組學(xué)技術(shù)在白蟻研究中的應(yīng)用

吳文靜，李志強(qiáng)，柯云玲

(廣東省昆蟲研究所，廣東省野生動物保護(hù)與利用公共實(shí)驗(yàn)室，廣東省農(nóng)業(yè)害蟲綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510260)

白蟻曾稱為等翅目Isoptera 昆蟲，現(xiàn)支持其歸于蜚蠊目Blattodea。全世界已知現(xiàn)生白蟻種類約3000種(黃復(fù)生等，2000)，其中約200種是有害白蟻(Su and Scheffrahn，2000)，其中部分白蟻是農(nóng)林作物、建筑材料設(shè)施等的重要害蟲，危害嚴(yán)重，造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，而大多數(shù)白蟻?zhàn)鳛槭澄镦溨兄匾姆纸庹?，在生態(tài)系統(tǒng)平衡和生物多樣性維持方面卻發(fā)揮著重要的生態(tài)功能，其軀體內(nèi)還擁有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和特殊的微量物質(zhì)，可被開發(fā)利用(Abe et al.，2000)。因此，白蟻是一類具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值的昆蟲。

白蟻?zhàn)鳛樵嫉恼嫔鐣岳ハx，具有復(fù)雜的品級分化、集群的巢居生活、高效的植物纖維素分解能力等特點(diǎn)，引起了廣大研究者的關(guān)注，對白蟻的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物學(xué)特性、共生物、天敵、功能基因和酶類等方面進(jìn)行研究 (Abe et al.，2000;Bignell et al.，2010)。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展，繼基因組學(xué)之后，轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等陸續(xù)出現(xiàn)，分子生物學(xué)的研究已經(jīng)逐步跨入后基因組時(shí)代，從對單一基因或蛋白質(zhì)的研究轉(zhuǎn)向?qū)Χ鄠€(gè)基因或蛋白質(zhì)同時(shí)進(jìn)行的系統(tǒng)研究，以揭示細(xì)胞和生命現(xiàn)象的本質(zhì)和活動規(guī)律。相關(guān)研究也成為白蟻研究的熱點(diǎn) (Terrapon et al.，2014)，對于白蟻社會生物學(xué)規(guī)律的認(rèn)識和有害白蟻的控制都具有重要意義。本文綜述了白蟻基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等組學(xué)的已有研究成果和新一代測序技術(shù)在白蟻組學(xué)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀，討論了白蟻組學(xué)今后研究的方向。

1 白蟻基因組學(xué)

基因組(Genome)是指單倍體細(xì)胞核、細(xì)胞器或病毒粒子所含的全部DNA 分子或RNA 分子。研究基因組，有助于我們深入了解生物的遺傳、進(jìn)化、系統(tǒng)發(fā)育等各方面信息，為在分子水平上改造和應(yīng)用生物、優(yōu)化種群提供支持和保障。

1.1 白蟻基因組大小預(yù)測

基因組大小的預(yù)測是基因組測序工作的重要前期準(zhǔn)備之一。目前，有6 科共14種白蟻采用Feulgen 圖像分析光密度法(Feulgen Image Analysis Densitometry)，以黑腹果蠅Drosophila melanogaster細(xì)胞的DNA 作為測定的參照物，以白蟻血細(xì)胞作為測定的組織樣品，進(jìn)行了基因組大小預(yù)測(表1)。其中，最小的是內(nèi)華達(dá)動白蟻Zootermopsis nevadensis，僅0.58 pg，約567.24 Mb (1 pg≈978 Mb)，最大的是近扭白蟻Pericapritermes nitobei 為1.90 pg，約1858.20 Mb，各物種之間的差異并不明顯。在昆蟲綱930種已預(yù)測的昆蟲基因組大小的結(jié)果中，最小的是捻翅目的Caenocholax fenyesi texensis，為0.11 pg (Johnston et al.，2004)，最大的是直翅目的 Podisma pedestris，為16.93 pg(Westerman et al.，1987)，白蟻基因組的平均值為1.24 pg，總體偏小?；蚪M大小一般認(rèn)為受特定性狀的選擇壓力的影響，例如細(xì)胞的大小、發(fā)育的速度等，而在白蟻中，很可能與社會性進(jìn)化的選擇壓力存在一定關(guān)系(Koshikawa et al.，2008)。

表1 白蟻基因組大小預(yù)測Table 1 Prediction of termite genome sizes

1.2 白蟻核基因組

在昆蟲中，雙翅目、鞘翅目、直翅目、鱗翅目、膜翅目和半翅目中開展全基因組測序工作較早，目前已發(fā)布多個(gè)物種的結(jié)果，而白蟻起步較晚，2014年才完成了兩種白蟻的全基因組測序。

低等白蟻內(nèi)華達(dá)動白蟻Zootermopsis nevadensis nuttingi 全基因組是第一個(gè)測定的白蟻基因組，基于Illumina Hiseq 2000 測序平臺，對兵蟻頭部組織進(jìn)行測序，平均測序深度為98.4×，獲得大小為562 Mb 的總基因組(Terrapon et al.，2014)，與基因組大小預(yù)測的結(jié)果相近，是已知的白蟻和蜚蠊基因組中最小的一個(gè)(Koshikawa et al.，2008)。數(shù)據(jù)拼接得到93931 條scaffold，N50 長度為740 kb，組裝成85940 條contigs，覆蓋了整個(gè)基因組的88%，總 GC 含量38.20%，預(yù)測得到15876 個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，包含17505 個(gè)結(jié)構(gòu)域(GenBank Assembly ID:GCA_ 000696155.1)。該基因組結(jié)果為白蟻與其它社會性昆蟲的共性和差異性提供了分子層面的支持。在共性方面，白蟻化學(xué)通訊相關(guān)的基因出現(xiàn)擴(kuò)增;參與等級分化和生殖分工調(diào)控的基因和信號通路相似，如卵黃原蛋白、保幼激素合成通路、胰島素/類胰島素生長因子信號通路等;相關(guān)的調(diào)控因子在各品級中的表達(dá)量有顯著性差異，如與壽命生殖相關(guān)的組蛋白修飾酶(histone-modifying enzyme)、生殖特異表達(dá)的延長酶 (elongase) 和去飽和酶(desaturase)、等級分化相關(guān)的細(xì)胞色素P450(cytochrome P450)和儲存蛋白(hexamerin)等;利用DNA 甲基化和可變剪接進(jìn)行基因調(diào)控，可能參與等級分化調(diào)控。在差異性方面，內(nèi)華達(dá)動白蟻與精子發(fā)生相關(guān)的基因發(fā)生明顯擴(kuò)增，包括SINA (seven-in-absentia)、KELCH10、Kelch_ 1、PKD channel 四個(gè)基因家族，顯示雄性個(gè)體在白蟻中占重要地位;基因組中只發(fā)現(xiàn)少量的嗅覺受體基因，對揮發(fā)性物質(zhì)的辨別能力和同種個(gè)體之間的交流能力上與膜翅目昆蟲存在差異，并可能導(dǎo)致不同的筑巢行為。

另一個(gè)被測定的是高等白蟻納塔爾大白蟻Macrotermes natalensis，為培菌性白蟻，Poulsen 等(2014)對其蟻后進(jìn)行基因組測序，獲得1.3 Gb的基因組信息，是最大的昆蟲基因組之一，測序覆蓋度為69×，獲得16310 個(gè)注釋基因，scaffold的N50 長度為2 Mb，有246 個(gè)保守真核生物基因(Poulsen et al.，2014)。在納塔爾大白蟻中發(fā)現(xiàn)了大量的碳水化合物活性酶 (Carbohydrate-active enzymes，CAZymes)基因片段，包括30297 個(gè)糖苷水解酶(glycoside hydrolases，GH)，11622 個(gè)糖苷轉(zhuǎn)移酶(glycoside transferases，GTs)，4380 個(gè)碳水化合物結(jié)合模塊 (carbohydrate-binding modules，CBMs)，2729 個(gè)碳水化合物酯酶(carbohydrate esterases，CEs)，793 個(gè)多糖裂解酶(polysaccharide lyases，PLs)等，這些數(shù)據(jù)有助于纖維素分解相關(guān)基因的開發(fā)利用。但是與內(nèi)華達(dá)動白蟻相比，納塔爾大白蟻的CAZymes種類有所減少，可能與培菌出現(xiàn)有關(guān)。此外，納塔爾大白蟻基因組中有三個(gè)基因家族的基因數(shù)量與其他昆蟲基因組相比也減少了，分別是酯酶 FE4(esterase FE4)、胰蛋白酶(trypsin)和短鏈脫氫酶/還原酶(short-chain dehydrogenase/reductase)家族，前兩個(gè)家族與消化相關(guān)，最后一個(gè)與營養(yǎng)相關(guān)，這些變化可能與白蟻的取食行為和共生現(xiàn)象相關(guān)。

1.3 白蟻線粒體基因組

線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器，在細(xì)胞新陳代謝、疾病、成熟衰老的過程中起重要作用，是氧化磷酸化及許多重要生化反應(yīng)進(jìn)行的場所。線粒體基因組是獨(dú)立于染色體基因組之外的細(xì)胞器基因組，具有獨(dú)立的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，基因組結(jié)構(gòu)比較簡單，是一個(gè)共價(jià)閉合的雙鏈DNA，核酸序列和組成比較保守，具有很高的專一性、獨(dú)特性，是研究基因組結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化的最佳模型(Boore，1999)。

動物的線粒體基因組(mitochondrial genome)較小，約15 kb-18 kb，已測的節(jié)肢動物中，蜘蛛目的Habronattus oregonensis 線粒體基因組最小，僅14381 bp (Masta and Boore，2004)，而雙翅目黑腹果蠅是最大的線粒體基因組，共19517 bp (Lewis et al.，1995)。目前白蟻已經(jīng)測定7 個(gè)科共69種白蟻線粒體基因組 (GenBank 截止到2015年5月13 日)，長度從14783 bp 到16590 bp (表2)。白蟻?zhàn)嫦闰泱沟木€粒體基因組大小在 14996(Periplaneta)-15553 bp (Eupolyphaga)之間，而白蟻目前已知的線粒體基因組中，14 個(gè)物種比蜚蠊小，33 個(gè)物種比蜚蠊大。

白蟻線粒體基因組為環(huán)狀閉合雙鏈DNA，包含37 個(gè)基因，其中13 個(gè)蛋白編碼基因，22 個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA (tRNA)，2 個(gè)核糖體RNA (rRNA)基因，還有一段較長的非編碼的控制區(qū)或A +T 富含區(qū)，其基因的位置和方向與昆蟲線粒體基因原始排列方式相同(Boore，1999)。

昆蟲線粒體基因組中4種堿基 (A、T、C、G)的組成比例并不均衡，堿基A 和T 的含量高于G 和C，而且大多數(shù)昆蟲線粒體基因組上A 的含量高于T，C 的含量高于G，普遍存在AT 偏斜現(xiàn)象(Wei et al.，2010)。目前報(bào)道的白蟻線粒體基因組的A+T 含量普遍比其他的昆蟲低 (Bonen et al.，2007)，黑胸散白蟻Reticulitermes chinensis的A+T 含量最低，為65.27%，其中蛋白編碼基因的AT 含量為64.09%，控制區(qū)為67.02% (Chen et al.，2014);內(nèi)華達(dá)動白蟻的A+T 含量最高，為69.3%，控制區(qū)的A +T 含量達(dá)到77.7% (Qian，2014)。比較發(fā)現(xiàn)，白蟻A+T 含量減少主要發(fā)生在密碼子的第三位，比螳螂、蜚蠊等降低了約14%，表明在白蟻的沉默位點(diǎn)有較強(qiáng)的向C 和G 突變的壓力(Cameron et al.，2012)。

白蟻 線粒體基因組的控制區(qū)比其它昆蟲復(fù)雜?？刂茀^(qū)中有一系列的稀有基因組改變(Rare genomic changes，RGCs)，其中RGC 1 為莖環(huán)結(jié)構(gòu)，是多細(xì)胞動物線粒體基因組的共同特征，但白蟻的莖長度比螳螂、蜚蠊長(Cameron et al.，2012)，在16 bp(Zootermopsis)-38 bp (Mastotermes)之間，堿基高度保守，發(fā)夾環(huán)大小在11 bp (Schedorhinotermes)-14 bp (Cryptocercus)之間?？刂茀^(qū)中還有復(fù)雜的雙重復(fù)單元(double repeat units)結(jié)構(gòu)，由短重復(fù)單元(type-A)和長重復(fù)單元(type-B)構(gòu)成，還有一段 282 bp 的引導(dǎo)序列 (lead sequence)。Type-A 為186 bp，與rnS 末端相鄰;type-B 為552 bp，包含長發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu)，與trnl 末端相鄰，這種重復(fù)結(jié)構(gòu)在大白蟻Macrotermes、乳白蟻Coptotermes、異白蟻Heterotermes 和散白蟻Reticulitermes 中均有發(fā)現(xiàn)。前三個(gè)屬的重復(fù)形式為一個(gè)完整的type-A、一個(gè)部分的type-A、一個(gè)部分的type-B 和兩個(gè)完整的type-B (A-Ap-Bp-B-B)，而散白蟻為A-A-Ap-Bp-B-B。乳白蟻、異白蟻和散白蟻的Ap-Bp 是重疊的，大白蟻則有13 bp 間隔(Cameron et al.，2012)。除白蟻外，控制區(qū)中存在雙重復(fù)單元的僅有黑腹果蠅，其雙重復(fù)單元之間也是有一段非重復(fù)序列進(jìn)行分隔(Lewis et al.，1994)。

白蟻線粒體的蛋白編碼基因均沒有發(fā)現(xiàn)插入突變，但起始密碼子和終止密碼子在不同物種間存在差異。除了nad1 和nad5，內(nèi)華達(dá)動白蟻以GTG 為起始密碼子，其余蛋白編碼基因在各已測物種中，全部以ATN 為起始密碼子，主要為ATG和ATA，少部分為ATT 和ATC。其中，nad2、cox2、cox3、nad4、nad4l 和cob 的起始密碼子在白蟻種間是保守的，均以ATG 為起始密碼子，同時(shí)，nad2、cox3 和nad4l 的終止密碼子也是保守且完整的，為TAA。后生動物普遍存在不完整終止密碼子的現(xiàn)象，通過轉(zhuǎn)錄后多聚腺苷酸化形成完整的終止密碼子(Bae et al.，2004)，在白蟻中也存在終止密碼子不完整現(xiàn)象，以TA 或T 結(jié)尾，其中cox2 和nad5 在各白蟻中均以T 結(jié)尾。不完整終止密碼子的數(shù)量在不同物種間也存在差異，納塔爾大白蟻和散白蟻屬最少，只有2 個(gè)，黃翅大白蟻Macrotermes barneyi 最多，共6 個(gè)。23 個(gè)tRNA 不同白蟻間長度有差異，二級結(jié)構(gòu)以三葉草形為主，但臺灣乳白蟻Coptotermes formosanus 和散白蟻屬的tRNA-Ser(AGN)缺失了一個(gè)DHU 臂。散白蟻中，tRNA-Ser(AGN)具有較長的可變區(qū)，反密碼子臂的5 個(gè)配對中有2 個(gè)錯(cuò)配，而其它tRNA 最多1 個(gè)錯(cuò)配。雖然大部分兩側(cè)對稱動物的tRNA-Ser(AGN)都缺失DHU 臂，但并未出現(xiàn)散白蟻中的其它特征(Kim et al.，2005，2006)。

2 白蟻轉(zhuǎn)錄組學(xué)

轉(zhuǎn)錄組是指某個(gè)物種、特定細(xì)胞或組織在某一個(gè)發(fā)育階段或功能狀態(tài)下全部轉(zhuǎn)錄表達(dá)出來的RNA 總和，包括編碼蛋白質(zhì)的mRNA 和各種非編碼RNA (rRNA、tRNA、microRNA 等)，代表了每一個(gè)基因在特定組織、生長時(shí)期或生長環(huán)境下的表達(dá)水平，具有特定的空間性和時(shí)間性 (Wang et al.，2009)。因此，利用轉(zhuǎn)錄組信息，能夠從整體水平對基因功能以及基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，揭示特定生物學(xué)過程的分子機(jī)理。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究方法主要有三種:DNA 微陣列(DNA microarray)，以Northern 雜交技術(shù)為基礎(chǔ)(Lockhart et al.，1996);基因表達(dá)系列分析(serial analysis of gene expression，SAGE)，以表達(dá)序列標(biāo)簽(expressed sequence tags，ESTs)測序技術(shù)為基礎(chǔ)(Velculescu et al.，1995);RNA 測序技術(shù)(RNA-seq)，基于新一代DNA 測序技術(shù)(next-generation and sequencing)，利用Roche 454、Illumina 等高通量測序平臺進(jìn)行(Metzker，2010)。前兩種為傳統(tǒng)的研究方法，通過建立cDNA文庫，Sanger 法測序獲得基因，構(gòu)建基因芯片;最后一種是研究模式和非模式生物轉(zhuǎn)錄組的新技術(shù)，高通量檢測特定細(xì)胞或組織中表達(dá)的全部基因及其表達(dá)量，識別基因的可變剪切位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)新的轉(zhuǎn)錄本。

白蟻轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究起步較晚，早期主要采用DNA 微陣列、ESTs 技術(shù)，在美洲散白蟻Reticulitermes flavipes、臺灣乳白蟻、山林原白蟻Hodotermopsis sjostedti、格斯特乳白蟻Coptotermes gestroi 中進(jìn)行了研究，而且ESTs 技術(shù)應(yīng)用更多。

美洲散白蟻的轉(zhuǎn)錄組研究主要關(guān)注品級分化、品級發(fā)育的過程，對各品級和發(fā)育階段的基因表達(dá)情況均進(jìn)行了相關(guān)的比較分析。Scharf 等(2005)比較了若蟻和繁殖蟻的基因表達(dá)差異，鑒定到若蟻中34 個(gè)與個(gè)體發(fā)育相關(guān)的基因。Steller等(2010)比較了3 個(gè)品級(兵蟻、工蟻、繁殖蟻)和2 個(gè)幼蟲階段(早期和晚期)基因表達(dá)的差異，構(gòu)建了5 個(gè)EST 數(shù)據(jù)庫，分別獲得了1637、1787、1639、1136 和792 個(gè)功能基因，發(fā)現(xiàn)繁殖蟻中參與神經(jīng)遞質(zhì)分泌或膽固醇吸收的基因過量表達(dá)，晚期幼蟲中具有連接酶活性并參與蛋白質(zhì)生成的基因過量表達(dá)。Sen 等(2013)對工蟻分別進(jìn)行保幼激素和兵蟻頭部提取物誘導(dǎo)處理，并比較基因的表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)保幼激素和腸道在白蟻品級分化過程中起重要作用。

臺灣乳白蟻的研究，主要是對纖維素酶類進(jìn)行挖掘，對不同品級或發(fā)育階段特異表達(dá)或高表達(dá)的基因進(jìn)行檢測和鑒定。Zhang 等(2012)構(gòu)建了工蟻、兵蟻、若蟻、雌雄繁殖蟻的混合EST 文庫，獲得25939 個(gè)基因，鑒定得到509 個(gè)碳水化合物活性酶，覆蓋了宿主和共生物的纖維素酶。Husseneder 等(2012)構(gòu)建交配前的脫翅雌成蟲和產(chǎn)卵時(shí)的蟻后EST 文庫，得到3436 個(gè)基因，發(fā)現(xiàn)在蟻后中高表達(dá)的主要是與免疫、營養(yǎng)、蛋白儲存、品級分化和生殖相關(guān)的基因，而在雌成蟲中主要是與呼吸作用相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào)。Hussain 等(2013)則在工蟻的轉(zhuǎn)錄組中鑒定到439 個(gè)與免疫相關(guān)的基因。

此外，還在山林原白蟻的體組織(去除消化道)和各消化器官(唾液腺、前腸、中腸和后腸)中進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測序，比較了纖維素酶分解、糖生成、幾丁質(zhì)降解、先天免疫系統(tǒng)、抗菌活性相關(guān)基因在各組織器官中的表達(dá)差異(Yuki et al.，2008);對格斯特乳白蟻的工蟻頭部構(gòu)建EST 文庫，拼接到695 個(gè)基因，其中349 個(gè)基因與公共數(shù)據(jù)庫的序列具有相似性(Leonardo et al.，2011)。

近幾年，研究者開始結(jié)合Illumina、Roche 454 GS Junior、GS FLX Titanium 等高通量測序平臺對多個(gè)研究方向進(jìn)行深入研究，除了對白蟻品級分化的研究外，還涉及品級功能、甲基化、基因多樣性等方面的內(nèi)容。Huang 等(2012)構(gòu)建了首個(gè)黑翅土白蟻Odontotermes formosanus 工蟻的頭部轉(zhuǎn)錄組，組裝得到116885 個(gè)基因，平均長度536 bp，鑒定到7 個(gè)參與品級分化的基因和6 個(gè)攻擊行為相關(guān)的基因，參與品級分化的hexamerin 2、β-glycosidase、bicaudal D 和攻擊相關(guān)的Cyp6a20基因在工蟻、兵蟻和幼蟻中表達(dá)有顯著性差異。Hojo 等 (2012)構(gòu)建了高山象白蟻Nasutitermes takasagoensis 兵蟻額腺的轉(zhuǎn)錄組文庫，對兵蟻的防御能力進(jìn)行研究，共獲得50290 條clean reads，組裝得到1111 條contigs，比對得到774 個(gè)基因，鑒定到7 個(gè)與二萜合成相關(guān)的基因。Hayashi 等(2013)對山林原白蟻、棲北散白蟻Reticulitermes speratus、高山象白蟻各品級、性別、發(fā)育階段的混合樣品進(jìn)行檢測，分別得到了50009、55636、27559 個(gè) isotigs 和 83549、87191、128438 個(gè)singletons，分析白蟻的DNA 甲基化情況，發(fā)現(xiàn)山林原白蟻中有三種甲基轉(zhuǎn)移酶，而另兩種白蟻只有兩種甲基轉(zhuǎn)移酶，顯示白蟻中存在DNA 甲基化現(xiàn)象，并可能參與品級分化的調(diào)控。草地散白蟻Reticulitermes grassei 的轉(zhuǎn)錄組則與野兔、烏龜、牡蠣、被囊動物等進(jìn)行比較，從基因表達(dá)的角度探究脊椎動物和無脊椎動物的種群變化 (Gayral et al.，2013)。

3 白蟻蛋白質(zhì)組學(xué)

蛋白質(zhì)組(Proteome)是指生物個(gè)體、組織或細(xì)胞表達(dá)的蛋白質(zhì)分子總和，即一個(gè)基因組內(nèi)所有基因表達(dá)的全部蛋白質(zhì)，它從整體、動態(tài)、定量的角度分析細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)構(gòu)成、表達(dá)狀況與修飾狀態(tài)，進(jìn)而了解蛋白質(zhì)之間的相互作用與聯(lián)系，揭示蛋白質(zhì)功能與細(xì)胞生命活動的規(guī)律。蛋白質(zhì)組的研究不同于蛋白質(zhì)的研究，它是從大規(guī)模、系統(tǒng)性的角度對大部分甚至所有蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，涉及蛋白質(zhì)的表達(dá)模式、結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)、翻譯后修飾、蛋白質(zhì)胞內(nèi)分布及移位、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用等方面的研究。

蛋白質(zhì)組學(xué)雖然已逐漸成為功能基因組學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但是白蟻蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)展較緩慢，主要應(yīng)用在各種消化酶類的研究，參與纖維素、木質(zhì)素等分解酶類的挖掘，探究其功能、分泌情況等。Sillam-Dussès 等(2012)對15種白蟻的工蟻和兵蟻的唇腺進(jìn)行了SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrophoresis)蛋白質(zhì)圖譜分析，部分白蟻的唇腺蛋白還應(yīng)用MALDI-TOF (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation-Time Of Flight Mass Spectrometry)和GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry)進(jìn)行鑒定，在工蟻唇腺中證實(shí)有對苯二酚(hydroquinone)和纖維素酶的分泌，部分物種的兵蟻和工蟻分泌毒性化合物。Bauwens 等(2012)研究了木質(zhì)素飼養(yǎng)對Reticulitermes santonensis 的影響，通過 LC-MS/MS (Liquid Chromatography Associated With Tandem Mass Spectrometry)技術(shù)檢測后腸內(nèi)含物蛋白質(zhì)組的變化，獲得豐富的蛋白數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)添加木質(zhì)素飼養(yǎng)有助于增強(qiáng)酶分解纖維素的活性。Sethi 等(2013)從轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組水平研究了美洲散白蟻在木質(zhì)纖維素飼養(yǎng)后的基因和蛋白質(zhì)變化，在轉(zhuǎn)錄組中鑒定到9500 個(gè)差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄本，在腸道可溶性蛋白的2D 膠上鑒定到約2000 個(gè)蛋白質(zhì)斑點(diǎn)，并應(yīng)用LC-MS/MS對其中25 個(gè)斑點(diǎn)進(jìn)行鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)解毒酶家族aldo-keto reductases 和catalases 參與了木質(zhì)纖維素的消化過程，而且在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上具有一致性。

此外，蛋白質(zhì)組學(xué)分析還用于鑒定白蟻腸道共生物的多樣性，探究白蟻和共生物之間的相互作用。Burnum 等(2011)利用LC-MS 檢測高等木食性白蟻Nasutitermes corniger 后腸，鑒定到886 個(gè)蛋白質(zhì)，其中197 個(gè)是已知酶類，同時(shí)重新構(gòu)建了更完整的白蟻糖類運(yùn)輸和代謝、氮固定和同化、能量生成、氨基酸合成等代謝通路，并發(fā)現(xiàn)這些酶類的活性不僅與纖維素降解相關(guān)，還參與維持白蟻與共生物的關(guān)系。Bauwens 等(2013)結(jié)合二維凝膠電泳 (Two-Dimensional Gel Electrophoresis，2-DE)、LC-MS/MS 和MALDI-TOF 技術(shù)，在R.santonensis 腸道中檢測到分別屬于真核生物和原核生物的蛋白家族，其中tubulin 蛋白家族最適于鑒定鞭毛蟲類共生物。

4 白蟻代謝組學(xué)

生物體細(xì)胞內(nèi)的生命活動通常都是通過代謝水平表現(xiàn)的，基因和轉(zhuǎn)錄子反映出生物體可能會發(fā)生的變化，蛋白質(zhì)為這些生物學(xué)變化奠定物質(zhì)基礎(chǔ)，而代謝則反映了該生物事件或過程已經(jīng)發(fā)生，并連接基因型和表型，將基因產(chǎn)物和基因關(guān)聯(lián)起來。代謝組(Metabolome)是生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)的動態(tài)整體，代謝組學(xué)(Metabolomics)通過研究這個(gè)動態(tài)整體的內(nèi)因或外因?qū)е碌拇x變化及其變化規(guī)律，檢測代謝物濃度隨時(shí)間的變化，并將這些代謝信息與生物學(xué)事件關(guān)聯(lián)起來，從而了解機(jī)體生命活動的代謝過程。

纖維素和木質(zhì)素的降解過程是白蟻代謝組學(xué)研究的重點(diǎn)之一。例如木質(zhì)素在白蟻腸道中的化學(xué)修飾過程，采用氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS)等技術(shù)分析了Zootermopsis angusticollis、臺灣乳白蟻糞便或腸道中木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的變化，闡明了木質(zhì)素降解過程中的解鏈機(jī)制和中間產(chǎn)物 (Geib et al.，2008;Ke et al.，2011;Ke et al.，2013)。Tokuda 等(2014)則對山林原白蟻工蟻使用同位素標(biāo)記法研究纖維素消化過程中代謝物的時(shí)空變化，通過核磁共振檢測到256 個(gè)信號，其中185 個(gè)信號屬于46種已知的代謝物，并跟蹤這些物質(zhì)在白蟻消化道中的消化、吸收等過程，指出白蟻后腸的細(xì)菌在纖維素消化和氮代謝中起到重要的作用，對纖維糊精或纖維二糖進(jìn)行磷酸分解。此外，白蟻代謝組學(xué)也可應(yīng)用于白蟻品級分化過程中激素等物質(zhì)變化的研究。例如在山林原白蟻中，Cornette 等(2008)應(yīng)用液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(LC/MS)對所有品級進(jìn)行保幼激素滴度的定量分析，發(fā)現(xiàn)兵蟻具有較高的保幼激素滴度，而蛹到有翅型的分化過程中保幼激素滴度都處于低水平。

5 小結(jié)與展望

目前，國內(nèi)外在白蟻基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等方面均已展開研究，并取得了初步進(jìn)展，積累了一定的研究技術(shù)和數(shù)據(jù)信息，為推動白蟻組學(xué)研究邁向更高臺階提供了強(qiáng)有力的支撐，為白蟻生物學(xué)的發(fā)展和白蟻的防治奠定理論基礎(chǔ)。

基因組信息是各組學(xué)的研究基礎(chǔ)，能提供重要的數(shù)據(jù)資源和參考信息，目前白蟻中僅對內(nèi)華達(dá)動白蟻和納塔爾大白蟻進(jìn)行了全基因組測序，探究了白蟻社會性進(jìn)化的分子機(jī)制，挖掘了各種酶類基因資源，而未來將會有更多的白蟻基因組進(jìn)行測序和分析，進(jìn)一步的豐富白蟻基因數(shù)據(jù)，深入認(rèn)識白蟻各種行為和種群進(jìn)化的分子機(jī)制。轉(zhuǎn)錄組方面，目前主要是構(gòu)建無參轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行研究，研究的物種較少，涉及的內(nèi)容不多。未來，利用更豐富的基因組信息，有助于有參轉(zhuǎn)錄組的研究，提高數(shù)據(jù)組裝拼接的準(zhǔn)確性，同時(shí)將RNA-seq 與傳統(tǒng)的基因芯片、表達(dá)定量等方法聯(lián)合使用，能對白蟻進(jìn)行更深層次更多方面的研究，如對不同組織器官、發(fā)育階段或品級的基因表達(dá)量進(jìn)行比較和分析，挖掘白蟻的基因資源，揭示各種生理現(xiàn)象如品級分化、社會性行為等的分子機(jī)制和關(guān)鍵因子，研究的效率和精度也會進(jìn)一步的提高。此外，基于白蟻基因組和轉(zhuǎn)錄組提供的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及測序技術(shù)、色譜技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)等的飛速發(fā)展，蛋白質(zhì)測序及鑒定、代謝物分析等組學(xué)的研究也將會更深入，同時(shí)發(fā)揮各種組學(xué)的優(yōu)勢互補(bǔ)作用，將更準(zhǔn)確的揭示基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控狀態(tài)和功能，探究白蟻與共生物之間的相互作用、纖維素分解等重要生命活動的過程，從各個(gè)層面更全面的揭示白蟻各種生物現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理和規(guī)律。

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