

包含了张建珍教授团队多年来的研究成果及国内外该领域最新研究进展，围绕昆虫表皮结构与功能、表皮几丁质代谢、表皮蛋白、表皮脂类物质、表皮体色与鞣化、昆虫卵内表皮发育等进行综述，并就基于表皮代谢系统的害虫防治方法和最新进展等进行系统论述，对基于RNA干扰的分子靶标设计及潜在应用前景进行回顾和展望。该书内容丰富，系统性强，结构完整，为我国农业资源利用和植物保护等相关领域的科研工作者、学生及农业技术推广人员提供了一本专业性强、学术水平高的参考书，对于践行“绿水青山就是金山银山”的生态文明建设理念、助力乡村振兴战略具有重要意义。

杨青研究员

中国农业科学院农业基因组研究所

2023 年11 月

本文摘编自《昆虫表皮发育与害虫防治》（张建珍等编著 . 北京：科学出版社，2024.2）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-077575-7

责任编辑：陈新郝晨扬

（本文编辑：刘四旦）