美国白蛾几丁质脱乙酰酶HcCDAs的生化特性分析及功能研究

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美国白蛾Hyphantria cunea(Drury),属鳞翅目(Lepidoptera)、灯蛾科(Arctiidae)、白蛾属(Hyphantria),是一种重要的入侵害虫,对我国森林资源和农林业生产造成重大危害。几丁质脱乙酰酶(Chitin deacetylase,CDA)属糖酯酶4家族,是一种几丁质胞外修饰酶,参与昆虫体内几丁质代谢。本研究以美国白蛾为研究对象,分析几丁质脱乙酰酶的生化特性和生物学功能,为开发新型生防靶标提供理论依据。具体研究结果如下:1.利用RACE-PCR技术,结合美国白蛾中肠转录组数据库,分离克隆了hccda1(KF975504)、hccda2a(KT781841)、hccda2b(KT781842)和hccda4(KX822766)基因。开放阅读框分别为1632 bp、1629 bp、1611 bp和1494 bp,编码543、542、536和497个氨基酸,预测蛋白分子量为62 kDa、61 kDa、61 kDa和56 kDa,等电点为4.75、5.20、5.27和5.11,N-端包含信号肽序列,含有多个N-糖基化位点以及5个保守基序。HcCDA1、HcCDA2a和HcCDA2b包含几丁质结合功能域(ChBD)、低密度脂蛋白受体区(LDLa)和催化区(CDA),属于Group I类CDA蛋白;HcCDA4仅含有几丁质结合功能域(ChBD)和催化区(CDA),属于Group III类CDA蛋白。2.克隆得到了hcactin基因(KT781843),为hccdas基因的表达分析提供内参基因。qRT-PCR结果显示,hccda1、hccda2a和hccda4基因在5龄第一天和第二天表达量相对较高,在头部、表皮和后肠表达量相对较高;hccda2b基因在5龄第一天表达量相对较高,并且在头部和后肠高表达。Western blot分析显示,HcCDAs蛋白的表达水平和hccdas基因的转录趋势相一致。3.HcCDAs蛋白的生化特性。在昆虫细胞(HighFive/Sf9)中成功表达了80 kDa、75 kDa和70 kDa的重组蛋白HcCDA1、HcCDA2和HcCDA4。几丁质结合实验显示,体外重组蛋白HcCDAs(HcCDA1、HcCDA2和HcCDA4蛋白)具有几丁质结合活性;催化活性实验结果表明,HcCDAs蛋白在体外具有脱乙酰功能,酶反应的最适温度为50℃,最适pH为8.0;在最适反应条件下测得Mg2+和Ca2+对HcCDA1、HcCDA2和HcCDA4蛋白酶促反应整体呈抑制趋势;Fe2+对HcCDA1、HcCDA2和HcCDA4蛋白酶促反应整体呈现激活趋势;随着Zn2+浓度升高,Zn2+对HcCDA1蛋白酶促反应抑制作用增强,而对HcCDA4蛋白酶促反应激活作用逐渐降低;Mn2+对HcCDA2蛋白酶促反应有抑制作用,而对HcCDA4蛋白酶促反应有激活作用,随着Mn2+浓度升高,激活作用逐渐降低;随着Co2+浓度增大,Co2+对HcCDA1和HcCDA2蛋白激活作用逐渐下降,而对HcCDA4蛋白抑制作用越强。4.病原微生物对hccdas基因的表达水平有影响。以Cry1Ab35蛋白饲喂美国白蛾3龄幼虫后,hccda1、hccda2a、hccda2b和hccda4基因总体表现为948 h表达水平显著降低;其中,hccda2a和hccda2b基因于24 h表达量升高,hccda1和hccda4基因于36 h表达量升高。HcNPV侵染美国白蛾3龄幼虫后,hccda1、hccda2a、hccda2b和hccda4基因整体表现为17 d表达水平先升高后降低。5.RNA干扰(RNA interference,RNAi)技术探究HcCDAs的生理功能。qRT-PCR分析目的基因的沉默效率显示,注射dsRNA-hccdas于美国白蛾5龄幼虫,能有效沉默hccdas基因表达。注射dshccda1、dshccda2、dshccda2a和dshccda4的幼虫呈现蜕皮异常,幼虫死亡率分别为93%、80%、85%和87%;而注射dshccda2b的幼虫蜕皮正常,仅表现为30%的幼虫死亡率;存活下来的幼虫化蛹异常,甚至死亡;注射dsgfp的幼虫可正常化蛹。采用Western blot和免疫组织化学构成方法分析RNAi后HcCDAs蛋白的相对表达水平,结果显示,注射dsRNA-hccdas后HcCDAs蛋白信号明显减弱。几丁质含量分析显示,hccda1、hccda2、hccda2a和hccda4基因干扰后,美国白蛾幼虫几丁质含量均显著降低,hccda2b基因沉默未影响幼虫体内几丁质含量。
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