文蛤对副溶血性弧菌感染的免疫和代谢响应及关键调控通路解析

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文蛤(Meretrix petechialis)是一种重要的经济水产养殖贝类。在文蛤养殖过程中,弧菌感染引起的爆发性死亡事件时有发生。因此,了解疾病发生和致病机理,可以为病害防治和抗性品种选育提供科学基础。本研究利用副溶血性弧菌(Vibrio parahaemolyticus)对文蛤进行人工模拟攻毒感染实验,通过转录组分析了弧菌感染过程中文蛤肝胰腺免疫和代谢响应,研究了弧菌感染早期肝胰腺载菌量和免疫通路变化,对死亡爆发期相关的糖异生过程关键通路进行了鉴定,分析了弧菌攻毒强度与肝胰腺弧菌载量相关性。主要的研究结果如下:
  1、对文蛤进行副溶血性弧菌浸泡感染实验,基于文蛤死亡率数据将感染过程分为潜伏期、前驱期、爆发期和恢复期等四个阶段。利用转录组研究了文蛤肝胰腺在不同感染阶段对感染的动态响应,在四个感染阶段共得到了38067个差异表达基因(DEGs)。DEGs注释表明免疫相关和代谢相关信号通路显著富集,免疫防御和代谢调控在病原感染过程中发挥关键作用。基于时间序列的聚类分析,DEGs基因的表达类型可分为三类,即U形、L形和倒V形;对三种表达类型基因进行KEGG分析,显示感染期间合成代谢和细胞生长增殖相关信号通路被长期或短暂抑制,免疫相关信号通路呈现针对细菌感染的诱导表达或抑制表达,表明免疫系统采取不同的策略来抵御细菌感染。此外,一些信号通路如PI3K-Akt通路可同时参与免疫防御和细胞代谢,表明免疫系统和代谢系统能相互协调响应细菌感染。
  2、实验分析了弧菌感染早期(即前期和潜伏期)文蛤肝胰腺中弧菌载量的变化趋势,表明弧菌载量在第1天维持较高水平,第2天显著下降,随后维持较低水平。转录组分析结合定量PCR结果表明Toll通路、Imd通路和ROS系统在早期感染过程中发挥了重要的免疫防御作用,宿主通过激活上调Toll通路和ROS系统分别释放抗菌肽和过氧化氢,并可能通过抑制Imd通路抑制病原菌的增殖。RNAi结果进一步支持Toll通路和ROS系统分别通过调控抗菌肽和过氧化氢的生成参与杀菌抑菌过程。此外,筛选验证了上述通路/系统中表达量与肝胰腺弧菌载量相关的基因,为文蛤抗弧菌品系的选育提供了候选分子标记。
  3、通过对弧菌感染过程中死亡爆发期文蛤肝胰腺的转录组数据分析,发现PPAR、AMPK、PI3K-Akt信号通路以及糖酵解/糖异生等代谢相关信号通路被显著富集,表明代谢相关通路参与了宿主免疫过程。加权基因共表达网络分析(weighted correlation network analysis,WGCNA)显示,死亡爆发期富集到糖异生过程的关键酶基因,表明糖异生过程与文蛤爆发性死亡事件相关;通过检测糖异生过程中代谢标志物葡萄糖和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)等含量变化以及糖异生过程相关基因葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase,G6Pase)、PEPCK等的表达变化,发现糖异生在感染过程中被抑制。进一步分析文蛤濒死和存活个体中代谢标志物含量和PI3K-Akt信号通路中关键基因的表达差异,支持了糖异生过程与爆发性死亡事件的关联性。该结果有助于我们更好地理解文蛤爆发性死亡过程的分子机制,并为贝类健康状况的检测提供基因标记。
  4、用四个不同浓度的副溶血性弧菌,对两份具有不同存活率的文蛤家系group A和group B进行攻毒感染实验,发现在四个弧菌浓度下,group A的存活率均显著高于group B;文蛤存活率随着弧菌攻毒浓度的增加而降低,但出现死亡和达到死亡高峰的时间大体一致。不同处理浓度下,肝胰腺中弧菌载量在时间序列上呈现相同的变化趋势,在3dpi文蛤肝胰腺弧菌载量随着弧菌感染浓度的升高而升高。基于肝胰腺中弧菌载量对两组文蛤的抗性(清除弧菌能力)进行评估,group A为高抗而group B为低抗家系,与攻毒存活率结果一致;检测了(dual oxidase,Duox)、髓样分化蛋白抗原(myeloid differential protein-88,Myd88、Tube和过氧化氢酶(catalase,CAT)等免疫相关基因在不同存活率文蛤个体中的表达及其与弧菌载量变化的相关性,筛选了可作为文蛤弧菌抗性的指示标记。
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