柑橘大实蝇和柑橘木虱嗅觉相关蛋白基因克隆及功能分析

来源 :湖南农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:baiyomkg02
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柑橘大实蝇(Bactrocera minax)和柑橘木虱(Asian citrus psyllid,ACP)均是危害柑橘产业健康发展的重要害虫,其中柑橘大实蝇的宿主具有专一性,仅在柑橘属果实产卵,导致果实腐烂和提前落果,严重影响柑橘果实品质和产量;而柑橘木虱是传播柑橘黄龙病(huanglongbing,HLB)的重要昆虫媒介,宿主为柑橘属及近源属植物,且主要在幼嫩的叶片上产卵,因此,研究柑橘大实蝇和木虱对宿主识别的特异性机理,有利于探索开发高效的防控措施。昆虫对宿主的识别主要依赖于嗅觉系统和视觉系统,其中昆虫嗅觉是影响其取食和产卵的重要因素,气味结合蛋白(odorant binding protein,OBP)和化学感受蛋白(chemosensory protein,CSP)是昆虫嗅觉系统识别外界气味物质的外周蛋白,是激活昆虫嗅觉反应的第一步。柑橘大实蝇和柑橘木虱取食、产卵行为受柑橘寄主挥发性物质的影响,筛选和鉴定柑橘大实蝇和柑橘木虱识别柑橘挥发性物质的功能蛋白及其作用机理具有重要意义。因此,本文通过分析比较柑橘大实蝇与柑橘小实蝇(B.dorsalis),瓜实蝇(Zeugodacus cucurbitae)和南瓜实蝇(Z.tau)的GOBP99a蛋白,重点研究了Bmin OBP9蛋白结合柑橘气味的特异性及其分子机理;同时,克隆了亚洲柑橘木虱OBP和CSP基因并比较分析了其序列特征,鉴定了柑橘木虱Dcit CSP12蛋白识别柑橘气味的分子机制。本文旨在探明OBP和CSP蛋白在柑橘大实蝇和柑橘木虱识别柑橘气味的分子机理,为开发高效气味引诱剂或驱避剂达到调控柑橘大实蝇和柑橘木虱行为提供理论指导。主要研究结果如下:1.柑橘大实蝇气味结合蛋白Bmin OBP9在识别柑橘气味中具有特异性,且S24、L36、E53、N68、D112和S118等6个氨基酸是影响其特异性的位点。通过同源比对克隆了柑橘大实蝇Bmin OBP9基因,并上传到NCBI数据库(登录号:KY463449.1);相对表达量分析结果显示,Bmin OBP9主要在与产卵部位(成虫腹部和产卵器)表达。系统发育树结果显示,Bmin OBP9属于实蝇科的GOBP99a家族,与柑橘小实蝇的Bdor GOBP99a、瓜实蝇的Zcuc OBP99a、南瓜实蝇的Ztau GOBP99a同源性最高,其中已有报道沉默Bdor GOBP99a能降低柑橘小实蝇的产卵率。荧光竞争结合试验结果表明,Bmin OBP9、Bdor GOBP99a、Zcuc OBP99a和Ztau GOBP99a都能结合测试的11种柑橘气味(正己醛、Z-2-己烯醛、芳樟醇、α-松油醇、4-松油醇、萜品油烯、罗勒烯、月桂烯、β-石竹烯、γ-萜品烯和柠檬烯),但结合能力排序为:Bmin OBP9>Bdor GOBP99a>Zcuc OBP99a=Ztau GOBP99a,与这4种实蝇对柑橘产卵偏好性存在一致性;氨基酸序列比对结果显示,Bmin OBP9具有9个特异氨基酸位点(S24、H29、L36、E53、N68、E94、P99、D112和S118),这些位点的定点突变导致Bmin OBP9与柑橘气味的结合能力下降,其中以S24、L36、E53、N68、D112和S118这6个位点的突变影响最显著。综上结果表明,S24、L36、E53、N68、D112和S118这6个特异氨基酸位点导致了Bmin OBP9对柑橘气味的强结合能力,从而导致柑橘大实蝇在柑橘属果实专一性产卵。2.Dcit OBP3、Dcit OBP6和Dcit CSP12是柑橘木虱识别柑橘气味的功能气味结合蛋白和化学感受蛋白,而Dcit CSP12对柑橘气味有最强结合能力。参考柑橘木虱嗅觉系统转录组和NCBI数据库,克隆了柑橘木虱OBP家族9个基因(Dcit OBP1~9),CSP家族12个基因(Dcit CSP1~12)克隆到8个(Dcit CSP2~4、Dcit CSP7、Dcit CSP8、Dcit CSP10~12)。同源比对分析结果显示,柑橘木虱OBP序列具有5个保守的半胱氨酸(Cys,C),序列特征为C1-X22-52-C2-X3-C3-X46-66-C4-X8-9-C5(X为两个半胱氨酸之间非半胱氨基酸,下标数字为相邻半胱氨酸间非半胱氨酸数量);CSP序列具有4个保守的半胱氨酸残基,还具有1个保守的精氨酸残基(Arg,R),1个保守的赖氨酸残基(Lys,K)和1个保守的脯氨酸残基(Pro,P),其序列特征为R-X7-C1-X6-7-C2-X7-8-K-X3-P-X6-C3-X2-C4。克隆的9个Dcit OBP基因和8个Dcit CSP基因,通过原核表达纯化到8个Dcit OBPs蛋白(Dcit OBP1~3、Dcit OBP5~9)和6个Dcit CSPs蛋白(Dcit CSP2、Dcit CSP3、Dcit CSP7、Dcit CSP8、Dcit CSP10和Dcit CSP12)。荧光竞争结合试验筛选后,3个蛋白(Dcit OBP3、Dcit OBP6和Dcit CSP12)可以结合柑橘的11种气味(正己醛、Z-2-己烯醛、芳樟醇、α-松油醇、4-松油醇、萜品油烯、罗勒烯、月桂烯、β-石竹烯、γ-萜品烯和柠檬烯);通过解离常数比较,这3个蛋白与柑橘气味有最强的结合能力为:Dcit CSP12>Dcit OBP6>Dcit OBP3;相比柑橘的11种气味,β-石竹烯与Dcit CSP12有最强的结合能力。上述结果表明,柑橘木虱主要通过Dcit OBP3、Dcit OBP6和Dcit CSP12识别柑橘气味,这识别过程在寄主(柑橘)选择中发挥重要作用。3.L51、K67、L98和V54等位点是柑橘木虱Dcit CSP12识别柑橘气味的重要氨基酸位点。通过在线服务器phyre2.0和I-TASSER预测了Dcit CSP12的三维结构和使用Chem3D软件对11种柑橘气味进行能量最小化处理。Dcit CSP12三维结构和能量最小化柑橘气味经Molecular Visual Docking(MVD)软件分子对接后,显示Dcit CSP12对11种柑橘气味有8个共同的氨基酸作用位点(I51、V54、C55、K63、F66、K67、Y94和L98),与β-石竹烯有2个较特异氨基酸作用位点(L51和T70)。这10个位点经系统点突变和组合突变,共得到31个突变体蛋白,且经探针1-NPN检测后,结果显示氨基酸位点L51、K67和L98的突变负向调控Dcit CSP12与气味的结合能力,而V54的突变正向调控Dcit CSP12与气味的结合能力。上述结果表明,柑橘木虱Dcit CSP12蛋白主要通过L51、K67、L98和V54等氨基酸位点去结合柑橘气味,这为柑橘木虱嗅觉识别气味的分子机制提供理论指导。
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