大蜡螟嗅觉相关基因的鉴定及性信息素结合蛋白的配体结合特性研究

来源 :杨爽 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Willy_Liang
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嗅觉对于昆虫的生存繁衍至关重要。在昆虫嗅觉感受过程中,性信息素结合蛋白(Pheromone binding proteins,PBPs)等嗅觉相关蛋白发挥着非常重要的作用。本文以东方蜜蜂主要敌害大蜡螟为研究对象,利用扫描电镜对大蜡螟触角感器进行了系统观察;采用GC-MS测定了大蜡螟性信息素成分;对大蜡螟触角进行了转录组测序,鉴定获得了一系列嗅觉相关蛋白基因,并筛选出差异表达基因(DEGs);采用RT-PCR技术扩增获得大蜡螟的3个性信息素结合蛋白基因PBPs和1个非典型气味受体基因Orco;利用q RT-PCR检测4个基因在大蜡螟不同发育阶段(卵、幼虫、蛹、成虫)和成虫不同组织(触角、头、胸、腹、足、翅膀)中的表达情况;原核表达并纯化了3个PBPs,通过荧光竞争结合试验探究PBPs与气味配体结合特性。主要研究结果如下:(1)雌、雄大蜡螟触角均呈丝状,由柄节、梗节和鞭节3部分组成,其中鞭节由50~60个亚节组成,长5.5~7.5 mm,其长度在雌、雄个体间差异较大;大蜡螟触角上感器共有7种,分别为毛形感器、刺形感器、锥形感器、腔锥形感器、栓锥形感器、耳形感器和叉形感器,其中毛形感器和锥形感器各有2种类型。雌、雄大蜡螟触角感器的类型、分布规律相似。(2)GC-MS检测结果显示:雌、雄大蜡螟外激素挥发物组分差异较大,但都以酮类和醇类为主。对比结果显示辛酮、壬酮和癸酮为大蜡螟雌、雄蛾外激素共有组分,但壬醛、十一烷醇(酮)和6,10,14-三甲基十五烷酮-2为大蜡螟雄蛾特有,推测为雄性大蜡螟性信息素成分。(3)通过对雌、雄大蜡螟触角进行转录组测序,鉴定得到226个嗅觉相关基因,包括52个OBPs基因、36个CSPs基因、80个ORs基因、56个IRs基因和2个SNMPs基因;筛选出114个差异表达基因,包括5个嗅觉相关基因(OBP8、OBP17、CSP3、CSP34和OR15);在114个DEGs中,66个基因在雌性触角中高表达,48个基因在雄性触角中高表达。(4)克隆获得Gmel PBP1、Gmel PBP2和Gmel PBP3的c DNA序列,完整开放阅读框长度分别为492 bp、510 bp、492 bp,各编码163、169、163个氨基酸,预测分子量分别为18.79、19.12和18.35 k D;3个蛋白序列中均含有6个保守半胱氨酸Cys位点,均属于Classical OBP亚家族;生物信息学分析结果显示,3个蛋白N-末端均有一段信号肽序列,均为分泌蛋白;氨基酸序列中都存在一个昆虫气味结合蛋白家族PBP-GOBP superfamily保守结构域。同源比对结果表明,3个蛋白序列间的相似性较低,为49.70%。(5)qRT-PCR结果显示:Gmel PBP1、Gmel PBP2和Gmel PBP3在大蜡螟触角中的表达极显著高于其它组织,在足中少量表达,在胸、腹、翅膀中几乎不表达;3个基因在大蜡螟不同发育阶段的表达量总体上随日龄增加呈上升趋势,在成虫羽化第1天达到最高;Gmel PBP2和Gmel PBP3在雌蛾触角中的表达高于雄蛾,推测它们可能参与雄性大蜡螟性信息素识别过程。(6)成功构建了pET/Gmel PBP1、p ET/Gmel PBP2和p ET/Gmel PBP3表达载体,在大肠杆菌中进行IPTG诱导表达。原核表达产物经SDS-PAGE电泳,得到的融合蛋白条带大小与预测分子量一致。重组蛋白经镍离子亲和层析等步骤纯化后,得到目的蛋白各5m L,浓度分别为1.1 mg/m L、1.0 mg/m L和1.4 mg/m L,纯度>85%;荧光竞争结合实验结果显示,Gmel PBP3与罗勒烯、正辛醇等多种植物挥发物具有结合性(Ki<50),而Gmel PBP1和Gmel PBP2与18种气味物质几乎都没有结合力(Ki>50),推测Gmel PBPs的作用方式可能存在多种模式。(7)克隆出大蜡螟非典型气味受体基因,命名为Gmel Orco(Gen Bank登录号:KT020861),该基因开放阅读框全长1425 bp,编码474个氨基酸,预测分子量和等电点分别为53.36 k D和8.44,序列中有7个α螺旋跨膜区,是一个典型的G蛋白偶联受体,N-端在细胞膜内,C-端在细胞膜外。同源比对结果显示,Gmel Orco与螟蛾科昆虫氨基酸序列相似性相对较高,为90%~92%;与膜翅目蜜蜂遗传距离相对较远,序列相似性低于65%。q RT-PCR结果显示:Gmel Orco在大蜡螟触角中的表达极显著高于其它组织;在头、腹和足中的表达差异不显著,但显著高于胸和翅膀中的表达;在胸和翅膀中的表达差异不显著;Gmel Orco在大蜡螟幼虫期、蛹期和刚羽化成虫期的表达量呈递增趋势,羽化后表达量下降;刚羽化雌蛾Gmel Orco表达量高于雄蛾;Gmel Orco在卵中也有表达,表达量与3日龄成虫相当。本研究基于转录组测序对大蜡螟嗅觉相关基因进行了鉴定和性信息素结合蛋白表达特性及配体结合特性研究,研究结果不仅可以从本质上揭示大蜡螟的嗅觉行为反应,为研制出两性均有良好效果的引诱剂和趋避剂提供理论依据,还可以拓宽大蜡螟综合防治的思路。
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