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RNAi是指由内源性或外源性双链RNA(double-stranded RNA,dsRNA)介导的细胞内mRNA发生特异性降解,导致靶基因的表达沉默,产生相应的功能表型缺失。
灰飞虱Laodelphax striatellus(Fallen)和褐飞虱Nilaparvata lugens(stal)同属于半翅目(Hemiptera)蝉亚目(Cicadomorpha)蜡蝉总科(Fulgoroidea)中的飞虱科(Delphacidae),都是全球性粮食作物的重要害虫,不仅能刺吸为害而且还能传播病毒。对稻飞虱的防治主要以化学农药防治为主,不但造成了严重的环境污染,破坏生态平衡,使农药残留增大,对人和其它动物健康构成威胁。因此,需要更清洁安全的防治技术替代传统技术。近几年,越来越多的学者将RNAi技术应用于稻飞虱,试图开发新的防治途径。
dsRNA的传导是引发RNAi的关键一环,本研究基于国内外对dsRNA传导的研究,以两种稻飞虱的sid和chc同源基因为研究对象,在活体昆虫中验证两种基因与dsRNA传导的关系,以便寻找切实可行的提高RNAi效应的途径,为在昆虫研究领域更好的应用RNAi技术提供依据。
现将主要研究结果总结如下:
1、灰飞虱sid-1-like基因和网格蛋白重链基因全长克隆
本研究首先利用灰飞虱转录组数据筛选网格蛋白重链(Clathrin heavy chain,Chc)和sid-1-like的基因,获得相关基因片段后进行克隆验证,并设计特异性引物,采用RACE技术进行基因全长克隆,利用序列分析软件对全长序列进行分析。结果显示,克隆chc基因得到的序列长度为5,347bp,ORF编码961个氨基酸,编码的蛋白分子量为110.1078kD,PI为5.36,且具有clathrin7-fold repeat特征区域,聚类分析显示与不同生物Chc基因同源,与其它昆虫Chc聚为一大类,相似度达92%以上。克隆sid-1-like基因获得的序列全长为2,515bp bp,ORF编码648个氨基酸,所编码的蛋白分子量为52.0588kD,PI为8.98,通过氨基酸拓扑结构分析可知克隆的基因与线虫和棉蚜sid-1同源基因的拓扑结构具有极高的相似性,并都具有11个跨膜区域等sid-1-like基因的特征,聚类分析显示与不同生物sid-1-like基因同源,相似度在22%至81%之间,其中与近缘种褐飞虱的sid-1-like基因相似性最高,达到81%。由此认为所克隆的序列全长分别是灰飞虱的Chc同源基因和sid-1-like基因,被分别命名为Lschc和Lssid。该研究为设计dsRNA,利用RNAi深入研究其功能,以及在灰飞虱RNAi中的作用,奠定了基础。
2、沉默灰飞虱sid-1-like基因和灰飞虱网格蛋白重链基因对灰飞虱RNAi的影响
本研究以灰飞虱几丁质合成酶基因(Lschi)为报告基因,通过两次RNAi手段,测定干扰灰飞虱chc和sid-1-like基因是否影响dschi对灰飞虱网格蛋白重链基因的干扰作用。结果表明,单独喂食dssid及dschc对灰飞虱的死亡率(5.25%和3.98%)和chi基因的相对表达水平(1.33和1.19)没有显著影响,与喂食dsEGFP的对照处理(5.07%;1.0)没有显著差异。表明单独干扰sid和chc不会影响灰飞虱chi基因的表达,也不会影响试虫的死亡率变化。但单独喂食dschi可以显著抑制灰飞虱chi基因的表达,其表达水平仅有对照的40%,同时导致试虫死亡率显著升高(22.78%),是dsGFP处理的4.6倍。将dschi与dssid或/和dschc混合喂食处理时,dschi对chi基因表达的抑制作用以及对试虫的致死效应,均大幅下降。喂食dssid+dschi、dschc+dschi及dssid+dschc+dschi混合dsRNA的chi基因相对表达量没有显著差异,分别为0.77、0.64和0.81,但显著高于dschi单独处理而低于对照处理。检测试虫的死亡率也得到类似结果,即3种混合处理之间没有显著差异,4d累积死亡率分别为,6.65%、6.61%和7.43%,但显著低于dschi处理(22.78%)高于dsGFP处理(5.07%)。此外,试验还发现调整dssid+dschc+dschi的混合比例对干扰效果没有显著影响。显然干扰sid和chc均会显著影响灰飞虱体内的RNAi,且两者表现的抑制效应相当。由此表明sid和chc均是灰飞虱体内RNAi的重要功能基因。
3、沉默褐飞虱sid-1-like和褐飞虱网格蛋白重链基因对褐飞虱RNAi的影响
本研究以褐飞虱几丁质合成酶(Nlchi)为报告基因,通过两次RNAi手段,测定了干扰褐飞虱chc和sid基因是否影响dschi对Nlchi基因的干扰作用。结果表明,单独喂食dssid(8.05%),和单独喂食dschc(15.30%)的死亡率,均显著高于单独喂食dsEGFP的死亡率(2.84%),而两处理对Nlchi基因的表达水平(1.09和1.26)没有显著影响,与喂食dsEGFP的(1.21)没有显著差异。表明单独干扰褐飞虱sid-1-like和褐飞虱网格蛋白重链不会影响Nlchi基因的表达,但对试虫的有一定的致死效应。单独喂食dschi可以显著抑制Nlchi基因的表达,其表达水平(0.33)仅有对照的33%,同时导致试虫死亡率显著升高(28.29%),是dsEGFP处理的14倍。将dschi与dssid或/和dschc混合喂食处理时,dschi对Nlchi基因表达的抑制作用以及对试虫的致死效应,均大幅下降。喂食dssid+dschi、dschc+dschi及dssid+dschc+dschi混合dsRNA4d累积死亡率分别为,16.07%、19.63%和19.65%,处理间无显著差异,但显著低于dschi处理(28.29%)高于dsEGFP处理(2.84%)。检测三处理的Nlchi基因相对表达量没有显著差异,分别为1.06、0.77和1.14,但显著高于dschi单独处理(0.33)而低于对照处理。证实干扰Nlsid和Nlchc均会显著影响褐飞虱体内的RNAi,且干扰Nlsid表现的抑制效应略好于干扰Nlchc。进一步表明sid和chc均为与褐飞虱体内RNAi相关的重要功能基因。
综上所述,本研究验证并克隆了灰飞虱的sid-1-like基因和网格蛋白重链基因,证实干扰这两种基因可以显著降低灰飞虱和褐飞虱体内的RNAi效应,由此揭示昆虫sid和chc基因均是昆虫体内RNAi的重要功能基因。该研究为进一步阐明昆虫的RNAi机制,以及更好地利用RNAi技术进行昆虫学研究,奠定了基础。