昆虫外骨骼兼具骨骼和皮肤的双重功能，是其赖以生存的重要法宝，因此外骨骼形成机制一直是昆虫学领域的研究前沿。飞蝗是一种世界性、暴食性的害虫，其生理习性使得飞蝗对其上颚的构造及耐磨性要求很高。因此，阐明飞蝗上颚构造及耐磨性的分子机制，不仅能为害虫防治提供新靶标，而且也能为仿生材料设计提供思路。

近日，生物工程学院刘田教授团队与中国农业科学院杨青教授团队合作，在飞蝗上颚构造及耐磨性的分子机制研究上取得重要进展，研究成果分别以“构建飞蝗上颚机械梯度的核心结构蛋白”（A core structural protein that builds the locust mandible with a mechanical gradient）及“飞蝗上颚的主要结构蛋白能够通过层级自组装形成异常坚硬的材料”（Major structural protein in locust mandible capable of forming extraordinarily stiff materials via hierarchical self-assembly）为题，发表在国际知名权威期刊《ACS Nano》（Nature Index期刊，IF=17.1）和《Matter》（《Cell》姊妹刊，IF=18.9）上。

图1.关键结构蛋白决定飞蝗上颚构造及耐磨性的分子机制示意图

通过分析飞蝗上颚的转录组和蛋白质组数据，发现了两种高丰度的结构蛋白—LmMHSP和LmCPH-1。一方面，通过RNA干扰，证明了LmMHSP和LmCPH-1对于飞蝗上颚机械性能具有关键性作用。另一方面，通过重组蛋白表达及性质表征，证明了LmMHSP是上颚几丁质骨架结构组装的核心元件，具有包括几丁质结合、基质形成、化学交联和金属配位等多种功能，这种多功能整合及协同作用使LmMHSP在决定飞蝗上颚的机械梯度方面发挥了重要作用；证明了另一个蛋白LmCPH-1可以通过自下而上的层级自组装，形成具有超高模量（12 GPa）的薄膜，其性能优于大多数已知的天然蛋白材料。因此，LmCPH-1是通过形成坚硬的“混凝土”来填充上颚的几丁质骨架，从而强化飞蝗上颚的机械性能。由于LmMHSP和LmCPH-1的同源蛋白广泛存在于其它昆虫中，因此上述发现可能是昆虫构建坚硬外骨骼的保守机制。

我校为这两篇研究论文的第一单位。发表在《ACS Nano》的论文是由我校博士生祁惠棠和博士生丁艺为共同第一作者，发表在《Matter》的论文是由我校博士生祁惠棠和硕士生滕英达为共同第一作者，两篇文章的通讯作者均为我校刘田教授和中国农业科学院杨青教授。

近年来，刘田教授在国家高层次人才特殊支持计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持下，在农业昆虫学及新农药靶标发现领域取得了一系列研究成果。目前团队主要研究方向是从昆虫外骨骼形成的关键蛋白入手，发现有害生物控制新靶标、研发绿色植保产品、寻找生物材料设计新思路及开发生物资源利用新酶。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.3c08715

https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(24)00020-1