荻草谷网蚜唾液蛋白基因Sm13498的克隆及功能分析

【目的】荻草谷网蚜Sitobion miscanthi为我国小麦Triticum aestivum主产区麦蚜优势种;Sm13498蛋白是在荻草谷网蚜唾液腺中特异表达的唾液蛋白。本研究旨在探析荻草谷网蚜功能未知的Sm13498在调节植物防御反应中的潜在作用。【方法】基于荻草谷网蚜唾液腺转录组测序数据,PCR克隆Sm13498的cDNA全长序列,并进行生物信息学分析;采用RT-qPCR测定Sm13498在取食小麦叶片不同时间的荻草谷网蚜无翅成蚜中的表达动态;通过酵母分泌系统验证Sm13498蛋白信号肽的分泌功能;利用根癌农杆菌Agrobacterium tumefaciens介导在本氏烟Nicotiana benthamiana中瞬时表达技术鉴定Sm13498蛋白功能及亚细胞定位。【结果】克隆获得了荻草谷网蚜Sm13498 cDNA全长序列(GenBank登录号：MW346655),开放阅读框(ORF)全长783 bp,编码260个氨基酸,预测蛋白分子量28.01 kD,第1-22位氨基酸为N端信号肽。系统进化树显示,Sm13498与豌豆蚜Acyrthosiphon pisum的功能未知蛋白LOC100159087precursor(GenBank登录号: NP_001313548.1)亲缘关系最近(氨基酸序列一致性为71.7%)。RT-qPCR结果表明,Sm13498在荻草谷网蚜无翅成蚜取食小麦叶片12 h时表达水平达到最高。含有Sm13498信号肽片段的酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae YTK12可在YPRAA培养基正常生长,并可将无色2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC)还原为不可溶的暗红色的氯化三苯基四氮唑(TTF),证实其信号肽具有分泌活性。经根癌农杆菌介导在本氏烟瞬时表达Sm13498蛋白可抑制Bcl-2相关X蛋白(Bcl-2-associated X protein, BAX)及病原菌激发子INF1诱导的程序性细胞死亡。亚细胞定位结果表明,Sm13498-GFP融合蛋白定位于本氏烟叶片细胞膜。【结论】结果说明荻草谷网蚜唾液蛋白Sm13498可抑制植物防御反应。本研究为发掘荻草谷网蚜唾液中效应子, 深入解析麦蚜对小麦品种强适应性奠定了基础。     

低温对麦红吸浆虫滞育解除及蜕皮激素受体基因EcR和热激蛋白基因Hsp70和Hsp90表达水平的影响

【目的】本研究旨在明确破茧率和破茧所需时间作为典型的专性幼虫期滞育昆虫麦红吸浆虫Sitodiplosis mosellana滞育解除指标的可行性,探讨蜕皮激素受体基因EcR和热激蛋白基因Hsp70和Hsp90在低温解除滞育中的作用。【方法】9月上旬采自田间的麦红吸浆虫滞育幼虫在低温(4℃)和自然变温处理不同时间(0~90 d)后转移至24℃化蛹,调查幼虫的破茧率、化蛹率及破茧和化蛹所需时间;采用qPCR技术分析4℃低温终止滞育并在24℃下恢复发育的幼虫EcR, Hsp70和Hsp90的mRNA水平。【结果】不同时间低温(4℃)和自然变温处理的麦红吸浆虫滞育幼虫破茧率和化蛹率以及破茧和化蛹所需时间均存在显著差异。未经低温(4℃)处理的幼虫在水分满足的条件下破茧率为71.3%,但均不能化蛹;低温(4℃)处理60 d内,随着处理时间的延长破茧率和化蛹率逐渐升高,破茧和化蛹所需时间逐渐缩短;与4℃低温处理30~60 d相比,自然变温处理30~60 d的幼虫化蛹率显著较低;4℃低温处理60 d和自然变温处理90 d后幼虫的化蛹率均超过91%。低温(4℃)处理显著提高了麦红吸浆虫幼虫EcR, Hsp70和Hsp90的表达量,其中处理30 d时其表达量最高,随着低温(4℃)处理时间的延长,表达量逐渐降低,大部分幼虫滞育解除后表达量趋于恒定。【结论】低温能显著促进麦红吸浆虫的滞育解除,效果优于9-10月自然变温;破茧率及破茧所需时间可作为评判麦红吸浆虫幼虫滞育强度的参考,但不能独立作为滞育解除的指标;EcR,Hsp70和Hsp90的表达水平与滞育强度密切相关,在麦红吸浆虫滞育解除中发挥潜在作用。     

利用CRISPR/Cas9系统检测果蝇细胞中组蛋白甲基化修饰对20E信号传导的调控

【目的】利用CRISPR/Cas9基因敲除系统在黑腹果蝇Drosophila melanogaster细胞中筛选并检测组蛋白甲基化修饰对蜕皮激素20 羟基蜕皮酮(20-hydroxyecdysone, 20E)信号传导的调控。【方法】通过Flybase网站分析并总结黑腹果蝇组蛋白甲基转移酶及其修饰位点;将5个组蛋白甲基转移酶基因［trr, Mes-4, ash1, Su(var)3-9和egg］的sgRNA插入到敲除载体pAc-sgRNA-Cas9骨架中并转染黑腹果蝇Kc细胞,利用TA克隆和测序鉴定突变位点。以Trr正调控20E初级应答基因Br-C的转录表达为阳性对照,利用qRT-PCR和Western blot检测该系统敲除靶基因的有效性;通过检测20E应答元件(20E response element, EcRE)双荧光素酶活性确定trr, Mes-4, ash1, Su(var)3-9和egg是否参与20E信号传导。【结果】果蝇组蛋白甲基化修饰主要发生在组蛋白H3的赖氨酸残基上,H3的精氨酸残基和组蛋白H4的甲基化修饰较少。trr敲除载体pAc-trr-sgRNA-Cas9转染Kc细胞后成功突变trr,降低H3K4三甲基化水平并阻断20E对其初级应答基因Br-C的转录诱导,证明该敲除系统的有效性。除trr之外,Mes-4和egg的敲除降低EcRE的双荧光素酶活性。【结论】插入靶标基因sgRNA序列的pAc-sgRNA-Cas9敲除载体在果蝇Kc细胞中可以有效快捷地突变靶基因。利用该敲除系统发现,除Trr之外,Mes-4和egg影响EcRE的活性而参与20E信号传导。本研究为昆虫细胞CRISPR/Cas9介导的基因敲除和组蛋白甲基化修饰调控20E信号传导的深入研究提供了理论依据与工作基础。     

甜菜夜蛾半胱天冬酶基因的克隆及对细胞凋亡 诱导剂和病原微生物感染的表达响应

【目的】本研究旨在明确甜菜夜蛾Spodoptera exigua半胱天冬酶(caspase)在细胞凋亡诱导剂诱导和病原微生物胁迫下的表达模式,为丰富鳞翅目昆虫细胞凋亡机制研究奠定基础。【方法】利用RT-PCR技术从甜菜夜蛾3龄幼虫体内扩增两个半胱天冬酶基因(SeCasp-3和SeCasp-4)编码区的全长;利用qPCR技术分别检测两个半胱天冬酶基因在细胞凋亡诱导剂过氧化氢(hydrogen peroxide, H₂O₂)(100 μmol/L)、放线菌素D(actinomycin D, ActD)(10 μg/mL)和地塞米松(dexamethasone, DEX)(50 μg/mL)诱导后甜菜夜蛾脂肪体细胞中及病原菌苏云金芽孢杆菌Bacillus thuringiensis kurstaki (Btk)(10⁸个细菌/mL)、大肠杆菌TG1菌株Escherichia coli TG1 (E. coli TG1)(10⁸个细菌/mL)、烟芽夜蛾囊泡病毒3h株(Heliothis virescens ascovirus 3h, HvAV-3h)(1.16×10¹¹个基因组拷贝/mL)和苜蓿银纹夜蛾核型多角体病毒(Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus, AcMNPV)(5 000 OBs/μL)感染后甜菜夜蛾3龄幼虫体内的表达模式。【结果】SeCasp-3(GenBank登录号: MW183334)的编码区长942 bp,共编码313个氨基酸;SeCasp-4(GenBank登录号: MW183335)的编码区长843 bp,共编码280个氨基酸。SeCasp-3和SeCasp-4的假定蛋白序列与家蚕Bombyx mori Dronc的氨基酸序列一致性分别为45.54％和58.46％,且SeCasp-3和SeCasp-4之间具有较高的同源性。SeCasp-3和SeCasp-4在不同化学物质诱导下的甜菜夜蛾脂肪体细胞中的表达模式存在明显差异,在100 μmol/L H₂O₂和10 μg/mL ActD处理后24和48 h,脂肪体细胞中SeCasp-3和SeCasp-4的相对表达量均显著升高;50 μg/mL DEX处理后24和48 h,SeCasp-3的相对表达量未见显著变化,但SeCasp-4的相对表达量升高了数千倍。在不同病原微生物感染后的甜菜夜蛾3龄幼虫体内,SeCasp-3和SeCasp-4的表达模式基本相同。一般线性模型的分析结果表明,Btk和E. coli TG1的感染不造成SeCasp-3和SeCasp-4相对表达量的显著变化,而HvAV-3h和AcMNPV的感染则显著抑制了这两个基因的表达。【结论】本研究鉴定了两个甜菜夜蛾半胱天冬酶基因,并分析了其对细胞凋亡诱导剂和病原微生物感染的表达响应,为进一步探究半胱天冬酶功能和昆虫细胞凋亡过程提供了重要的理论基础。     

家蚕抗真菌因子BmSPI39对球孢白僵菌入侵的表达响应

【目的】制备家蚕Bombyx mori抗真菌因子BmSPI39的多克隆抗体,分析BmSPI39对球孢白僵菌Beauveria bassiana入侵的表达响应。【方法】利用原核表达和固定化镍离子亲和层析技术获得高纯度的BmSPI39重组蛋白,利用胶内活性染色检测重组蛋白BmSPI39对枯草杆菌Bacillus subtilis蛋白酶A的抑制活性;利用重组蛋白BmSPI39,通过免疫新西兰大白兔制备BmSPI39的多克隆抗体。基于家蚕开放性数据库SilkDB 3.0,分析BmSPI39在4龄第3天至化蛹后1 d家蚕免疫相关组织体壁、中肠和脂肪体中的时空表达特征。利用制备的BmSPI39抗体通过Western blot分析感染球孢白僵菌不同时间后家蚕幼虫和蛹体壁中BmSPI39应答球孢白僵菌入侵的表达响应。【结果】胶内活性染色结果显示,重组BmSPI39蛋白能够强烈抑制枯草杆菌蛋白酶A的活性。酶联免疫吸附结果显示,BmSPI39抗血清的抗体效价达1∶128 000。Western blot和胶内活性染色结果显示,纯化后的BmSPI39抗体能够有效结合不同多聚体化状态下的BmSPI39抗原蛋白。BmSPI39表达数据的热图分析显示,BmSPI39在游走期和预蛹期的家蚕体壁中有表达,在预蛹期的脂肪体中的表达量较高,但在各发育阶段的中肠中均不表达。Western blot分析结果表明,家蚕幼虫体壁中的BmSPI39的表达在感染球孢白僵菌后84 h上调表达,108和120 h下调表达。【结论】本研究成功制备了BmSPI39的多克隆抗体。BmSPI39蛋白的表达能够响应球孢白僵菌入侵,可能参与蛹期家蚕抵御真菌入侵的过程。     

松毛虫赤眼蜂两性生殖品系和孤雌产雌品系在不同品种柞蚕卵中的寄生和生长发育表现

【目的】明确两性生殖品系和孤雌产雌品系松毛虫赤眼蜂Trichogramma dendrolimi在不同品种柞蚕Antheraea pernyi卵中的寄生及发育表现,为以柞蚕卵为替代寄主更好地规模化繁育赤眼蜂提供依据。【方法】测定两性生殖品系和孤雌产雌品系雌蜂在6个品种柞蚕卵［抗大(KD)、大四(DS)、高新(GX)、988(NEE)、青大(QD)和特大(TD)］上的寄生率、子代蜂窝蜂数(单窝羽化子代蜂数)和子代蜂雌性比等生物学指标,以及6个品种柞蚕卵的质量指标(单卵湿重、蛋白质含量、总糖含量和甘油三酯含量);利用主成分分析揭示柞蚕卵质量指标与赤眼蜂生物学指标间的相关性。【结果】NEE品种柞蚕卵育出的两性品系松毛虫赤眼蜂子代蜂个体显著大于除KD和QD品种以外的其他柞蚕品种卵育出的两性品系子代蜂。柞蚕品种对两性品系松毛虫赤眼蜂的寄生率、子代蜂窝蜂数和子代蜂雌性比均无显著影响。在孤雌产雌品系松毛虫赤眼蜂中,KD品种柞蚕卵育出的松毛虫赤眼蜂子代蜂窝蜂数最多,显著高于NEE和QD品种育出的子代蜂窝蜂数,但与DS, GX和TD品种育出的子代蜂窝蜂数相比无显著差异。柞蚕品种对孤雌产雌品系松毛虫赤眼蜂的寄生率和子代蜂个体大小均无显著影响。TD品种柞蚕卵的蛋白质含量最高,显著高于除GX品种以外的柞蚕品种。KD品种柞蚕卵的总糖含量和QD品种柞蚕卵的甘油三酯含量最高,均分别显著高于其余柞蚕品种。主成分分析表明,两性品系松毛虫赤眼蜂寄生率、柞蚕卵蛋白质含量和甘油三酯含量均与柞蚕卵总糖含量呈负相关;两性品系松毛虫赤眼蜂子代蜂个体大小和柞蚕卵甘油三酯含量与单卵湿重呈负相关;孤雌产雌品系松毛虫赤眼蜂寄生率和柞蚕卵甘油三酯含量与松毛虫赤眼蜂子代蜂窝蜂数、柞蚕卵总糖含量和单卵湿重呈负相关;孤雌产雌品系松毛虫赤眼蜂子代蜂个体大小和柞蚕卵总糖含量与蛋白质含量呈负相关。【结论】本研究通过筛选适宜两性生殖品系和孤雌产雌品系赤眼蜂繁育的柞蚕卵品种,初步明确了卵内主要营养指标与子代蜂生物学指标间的相关性。研究结果为利用柞蚕卵更好地规模化繁育松毛虫赤眼蜂提供依据与数据支撑。     

基于线粒体基因组的华蝉族系统发育地位研究(半翅目: 蝉科)(英文)

【目的】本研究旨在明确无鼓膜发音器的华蝉族(Sinosenini)昆虫在蝉总科(Cicadoidea)的系统发育地位。【方法】依据在陕西宁陕采集的合哑蝉Karenia caelatata成虫标本,对华蝉族的合哑蝉K. caelatata线粒体基因组进行测序、注释和生物信息学分析;并与蝉总科其他类群的线粒体基因组进行了比较,然后利用最大似然法(ML)和贝叶斯法(BI)分别构建了蝉总科分子系统发育树。【结果】合哑蝉线粒体基因组长14 960 bp (GenBank登录号: MN922304),其基因组成、蛋白编码基因的核苷酸组成和密码子使用等,与蝉总科其他类群具相似特征。核苷酸多样性分析表明,atp8, nad6和nad2为易变基因,而cox1比较保守。非同义替换率和同义替换率比表明,蝉总科昆虫线粒体基因组进化处于高水平的纯化选择下。系统发育分析结果支持蝉次目(Cicadomorpha)的单系性,该次目3个总科的关系为：角蝉总科Membraciodea+(蝉总科Cicadoidea+沫蝉总科Cercopodidea)。无鼓膜发音器的哑蝉属与蝉亚科(Cicadinae)的蜩蝉族(Dundubiini)相关类群聚在一起,且与寒蝉属Meimuna关系最近;黑蝉族(Cicadatrini)的草蝉属Mogannia和音蝉属Vagitanus则与姬蝉亚科(Cicadettinae)相关类群聚在一起;日宁蝉属Yezoterpnosia并非一个单系群。【结论】华蝉族应从姬蝉亚科转移至蝉亚科并与蜩蝉族(Dundubiini)合并,而黑蝉族应从蝉亚科转移至姬蝉亚科。研究结果为进一步解析具有不同发声机制的蝉科昆虫系统演化提供了新信息。     

弗里熊蜂蜜罐中糖液成分分析

【目的】熊蜂是众多植物的重要传粉昆虫,以采集并贮藏花蜜和花粉为主要食物。本研究旨在探究熊蜂的营养需求及明确其对采集的食物是否存在酿制过程。【方法】利用白砂糖溶液(糖浓度50%)饲喂弗里熊蜂Bombus friseanus蜂群,收集并检测其贮藏在蜜罐中1~7 d的糖液,作为处理组样品;同时将上述白砂糖溶液置于灭菌离心管中,排除熊蜂取食,作为对照组样品,测定贮藏期间处理组和对照组糖液的pH值、糖浓度、糖组分及α-淀粉酶和转化酶活性。【结果】弗里熊蜂B. friseanus贮藏在蜜中1~7d的糖液pH值平均为3.74±0.13,显著低于对照组(6.55±0.15);糖浓度与贮藏时间显著正相关,贮藏6d后糖浓度显著高于贮藏1~3 d时的;糖液组分更加丰富,除蔗糖外利用HPLC还检出果糖、葡萄糖、麦芽糖和海藻糖,贮藏4~5 d的糖液中己糖含量极显著高于贮藏1~3 d和6~7 d时的,己糖和麦芽糖含量分别与蔗糖含量极显著负相关,总糖中果糖和麦芽糖含量与贮藏时间极显著负相关,葡萄糖、蔗糖和海藻糖的含量分别与贮藏时间极显著正相关。贮藏6 d的糖液中α-淀粉酶活性显著高于其他时间,其他贮藏时间样品间α-淀粉酶活性差异不显著,而所有样本的转化酶活性在21.17~38.05 U/g FW之间,随贮藏时间的延长差异不显著。【结论】弗里熊蜂B. friseanus采集人工饲喂的糖溶液贮藏在蜜罐中,经其加工后发生了物理和生物化学变化,揭示熊蜂存在酿蜜能力。本研究的结果为熊蜂生物学及繁育研究提供了参考。     

模拟氮沉降对杉木丛枝菌根真菌侵染率和球囊霉素的影响

杉木是我国南方重要的速生用材树种,同时南方面临着日益增强的大气氮沉降。尽管有大量的研究探索了氮沉降对杉木林的影响,但关于氮沉降对杉木与丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）共生关系影响的研究则较少报道。以10年生杉木为研究对象,模拟了不同氮沉降水平（N3：3 g N m^-2a^-1,N6：6 g N m^-2a^-1和Control：0 g N m^-2a^-1）对AMF侵染率和球囊霉素的影响。结果显示：在冬季,与对照相比,N3处理显著增加了AMF侵染率,N6处理显著增加易提取球囊霉素的含量,而氮沉降对总球囊霉素含量无显著影响。在春季,与对照相比,N3处理显著增加AMF侵染率,但是显著降低了易提取球囊霉素的含量。N6处理显著增加总球囊霉素的含量,但显著降低易提取球囊霉素的含量。相同氮添加情况下,春季的AMF侵染率显著低于冬季,而球囊霉素含量（易提取球囊霉素和总球囊霉素）均显著高于冬季的。土壤有效磷与AMF侵染率显著负相关,而与易提取球囊霉素和总球囊霉素含量显著正相关。侵染率与pH显著正相关,球囊霉素与pH显著负相关。本实验针对AMF侵染率和球囊霉素的含量对于氮沉降的响应做出探讨,对全面了解杉木与AMF之间的共生关系对氮沉降的响应及其机制提供了新的参考。     

重组大肠杆菌全细胞催化L-苏氨酸合成2,5-二甲基吡嗪

2,5-二甲基吡嗪 (2,5-dimethylpyrazine,2,5-DMP) 在食品香料与医药方面具有重要的经济价值,工业上普遍采用环境不友好且反应条件苛刻的化学合成法来生产。文中结合代谢工程和辅因子工程策略设计高效催化L-苏氨酸合成2,5-DMP的全细胞催化剂,实现微生物转化法合成2,5-DMP。本研究首先分析了不同微生物来源的苏氨酸脱氢酶 (Threonine dehydrogenase,TDH) 对2,5-DMP合成的影响,发现来源于大肠杆菌Escherichia coli中EcTDH具有最佳的催化能力,2,5-DMP产量达到 (438.3±23.7) mg/L。随后结合辅因子工程,通过引入乳脂链球菌Lactococcus cremoris中NADH氧化酶 (NADH oxidase,LcNoxE) 并优化其表达方式发现通过融合表达EcTDH和LcNoxE可平衡胞内NADH/NAD+水平,维持较高细胞存活率,进一步提高2,5-DMP产量。最后,通过阻断合成2,5-DMP的支路代谢途径,可以显著减少副产物积累,增加2,5-DMP产量,同时提高L-苏氨酸转化率。最终获得的重组菌EcΔkΔAΔBΔA/TDHEcNoxELc-PSstT在含有5 g/L L-苏氨酸的转化体系中于37 ℃、200 r/min孵化24 h,可积累 (1 095.7±81.3) mg/L的2,5-DMP,L-苏氨酸转化率达到76%,产物得率为0.288 g/(g L-苏氨酸)。因此,文中构建的重组菌可以实现高效催化L-苏氨酸合成2,5-DMP,具有一定的工业应用潜力。