LmSPARC 对蝗虫（Locusta migratoria）的产卵过程至关重要，因为它能够维持输卵管肌肉的结构和力学性能

《Insect Biochemistry and Molecular Biology》：LmSPARC is essential for oviposition by maintaining oviduct muscle structure and mechanical property in Locusta migratoria

　　

刘卫民|王旭欣|张巴巴尔·侯赛因|张建珍|赵晓明

中国山西省大学应用生物学研究所，核酸生物农药重点实验室

摘要

昆虫的繁殖成功依赖于与产卵相关的肌肉的协调功能。然而，这些肌肉的分子调控因子，特别是细胞外基质（ECM）成分，目前仍知之甚少。在本研究中，我们通过对Locusta migratoria的关键产卵肌肉进行转录组分析，鉴定出一种编码ECM糖蛋白SPARC的基因。组织特异性表达分析显示，LmSPARC在成年雌性的这些产卵相关肌肉中高度表达。在五龄若虫中通过RNA干扰（RNAi）敲低LmSPARC后，成虫完全无法产卵，表现为成熟的卵细胞滞留和腹部明显膨胀。尽管腹部伸展和产卵器挖掘行为未受影响，但侧输卵管的最大断裂力显著降低。组织学分析进一步揭示了输卵管环形肌肉层的显著变薄和紊乱。综上所述，我们的发现表明LmSPARC对于维持输卵管肌肉的结构完整性和拉伸性能至关重要，从而确保卵的正常排出。这项研究揭示了SPARC在昆虫繁殖中的新肌肉相关作用，并为基于RNAi的蝗虫控制策略提供了潜在靶点。

引言

产卵是昆虫生命周期中的关键生理过程，也是种群动态的核心决定因素，对农业生态系统和害虫爆发有直接影响（Cury等人，2019年；Nataraj等人，2024年）。在某些昆虫中，如蝗虫，产卵是一种复杂的行为，需要多个肌肉群的协调作用。具体来说，产卵器肌肉控制挖掘动作（Belanger和Orchard 1993年；Kraft等人，2025年），腹部节间肌肉调节伸展和弯曲以定位和调整产卵器（Jorgensen和Rice 1983年；Rose等人，2001年），而输卵管肌肉调节节律性收缩以运输和排出卵（Sedra等人，2015年；Rosiński等人，2011年；Gao等人，2023年）。因此，维持这些肌肉的结构完整性和功能稳定性对于昆虫的成功繁殖至关重要。肌肉的形态和收缩功能受多种因素调节，包括肌肉纤维的组织、能量代谢以及细胞内和细胞外信号传导。其中，细胞外基质（ECM）在肌肉组织中起着重要的结构和机械调节作用。ECM不仅为肌肉纤维提供必要的结构支持（Gillies和Lieber，2011年），还介导细胞粘附（Singhal和Martin，2011年）。通过这些功能，ECM有助于维持肌肉的完整性和收缩性能。迄今为止，大多数关于动物肌肉调节的机制研究都集中在收缩结构蛋白上，包括肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白和原肌球蛋白受体。编码这些蛋白的基因发生突变或敲低会破坏肌肉纤维和肌原纤维的组织，导致小鼠（Nguyen等人，2011年；Muthuchamy，1998年；Liu等人，2007年）和斑马鱼（Danio rerio）（Ferrante等人，2011年）的心脏异常。在昆虫中，Drosophila melanogaster中肌球蛋白相关基因的突变会破坏肌节结构并降低肌肉性能（Wang等人，2012年），而敲除原肌球蛋白受体（TpnC41）会损害跳跃肌肉的结构和功能（Chechenova等人，2017年）。在生殖生理学中，Nilaparvata lugens中敲除TnCI会破坏肌肉功能，导致雌性成虫交配和产卵失败（Peng等人，2025年）。尽管取得了这些进展，但ECM糖蛋白在调节昆虫产卵相关肌肉收缩活性中的功能作用仍不明确。

分泌蛋白酸性且富含半胱氨酸（SPARC）是一种进化上保守的非结构性ECM糖蛋白，在脊椎动物和无脊椎动物的骨骼、肌肉和结缔组织中广泛分布（Martinek等人，2002年；Ghanemi等人，2019年）。在脊椎动物中，SPARC介导肌肉细胞与ECM的相互作用，调节细胞粘附、增殖和分化（Wong和Sukkar 2017年）。它还有助于骨骼肌的ECM组装和稳态，从而维持机械性能和再生能力（Barker等人，2005年；Melouane等人，2018年）。在小鼠中敲低SPARC会直接导致肌肉纤维萎缩和代谢功能障碍（Nakamura等人，2013年；Aoi等人，2019年）。在无脊椎动物中，Caenorhabditis elegans中SPARC对肌肉发育和功能维持至关重要（Schwarzbauer和Spencer 1993年）。在Drosophila melanogaster中，SPARC缺乏会破坏基底膜结构和胚胎发育（Hartley等人，2016年；Volk等人，2014年），并通过ECM调节影响心脏功能（Martinek等人，2008年；Vaughan等人，2018年）。在昆虫中，SPARC也被认为参与生殖调节。例如，SPARC缺乏会通过ECM调节影响卵巢发育（Isabella和Horne-Badovinac 2015年），在Blattella germanica中沉默SPARC会导致卵巢有丝分裂活动和细胞骨架组织异常，最终阻止产卵（Irles等人，2017年），而在Locusta migratoria和Nilaparvata lugens中，SPARC调节卵巢发育和脂质代谢，从而影响繁殖（Wang等人，2025年；Wang等人，2022年）。尽管有来自脊椎动物和C. elegans的证据表明SPARC参与肌肉调节，但其在中昆虫产卵相关肌肉中的潜在作用尚未得到充分研究，现有研究主要集中在卵巢发育和卵发生上。

Locusta migratoria是一种全球性的毁灭性农业害虫，其卓越的繁殖能力是种群爆发的关键因素（Chapuis等人，2008年；Chang等人，2025年）。在雌性蝗虫中，产卵涉及四个协调阶段，这些阶段依赖于特定的肌肉群：（i）产卵器瓣膜肌肉驱动周期性的挖掘动作（Thompson 1986年）；（ii）节间肌肉调节腹部伸展（Jorgensen和Rice 1983年）；（iii）输卵管肌肉进行节律性收缩以排出卵，腹部伸展有助于在产卵过程中维持腹部伸长（Rose等人，2000年）；（iv）节间肌肉随后进行超收缩以收回腹部。在本研究中，我们通过对节间肌肉、输卵管肌肉和产卵器瓣膜肌肉进行比较转录组分析，鉴定出一种蝗虫SPARC基因（LmSPARC）。通过结合RNA干扰（RNAi）、产卵表型分析、形态学分析和生物力学实验，我们研究了LmSPARC在调节输卵管肌肉结构、机械性能和产卵中的作用。我们的发现推进了对昆虫产卵相关肌肉的分子理解，并为基于RNAi的蝗虫控制策略提供了新的潜在靶点。

部分摘录

蝗虫饲养

L. migratoria的卵来自中国河北省沧州市的一个蝗虫繁殖基地。卵在恒温恒湿的饲养室中孵化并饲养（温度：（30±2）°C，相对湿度：20%±5%，光照周期：14小时光照/10小时黑暗）。每天给昆虫提供新鲜的小麦幼苗；从四龄若虫阶段开始添加小麦麸皮。

产卵相关肌肉中差异表达基因的鉴定

雌性蝗虫的产卵依赖于多个腹部肌肉群的协调作用，包括节间肌肉（ISMMUS）、输卵管肌肉（OVIDMUS）和产卵器瓣膜肌肉（OVIPMUS），每种肌肉调节不同的产卵行为过程（图1A）。为了探索这些肌肉功能特化的分子基础，我们对上述肌肉进行了转录组分析。总共获得了78.39 Gb的清洁数据。

讨论

产卵相关肌肉的正常发育和功能维持对蝗虫的成功繁殖至关重要。在本研究中，利用参与产卵的关键腹部肌肉的转录组数据，我们鉴定出一种细胞外基质（ECM）糖蛋白基因LmSPARC，该基因在产卵后2天的雌性蝗虫输卵管肌肉中高度表达。通过RNAi敲低LmSPARC后，卵产量显著减少，这与结构变化有关

CRediT作者贡献声明

赵晓明：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、正式分析、概念构思。张巴巴尔·侯赛因：撰写——审阅与编辑、正式分析。张建珍：撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。刘卫民：撰写——初稿、可视化、方法学、调查、正式分析、数据管理。王旭欣：撰写——初稿、项目管理、调查、正式分析，

Muthuchamy等人，1998年；Zhang等人，2021年。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：32470507）、国家重点研发计划（2022YFD1700200）和山西省研究生教育创新计划（2024TD05）的支持。