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    長足大竹象信息素結(jié)合蛋白CbuqPBP1克隆和表達分析

    2018-05-02 01:54:24楊春平周學(xué)莉李一平
    關(guān)鍵詞:大竹雄蟲觸角

    楊 樺,蘇 婷,楊 偉*,楊春平,周學(xué)莉,李一平

    (四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/四川省林業(yè)生態(tài)工程省級重點實驗室,成都 611130;2.綿陽市林業(yè)局,四川綿陽 621000)

    昆蟲氣味結(jié)合蛋白(odorant binding proteins,OBPs)是存在于觸角感器淋巴液中的一類水溶性蛋白質(zhì),它與進入感器內(nèi)的氣味分子相結(jié)合,并攜帶脂溶性化合物穿過親水的淋巴液,送到嗅覺神經(jīng)末梢[1]。而昆蟲信息素結(jié)合蛋白(pheromone binding proteins,PBPs)屬于氣味結(jié)合蛋白中的一種,它能特異的與信息素結(jié)合,在昆蟲尋偶、交配等行為中起著關(guān)鍵作用[2]。存在于嗅覺感器腔內(nèi)的信息素結(jié)合蛋白能識別并攜帶進入感器腔的特定信息素分子到達嗅覺神經(jīng)元樹突膜上的氣味受體[3-4]。自從R.G.Vogt和L.M.Riddiford[5]在多音天蠶蛾Antheraea polyphemus雄蟲觸角中發(fā)現(xiàn)第一個PBPs以來,經(jīng)眾多學(xué)者的探索,陸續(xù)在鱗翅目Lepidoptera、蜚蠊目Blattodea、鞘翅目Coleoptera、膜翅目Hymenoptera等多個目幾十種昆蟲觸角中發(fā)現(xiàn)PBPs,如蛀莖夜蛾Sesamia nonagrioides[6]、家蠶 Bombyx mori[7]、斜紋夜蛾 Spodoptera litura[8]、甜菜夜蛾 Spodoptera exigua[9]、馬德拉蜚蠊Leucophea maderea[10]、黑腹果蠅Drosophilamelanogaster[11]、意大利蜜蜂 Apis mellifera[12]、古銅異麗金龜Anomala cuprea[13]和東方銅綠金龜Exomala orientalis[14]等,這些基因包括 PBP1、PBP2 和 PBP3,其編碼的氨基酸序列同源性在32%~92%之間[15]。

    長足大竹象Cyrtotrachelus buqueti Guerin-Meneville,又名竹橫錐大象,屬鞘翅目Coleoptera象蟲科Curculionidea彎頸象屬Cyrtotrachelus,廣泛分布于我國的四川、重慶、廣西、廣東、貴州、上海、江西等地以及越南、緬甸、泰國等東南亞國家[16-18]。長足大竹象寄主廣泛,危害箣竹屬Bambusa、綠竹屬Dendrocalamopsis、牡竹屬Dendrocalamus等28個竹種的竹筍,其幼蟲尤其喜歡蛀食楠竹Phyllostachys pubescens、慈竹 Neosinocalamus affinis、青皮竹 Bambuusa textiles、撐蒿竹 Bambusa pervariabilis、綠竹 Bambusa oldhamii等叢生竹的竹筍,是一種幼蟲生長速度快、隱蔽性強的蛀食性竹林害蟲[19-20]。一年中有11個月生活在土壤中,在地上的1個月中,約15 d生活在竹筍內(nèi)[21]。長足大竹象氣味結(jié)合蛋白相關(guān)研究目前未見報道,因此,本研究依據(jù)長足大竹象轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)設(shè)計引物,克隆長足大竹PBPs基因,并采用定量PCR方法檢測了該基因在不同蟲態(tài)和雄蟲不同組織中的表達水平,以期為進一步研究該基因的功能奠定理論基礎(chǔ)。

    1 材料和方法

    1.1 材料

    供試蟲源:在2016年7月中下旬和8月中旬長足大竹象成蟲出土盛期和幼蟲期,于四川省蘆山縣思延鄉(xiāng)銅頭村(102°91′N,30°13′E)慈竹林采集剛羽化出土未交配成蟲與幼蟲,逐頭分裝于筒形牙簽盒內(nèi)(直徑5 cm,高10 cm)。帶回實驗室,對雌、雄成蟲、幼蟲(混合齡級)以及雄蟲的觸角、頭部(去觸角)、胸部、腹部、足分別收集后,立即放入液氮中快速冷凍,并置于-80℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

    試劑:MiniBEST Universal RNA Extraction Kit、PrimeScriptTM RT reagent Kit(Perfect Real Time)、pMDTM19-T Vector Cloning Kit、MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit Ver.4.0、DNAmark DL2000,日本TaKaRa公司;Taq PCR MasterMix、大腸桿菌Escherichia coli DH5α感受態(tài)細胞、氨芐青霉素、50×TAE緩沖液,天根生化科技(北京)有限公司;實時熒光定量試劑盒及其它相關(guān)試劑,寶生物工程(大連)有限公司。

    儀器:ABI step one plus熒光定量PCR儀、NANODROP RNA質(zhì)量檢測儀,美國ABI公司;PTC200 PCR擴增儀、GelDocXR凝膠成像系統(tǒng)、電泳儀,美國伯樂(Bio-Rad)生命醫(yī)學(xué)產(chǎn)品(美國)有限公司;DU800紫外分光光度計,BeckmanCoulter(美國)公司。

    1.2 方法

    1.2.1 總RNA的提取與cDNA第一鏈的合成

    取長足大竹象雄成蟲觸角10對,液氮研磨后按照TaKaRa MiniBEST Universal RNA Extraction Kit說明書提取觸角總RNA,最后溶于50 μL去RNA降解酶水中,置于-80°C保存?zhèn)溆谩?/p>

    按照PrimeScriptTM RT reagent Kit說明書操作流程,往 PCR 管中加入 2 μL 5×PrimeScript?Buffer、0.5 μL PrimeScript?RT Enzyme Mix I、0.5 μL Oligo dT Primer(50 μmol/L)、0.5 μLRandom6mers(100 μmol/L)、4.5 μL RNase Free dH2O,最后加入 2 μL total RNA。將上述混合物于PCR儀中逆轉(zhuǎn)錄合成第一鏈cDNA:37°C 保溫 15 min,85 ℃失活 5 s,4 ℃保持,反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物置于-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

    1.2.2 PCR擴增cDNA片段

    根據(jù)長足大竹象轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)(GenBank登錄號:SAMN06176790)設(shè)計特異性引物(表1)。PCR反應(yīng)體系為 25 μL:1 μL 反轉(zhuǎn)錄第一鏈 cDNA、2 μL 上下游引物、9.5 μL ddH2O、12.5 μL Premix Taq。PCR 反應(yīng)條件:94℃預(yù)變性4 min,94℃C變性30 s,41.3℃退火30 s,72℃延伸30 s,35個循環(huán),72℃延伸7 min,4℃保持。精確吸取5 μL PCR產(chǎn)物,在1%瓊脂糖凝膠上進行電泳,6×loading buffer染色,凝膠成像系統(tǒng)拍照。

    表1 本研究所用的引物序列Table 1 Primer sequences used in this study

    1.2.3 PBP基因的克隆

    PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳后,按照TaKaRa MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit Ver.4.0說明書的操作步驟進行膠回收,參照pMDTM19-T Vector說明書,配制10 μL 反應(yīng)體系:1 μL pMDTM19-T Vector,2 μL 膠回收產(chǎn)物,2 μL ddH2O,5 μL SolutionⅠ。PCR儀里16℃反應(yīng)30 min。連接產(chǎn)物采用熱擊法轉(zhuǎn)化Escherichia.coli DH5α感受態(tài)細胞,在含有氨芐青霉素的固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)過夜,經(jīng)藍白斑篩選,挑取8個白色單菌落進行菌落PCR(反應(yīng)體系及條件同上)鑒定,鑒定為陽性克隆的樣品送成都擎科梓熙生物技術(shù)有限公司測序。

    1.2.4 序列分析

    將獲得的序列在NCBI中進行BLAST同源性檢索,利用ORF Finder查找開放閱讀框。使用SignaIP進行信號肽預(yù)測,TMHMM進行跨膜區(qū)預(yù)測,ExPASy-ProtScale進行親脂性分析,compute pI/Mw預(yù)測蛋白質(zhì)的等電點及質(zhì)量,并通過BLAST分析推導(dǎo)氨基酸序列。從NCBI查閱昆蟲PBP氨基酸序列,通過Clustalx及MEGA 5.0建立系統(tǒng)進化樹,采用Bootstrap值檢驗系統(tǒng)數(shù)的置信度,各重復(fù)1 000次。

    1.2.5 長足大竹象CbuqPBP1基因的相對表達量分析

    取雌、雄成蟲、幼蟲(混合齡級)以及成蟲的觸角、頭部(去觸角)、胸部、腹部、足各10 mg,分別提取總RNA,取2 μg RNA反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA,每個蟲態(tài)和組織設(shè)3次重復(fù)。根據(jù)長足大竹象PBP基因(GenBank登錄號:KU845733)設(shè)計特異性引物,并根據(jù)長足大竹象轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)(GenBank登錄號:SAMN06176790)設(shè)計內(nèi)參基因引物,每個樣品重復(fù)3次(表1)。采用SYBR Green I染料法進行實時熒光定量 PCR,20 μL 反應(yīng)體系為:2×YBR?Premix Ex Taq II 10 μL、10 μmol/L 上下游引物各 1 μL、cDNA模板 1 μL、ddH2O 7 μL。反應(yīng)條件為:95 ℃預(yù)變性40 s,95 ℃變性 10 s,57 ℃退火 10 s,72 ℃延伸 20 s,45個循環(huán)。

    1.3 數(shù)據(jù)分析

    長足大竹象PBP基因的相對表達量采用2-ΔΔCT方法計算[22]。采用SPSS 20.0軟件進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,用Duncan氏新復(fù)極差法進行差異顯著性檢驗。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 長足大竹象CbuqPBP1基因序列分析

    根據(jù)長足大竹象轉(zhuǎn)錄組結(jié)果設(shè)計引物,提取長足大竹象成蟲觸角總RNA,用紫外分光光度計測定所提取總RNA純度,OD260/OD280為1.9,反轉(zhuǎn)錄為cDNA后,以長足大竹象觸角的cDNA為模板,進行PCR擴增,得到530 bp左右的特異性條帶,基因長度與PBP/GOBP family相符。在NCBI上經(jīng)BLAST分析,發(fā)現(xiàn)此序列與鞘翅目的金龜類昆蟲PBPs一致性較高,證明獲得的序列為長足大竹象性信息素結(jié)合蛋白基因命名為CbuqPBP1(GenBank登錄號:KU845733.1)。

    CbuqPBP1進行ORF預(yù)測,結(jié)果表明,CbuqPBP1基因包含1個長為432 bp的開放閱讀框,編碼143個氨基酸殘基,其中前17個氨基酸殘基為預(yù)測的信號肽,預(yù)測蛋白分子量為15.84 kDa,等電點為4.60,含有6個保守的半胱氨酸位點,具有昆蟲PBP一級結(jié)構(gòu)的典型特征,CbuqPBP1基因核苷酸序列和推導(dǎo)的氨基酸序列見圖1。

    圖1 長足大竹象CbuqPBP1核苷酸序列及推導(dǎo)的氨基酸序列Figure 1 Nucleotide and putative amino acid sequences of CbuqPBP1 gene from Cyrtotrachelus buqueti

    將推定的CbuqPBP1氨基酸序列在TMHMM在線預(yù)測網(wǎng)站上預(yù)測發(fā)現(xiàn)該蛋白沒有跨膜區(qū)(圖2),推測該蛋白為分泌蛋白。用J.Kyte和R.F.Doolittle[23]的方法對CbuqPBP1氨基酸序列進行親脂性分析,發(fā)現(xiàn)CbuqPBP1氨基酸序列中含有較多的親脂性氨基酸,以第70-80位和第120-140位的親脂性較強,推測其可能是CbuqPBP1與脂溶性氣味物質(zhì)的結(jié)合位點(圖3)。

    2.2 長足大竹象CbuqPBP1系統(tǒng)發(fā)育分析

    氨基酸序列相似性分析表明,CbuqPBP1與鞘翅目和鱗翅目17種昆蟲的27個PBPs相似性為37.68%。其中,與鞘翅目和鱗翅目昆蟲相似性分別為38.47%和52.39%(圖4)。應(yīng)用MEGA 5.0通過鄰接法對27個PBPs序列運算1 000次獲得系統(tǒng)進化樹表明,昆蟲PBPs以目聚類的趨勢明顯,主要分為鱗翅目和鞘翅目兩大分支(圖5)。目以下分支中,長足大竹象與紅銅麗金龜Anomala rufocuprea的ArufPBP2和ArufPBP3在一個亞分支上,說明PBPs聚類結(jié)果能較好的反映昆蟲間的親緣關(guān)系。

    圖2 長足大竹象CbuqPBP1跨膜區(qū)預(yù)測Figure 2 Predicted transmembrane segment of CbuqPBP1 from Cyrtotrachelus buqueti

    圖3 長足大竹象CbuqPBP1氨基酸親脂性分析Figure 3 Predicted hydropathy profiles for the amino acid sequences of CbuqPBP1 from Cyrtotrachelus buqueti

    2.3 長足大竹象CbuqPBP1表達分析

    長足大竹象不同蟲態(tài)和不同組織中的CbuqPBP1相對表達量見圖6。不同蟲態(tài)體內(nèi)CbuqPBP1的表達存在差異,雄蟲體內(nèi)的表達量最高,是雌蟲表達量的5倍,而幼蟲體內(nèi)的表達量最低,為雄蟲表達量的1/100。

    在雄蟲各組織部位中,CbuqPBP1在觸角中的表達量最高,是頭部和胸部表達量的41.2倍和114倍,而在腹部和足上幾乎不表達。

    3 討論

    圖4 長足大竹象與其他昆蟲的信息素結(jié)合蛋白氨基酸序列多重比對Figure 4 Alignment of the amino acid sequences of PBPs from Cyrtotrachelus buqueti and other insects

    本文利用RT-PCR和TA技術(shù),首次克隆出長足大竹象一個信息素結(jié)合蛋白基因CbuqPBP1。該基因具有昆蟲PBPs典型特征,有一個N-末端保守信號肽,具有6個保守的半胱氨酸殘基,可用Cys1-X26-Cys2-X3-Cys3-X42-Cys4-X10-Cys5-X8-Cys6表示,符合Xu Y.L.等[24]鑒別鱗翅目昆蟲PBPs的經(jīng)典模式(Cys1-X25-Cys2-X3-Cys3-X36-Cys4-X8-14-Cys5-X8-Cys6)。根據(jù) J.Kyte 和 R.F.Doolittle[23]的方法對氨基酸序列進行親脂性分析,發(fā)現(xiàn)CbuqPBP1有多個較強的親脂性區(qū)域,與已報道的苜蓿盲蝽Adelphocoris lineolatus AlinOBP1[25]和桃蛀螟Conogethes punctiferalis CpunPBP1[26]的親脂性區(qū)域相似,推測該區(qū)域可能是脂溶性氣味分子的結(jié)合位點。同源性比較分析表明,CbuqPBP1與紅銅麗金龜ArufPBP2和ArufPBP3相似性較高,且聚在同一分支上,推測這3個基因來源同一個祖先基因,由于在長期進化過程中對不同類型環(huán)境化學(xué)因子刺激的適應(yīng)和進化使其產(chǎn)生了分化,在不同物種間行使相同或某些類似的功能[27]。

    圖5 長足大竹象與其他昆蟲PBPs氨基酸的系統(tǒng)發(fā)育樹Figure 5 Phylogenetic tree of PBPs from Cyrtotrachelus buqueti and other insects based on amino acid sequences

    圖6 長足大竹象不同蟲態(tài)和雄蟲不同組織中CbuqPBP1的相對表達水平Figure 6 Relative expression levels of CbuqPBP1 in bodies at different instars and different tissues male of Cyrtotrachelus buqueti

    本研究中,CbuqPBP1在長足大竹象成蟲階段的表達量最高,幼蟲期微量表達,說明該基因在成蟲求偶過程中起著非常關(guān)鍵的作用。M.Laue和R.A.Steinbrecht[28]與 R.G.Vogt和 L.M.Riddiford[5]研究認(rèn)為PBPs只在雄蟲體內(nèi)特異性表達,而后來的研究發(fā)現(xiàn)如馬德拉蜚蠊[29]、斜紋夜蛾[8]、煙草夜蛾Heliothis assulta[30]、綠盲蝽 Apolygus lucorum[31]等昆蟲的 PBPs不僅在雄蟲體內(nèi)表達,在雌蟲體內(nèi)也有表達。這可能是雌蟲體內(nèi)的PBPs也能夠識別自身的信息素,或者至少能夠識別自身信息素復(fù)合物的某些成分[32]。本研究發(fā)現(xiàn),CbuqPBP1在雄蟲腹部和足上不表達,在觸角、頭部(去觸角)和胸部上均有表達,且在觸角上的表達量最高。張升祥[33]發(fā)現(xiàn)BmPBP1在家蠶所有組織中均有表達,BmPBP2和BmPBP3在翅和胸足有少量表達,其中,BmPBP3在脂肪體中也有少量表達,而在觸角中均有大量表達。張帥等[34]還發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲Helicoverpa armigera HarmPBP2在雌蟲下顎須內(nèi)有表達,但仍以觸角的表達量最高。說明觸角是昆蟲感知外界信息和接收性信息素的主要器官。

    本研究發(fā)現(xiàn),CbuqPBP1基因在雄蟲觸角中有較高的表達量,結(jié)合該蛋白與長足大竹象信息素類似物的競爭結(jié)合實驗結(jié)果(另文發(fā)表),推測CbuqPBP1是一個信息素結(jié)合蛋白,在長足大竹象覓偶過程中可能扮演重要角色。而長足大竹象雌性信息素包括多種組分[20],CbuqPBP1與長足大竹象雌性信息素不同組分的結(jié)合關(guān)系目前還不清楚,需要做進一步的研究。

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