白背飛虱幾丁質(zhì)合成酶1基因的結(jié)構(gòu)及特性研究

陳靜 張道偉 錢正敏

（1. 遵義醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，遵義 563000；2. 遵義師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，遵義 563002）

幾丁質(zhì)是一種在真菌、甲殼動物及節(jié)肢動物中廣泛存在的多糖類生物高分子，是昆蟲氣管、表皮、圍食膜等組織的重要組成部分，在對昆蟲內(nèi)部組織器官的保護和抵抗外源生物的侵染中發(fā)揮著非常重要的作用［1-3］。幾丁質(zhì)的合成和降解是昆蟲生長發(fā)育的重要過程，所以也成為害蟲控制的理想靶標(biāo)。幾丁質(zhì)對昆蟲具有保護作用，但同時也限制了昆蟲的生長，所以當(dāng)昆蟲成長到一定階段時，就需要蛻去舊表皮，合成更大的新表皮，以適應(yīng)昆蟲的生長。而新表皮的合成就是由幾丁質(zhì)合成酶（Chitin synthase，CHS）等酶系催化合成新的幾丁質(zhì)到新的表皮中。

CHS是幾丁質(zhì)合成的關(guān)鍵酶之一。理論分子量為160-180 kD，是糖基轉(zhuǎn)移酶家族成員［4-5］。通過對不同種昆蟲的CHS蛋白序列進行比對，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CHS有3個相對保守的結(jié)構(gòu)域：結(jié)構(gòu)域A、B、C。結(jié)構(gòu)域A位于CHS的N端，是一段跨膜螺旋結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)域B位于CHS的活性中心，含有2個保守的氨基酸組成EDR和QRRRW；結(jié)構(gòu)域C位于CHS的C端，包含一段相對保守的氨基酸序列和7個跨膜螺旋，這個區(qū)域被認(rèn)為參與對幾丁質(zhì)合成的調(diào)控。在大多數(shù)昆蟲中存在兩個CHS：CHS1和CHS2，這兩個CHS被認(rèn)為參與不同組織器官的幾丁質(zhì)合成。其中，CHS1主要參與表皮和氣管中幾丁質(zhì)的合成，CHS2主要參與圍食膜中幾丁質(zhì)的合成。另外，有研究發(fā)現(xiàn)在岡比亞按蚊Anopheles gambiae的復(fù)眼中可以檢測到CHS1和CHS2基因的表達。赤擬谷盜中可以檢測到CHS1基因主要在卵和蛹期中表達［6-7］。對不同種昆蟲中CHS基因的結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)昆蟲的CHS1基因存在一個可變剪接的外顯子，而CHS2基因中沒有發(fā)現(xiàn)可變剪接的現(xiàn)象。CHS基因的序列在多種昆蟲中已被陸續(xù)獲得，如銅綠蠅（Lucilia cuprina）、埃及伊蚊（Aedes aegypti）、果蠅（Drosophila melanogaster）、赤擬谷盜（Tribolium castaneum）、甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）、岡比亞按蚊（A.gambiae）等，但是還有待于更深層次的研究［8］。RNA干擾（RNAi，RNA interference）技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于基因功能研究中。利用RNAi技術(shù)研究CHS1基因?qū)|亞飛蝗（Locusta migratoria manilensis）生長發(fā)育的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沉默CHS1的可變外顯子a會導(dǎo)致東亞飛蝗發(fā)育遲緩，蛻皮障礙，而沉默CHS1的可變外顯子b會引起腿部畸形［9］。

白背飛虱隸屬同翅目飛虱科，是危害我國水稻正常生長的主要害蟲之一［10］。白背飛虱除了自身刺吸水稻汁液外，還會傳播水稻病毒，給水稻的生產(chǎn)帶來毀滅性的災(zāi)難［11-12］。本研究基于白背飛虱的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)獲得了白背飛虱CHS1基因的全長序列，對該基因序列的兩個可變外顯子進行了分析并探究了白背飛虱中CHS1基因在各齡期發(fā)育階段及各組織器官中的表達水平。通過顯微注射的方法對白背飛虱的CHS1基因進行了RNAi實驗。通過上述研究，旨為闡明CHS1基因在白背飛虱中的生理作用，為利用CHS1基因治理白背飛虱奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗材料 白背飛虱由本實驗室飼養(yǎng)于人工氣候室無任何處理的水稻上。飼養(yǎng)條件：（27±1）℃，相對濕度70%，光周期16L∶8D。

1.1.2 試劑 PCR相關(guān)試劑，反轉(zhuǎn)錄RT-PCR相關(guān)試劑，熒光定量PCR相關(guān)試劑，克隆載體pMD-18T，DNA分子量標(biāo)準(zhǔn)Marker均購自TAKARA公司；動物RNA提取試劑盒，膠回收試劑盒、質(zhì)?；厥赵噭┖匈徸员本┨旄?；大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞DH5α購自北京全式金公司；dsRNA合成試劑盒T7 RiboMax Express RNAi System購自Promega公司；引物合成及序列測定由上海生工公司完成，其它常規(guī)試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 方法

1.2.1 白背飛虱CHS1基因的獲得 通過對本課題組前期獲得的白背飛虱轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分析，得到白背飛虱CHS1基因。根據(jù)這段序列設(shè)計全長擴增的驗證引物SfCHS1-F和SfCHS1-R（引物序列見表1）。PCR擴增程序：94℃預(yù)變性5 min，94℃變性30 s，56℃退火30 s，72℃延伸5 min，35個循環(huán)，72℃延伸10 min。擴增產(chǎn)物經(jīng)凝膠回收后與pMD-18T載體連接，轉(zhuǎn)化感受態(tài)細(xì)胞DH5α，菌落PCR鑒定正確后進行測序。

1.2.2 白背飛虱CHS1基因可變剪接的驗證 根據(jù)已有研究報道，昆蟲CHS1基因存在可變剪接現(xiàn)象，所以我們對比了不同昆蟲CHS1基因可變剪接出現(xiàn)的位置，在可變剪接位點附近設(shè)計了引物SfCHS1-YZF和SfCHS1-YZR（表1）進行驗證。PCR擴增程序：94℃預(yù)變性5 min；94℃變性30 s，56℃退火30 s，72℃延伸 1 min，35個循環(huán)；72℃延伸 10 min。擴增產(chǎn)物經(jīng)凝膠回收后與pMD-18T載體連接，轉(zhuǎn)化感受態(tài)細(xì)胞DH5α，菌落PCR鑒定正確后進行測序。

表1 本實驗所用的引物

1.2.3 白背飛虱CHS1基因的時空表達特異性檢測 取4齡1-3 d，5齡1-3 d的白背飛虱若蟲，羽化1 d和2 d的白背飛虱成蟲，分別用RNA提取試劑盒進行RNA的提取及反轉(zhuǎn)錄。采用實時熒光定量PCR技術(shù)檢測SfCHS1基因在白背飛虱4齡到成蟲各蟲期的表達情況。

取5齡1 d的白背飛虱若蟲，CO2麻醉后于冰上解剖出表皮、氣管和腸。分別用RNA提取試劑盒進行RNA的提取及反轉(zhuǎn)錄。采用實時熒光定量PCR技術(shù)檢測SfCHS1基因在白背飛虱表皮，氣管，腸中表達情況。用于檢測SfCHS1基因時空表達特異性的引物為：SfCHS1-YGF和SfCHS1-YGR（表1）。以白背飛虱β-actin基因為內(nèi)參進行熒光定量PCR，檢測引物為β-actin-YGF和β-actin-YGR。熒光定量PCR反應(yīng)體系：SYBR（2×）5 μL，cDNA 模板 1 μL，上、下游引物各 0.2 μL，ddH2O 3.6 μL。反應(yīng)條件為 ：95℃預(yù)變性10 s，95℃變性5 s，60℃延伸30 s，35

個循環(huán)。每個樣品重復(fù)3次測定。

1.2.4 顯微注射RNAi實驗 設(shè)計用于合成SfCHS1基因dsRNA的引物SfCHS1-dsRNA-F和SfCHS1-dsRNA-R及陰性對照綠色熒光蛋白GFP基因的引物 GFP-dsRNA-F 和 GFP-dsRNA-R（ 表 1）， 按 照dsRNA合成試劑盒的說明進行SfCHS1基因及GFP基因dsRNA的合成，用微量注射儀（Eppendorf公司）將dsRNA導(dǎo)入白背飛虱5齡1 d的若蟲體內(nèi)（10 ng/頭，注射方法參照文獻［12］），以無關(guān)dsRNA-GFP作為對照，采用實時熒光定量PCR方法檢測SfCHS1基因的相對表達量。

1.2.5 序列及數(shù)據(jù)分析 引物設(shè)計采用Primer 5軟件，測序結(jié)果用DNAMAN軟件進行拼接，SfCHS1基因開放閱讀框分析采用DNAstar軟件。氨基酸序列同源比對采用BLASTx程序，蛋白系統(tǒng)進化樹構(gòu)建采用MEGA 7.0 軟件，以Neighbor-joining算法進行分析，蛋白分子量及等電點預(yù)測采用在線軟件（http://www.expasy.org），糖基化位點預(yù)測采用在線軟件（http://www.cbs.dtu.dk/services/NetNGlyc/）， 數(shù) 據(jù)的統(tǒng)計分析采用SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果

2.1 白背飛虱CHS1基因的序列驗證及分析

通過對轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)的分析及全長擴增驗證，獲得了白背飛虱SfCHS1基因全長序列（GenBank登陸號：KY987034.1）。SfCHS1基因開放閱讀框ORF長4 719 bp，編碼1 572個氨基酸。預(yù)測蛋白的分子量為180.6 kD，等電點為6.72。預(yù)測有6個N-糖基 化 位 點（18-21：NFSD；425-428：NLTI；917-920：NISL；956-959：NWTS；1 289-1 292：NSSV；1 327-1 330：NISY），有16個跨膜螺旋結(jié)構(gòu)。根據(jù)已有研究報道，昆蟲CHS1基因存在可變剪接現(xiàn)象，所以對比了不同昆蟲CHS1基因可變剪接出現(xiàn)的位置，在可變剪接位點附近設(shè)計了引物，然后通過PCR擴增和測序，獲得了白背飛虱幾丁質(zhì)合成酶1的兩個可變外顯子SfCHS1a和SfCHS1b，兩個外顯子區(qū)共有54個核苷酸和13個氨基酸的差異（圖1）?？勺兺怙@子包含一個跨膜區(qū)段。

圖1 白背飛虱SfCHS1基因兩個可變外顯子的核苷酸和蛋白序列比對結(jié)果

2.2 白背飛虱CHS1基因的進化樹分析

利用Mega 7軟件將白背飛虱CHS1基因的蛋白序列與其它昆蟲的CHS1基因的蛋白序列進行進化樹分析，結(jié)果（圖2）發(fā)現(xiàn)白背飛虱的CHS1基因與同為同翅目飛虱科的灰飛虱（L striatellus）及褐飛虱（N. lugens）的親緣關(guān)系最近，達到97%。這個結(jié)果與Vector NTI軟件分析出的白背飛虱CHS1蛋白序列與其他昆蟲的CHS1蛋白序列比對的結(jié)果一致。

2.3 白背飛虱CHS1基因的時間表達特性

選取4齡1-3 d，5齡1-3 d，成蟲1-2 d共8個時間點對SfCHS1基因的表達進行了分析，結(jié)果（圖3）發(fā)現(xiàn)SfCHS1基因在4齡和5齡期的第1天，也即蛻皮完成后，合成新的表皮時表達量最高，在表皮合成后的幾天快速下降，在成蟲期的第1天也會上升，而后逐漸下降。在4齡和5齡期的最后1 d，SfCHS1基因的表達量最低。

2.4 白背飛虱CHS1基因的組織表達特異性

選取5齡1 d的白背飛虱若蟲解剖后進行組織特異性表達檢測。定量PCR檢測結(jié)果（圖4）表明，白背飛虱的CHS1基因主要在表皮中大量表達，相對表達量為25，其次為氣管，相對表達量為7.8，在腸中也有少量表達，相對表達量為2.5。

圖2 CHS1蛋白的進化樹分析

圖3 定量PCR檢測SfCHS1 mRNA發(fā)育表達模式

2.5 顯微注射RNAi后CHS1基因的表達分析

選取5齡1 d的白背飛虱若蟲，用顯微注射儀將SfCHS1基因的dsRNA（10 ng/頭）導(dǎo)入白背飛虱體內(nèi)，在注射后的24 h和 48 h分別檢測SfCHS1基因的表達量。結(jié)果如圖5所示，在注射SfCHS1基因dsRNA后的24 h，即可檢測到SfCHS1基因的表達量出現(xiàn)顯著下降，為對照組表達量的40%，注射48 h后，SfCHS1基因的表達量僅為對照的9%，均存在極顯著差異（P＜0.01，t-test）。

圖4 SfCHS1基因在不同組織中的相對表達量

2.6 顯微注射RNAi后白背飛虱的存活率

選取5齡1 d的白背飛虱若蟲，用顯微注射儀將SfCHS1基因及GFP基因的dsRNA（10 ng/頭）導(dǎo)入白背飛虱體內(nèi)（每組20頭蟲，3組重復(fù)），在注射后的24 h、48 h、72 h、96 h分別統(tǒng)計白背飛虱的存活率。結(jié)果如圖6所示，CHS1基因干擾后對白背飛虱的存活率有極大的影響，注射48 h后，存活率與對照相比，有極顯著性差異（P＜0.01，t-test），為對照的0.6倍，注射72 h后，存活率為對照的0.3倍，注射96 h后，存活率為對照的0.13倍。

圖5 RNAi后SfCHS1基因的相對表達量

圖6 RNAi后白背飛虱的存活率

3 討論

昆蟲在生長發(fā)育的過程中要經(jīng)歷舊表皮的蛻去和新表皮的生長，而幾丁質(zhì)作為昆蟲表皮的主要成分，其合成和分解也是被嚴(yán)格調(diào)控的。在幾丁質(zhì)合成的過程中，CHS扮演著非常重要的作用，是幾丁質(zhì)合成的關(guān)鍵酶。通過本課題組前期的白背飛虱轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，獲得了白背飛虱CHS1基因的全長序列。目前，研究發(fā)現(xiàn)在很多昆蟲中CHS1基因存在可變剪接的現(xiàn)象，如岡比亞按蚊、赤擬谷盜、桔小實蠅、褐飛虱等［13-17］。為了探究白背飛虱中是否也存在這樣的可變剪接，對比了白背飛虱和褐飛虱的CHS1基因序列，在可能出現(xiàn)可變剪接的位置設(shè)計了引物進行序列的擴增和測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在白背飛虱中也是存在兩個可變外顯子。利用進化樹分析軟件Mega 7分析白背飛虱與其它昆蟲CHS1蛋白的進化關(guān)系，結(jié)果顯示白背飛虱CHS1蛋白與同為同翅目的昆蟲親緣關(guān)系較近，聚為一小支，其中，又與飛虱科的褐飛虱及灰飛虱的關(guān)系最近。進化樹分析的結(jié)果在一定程度上反映了CHS1蛋白的進化歷程，為后續(xù)CHS1基因功能的研究奠定基礎(chǔ)。然后采用熒光定量PCR的方法對白背飛虱CHS1基因在8個不同的時間點的mRNA表達量進行了檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CHS1基因存在明顯的時間表達特異性，在白背飛虱若蟲4齡和5齡期的第1天表達量最高，隨即快速下降，在成蟲期的第1天也會上升，而后逐漸下降。這一結(jié)果表明在每個齡期初始，即需要大量幾丁質(zhì)參與表皮形成時，參與幾丁質(zhì)合成的CHS1基因的mRNA表達量會快速升高，而在每個齡期的最后1 d，即蛻皮開始時，表達量是最低的。同樣，采用熒光定量PCR的方法，我們檢測了CHS1基因在白背飛虱3個組織器官中mRNA的表達水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CHS1基因在檢測的3個組織即表皮、氣管和中腸中都有表達，但是表達量存在極顯著差異。其中，在表皮中的表達量最高。應(yīng)該是在表皮合成的過程中，需要大量幾丁質(zhì)的原因。另外，幾丁質(zhì)也是氣管的重要組成部分，所以在氣管中也檢測到了CHS1基因的表達，只是表達量顯著低于表皮中。在中腸中也檢測到了CHS1基因的少量表達，推測可能是在中腸中有含有幾丁質(zhì)的組織，也有可能是解剖中腸的時候，上面粘黏了氣管組織。

目前，褐飛虱已成為我國水稻上的首要害蟲，而殺蟲劑大規(guī)模使用帶來的害蟲抗藥性和對環(huán)境的污染使無害防治理念逐漸形成。目前，利用RNAi技術(shù)防治褐飛虱的研究報道已有很多，像通過飼喂法RNAi技術(shù)研究海藻糖合成酶的功能［18］，構(gòu)建RNAi載體轉(zhuǎn)化水稻研究特定基因的功能等［19］。而RNAi轉(zhuǎn)基因水稻將有可能成為防治褐飛虱的潛在方法。在本實驗中，通過注射法RNAi干擾檢測SfCHS1基因在mRNA表達水平上的沉默效果。結(jié)果顯示，注射較低劑量（10 ng/頭）的雙鏈RNA即可產(chǎn)生較好的干擾效果，顯著降低SfCHS1基因的表達及產(chǎn)生明顯的死亡表型。通過本研究對SfCHS1基因的干擾研究，為探究其功能和作用機理奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究通過前期對白背飛虱進行了轉(zhuǎn)錄組的測序和數(shù)據(jù)分析，獲得了白背飛虱幾丁質(zhì)合成酶1基因 SfCHS1的cDNA全長序列。SfCHS1基因開放閱讀框為4 719 bp，編碼1 572個氨基酸。PCR擴增及測序結(jié)果表明SfCHS1基因存在兩個可變剪切，產(chǎn)生兩個轉(zhuǎn)錄本（CHS1a和CHS1b）。時間表達特異性分析結(jié)果表明，SfCHS1在每個齡期的第1天即幾丁質(zhì)合成時的表達量最高。組織特異性檢測結(jié)果表明，SfCHS1主要在白背飛虱的表皮中表達，其次為氣管，在中腸中也有少量表達。顯微注射RNAi的結(jié)果表明該方法能顯著降低SfCHS1基因的轉(zhuǎn)錄水平，達到良好的RNAi效果并產(chǎn)生顯著的死亡表型。

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