袁瑞玲,鄭傳偉,馮 丹,王藝璇,杜春花,陳 鵬
(1.云南省森林植物培育與開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650201;2.云南省林業(yè)和草原科學(xué)院, 云南 昆明 650201;3.興義市林業(yè)局,貴州 興義 562400)
【研究意義】RNA干擾(RNA interference,RNAi)是一種廣泛存在于真核生物中高度保守的、由dsRNA誘發(fā)的、同源mRNA高效特異性降解,使相應(yīng)基因不能表達(dá),從而引發(fā)基因轉(zhuǎn)錄后水平基因沉默的現(xiàn)象[1-3]。dsRNA 導(dǎo)入生物體內(nèi)后,被細(xì)胞中稱為Dicer 的RNase Ⅲ分解成21~23 bp的小干擾RNA(siRNA),siRNA 在沉默復(fù)合體(RISC)的作用下與目標(biāo)mRNA 結(jié)合,序列特異性地降解靶mRNA,阻止相應(yīng)蛋白產(chǎn)物的合成,導(dǎo)致靶標(biāo)基因的功能喪失?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】RNAi技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在基因功能研究、高通量靶標(biāo)基因篩選、基因治療、藥物靶標(biāo)預(yù)測(cè)等領(lǐng)域,對(duì)多種農(nóng)林害中的成功試驗(yàn),也證實(shí)了利用RNAi進(jìn)行害蟲防治的可能性和廣泛性[4-5]。RNAi 技術(shù)在害蟲防治領(lǐng)域的應(yīng)用需要大劑量dsRNA,目前最常用的試劑盒合成方法價(jià)格昂貴、不能持續(xù)生產(chǎn)。利用轉(zhuǎn)基因寄主植物表達(dá)昆蟲源dsRNA對(duì)害蟲有一定防效,但植物轉(zhuǎn)基因難度高、研究周期長,具有很大的局限性。用細(xì)菌(如大腸桿菌)表達(dá)dsRNA的方法操作簡(jiǎn)單,具有成本低且表達(dá)產(chǎn)物量大等特點(diǎn),是基因工程四大表達(dá)系統(tǒng)之一[6]。飼喂或注射細(xì)菌表達(dá)的dsRNA 能顯著干擾甜菜夜蛾[7]、非洲甘薯象鼻蟲[8]等害蟲的生長,證明該技術(shù)在植物保護(hù)方面的應(yīng)用潛力。桔小實(shí)蠅[(Bactrocera dorsalis(Hendal)],又名東方果實(shí)蠅(oriental fruit fly),屬雙翅目(Diptera)實(shí)蠅科(Trypetidea)、果實(shí)蠅屬(Bactrocera),是我國二類進(jìn)境檢疫性害蟲[9-11],超強(qiáng)的飛行能力使得對(duì)桔小實(shí)蠅的防治變得困難[12-13]。目前對(duì)該害蟲的防治手段主要有人工防治、化學(xué)防治及性誘劑的生物防治等,這些手段具有一定的防治效果,但總體存在效率低、成本高、對(duì)生態(tài)環(huán)境不友好的問題。因此RNA 干擾這種靶標(biāo)性強(qiáng)、環(huán)境友好型的技術(shù)在害蟲防控領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力。
【本研究切入點(diǎn)】飛行蛋白flightin是一種大小在20 ku的多磷酸化肌原纖維蛋白,最早是在黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)間接飛行肌中被發(fā)現(xiàn)[14]。flightin對(duì)昆蟲肌肉伸展活化具有重要作用,在間接飛行肌的粗肌絲上與肌球蛋白高度融合,調(diào)控和指導(dǎo)粗肌絲的準(zhǔn)確組裝和收縮等[14]。選擇飛行蛋白flightin基因作為RNA干擾靶標(biāo),破壞昆蟲飛行肌表達(dá)通路,阻止昆蟲肌肉伸展活化及肌絲的組裝和收縮等生理過程,可達(dá)到害蟲防治的目的?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以L4440 質(zhì)粒為載體,構(gòu)建了利用大腸桿菌HT115 表達(dá)桔小實(shí)蠅flightin-dsRNA的體系,通過對(duì)桔小實(shí)蠅新羽化成蟲飼喂細(xì)菌表達(dá)的dsRNA,檢測(cè)該方法介導(dǎo)的RNAi 在桔小實(shí)蠅中的可行性。
1.1.1 供試?yán)ハx 供試蟲源為云南省林業(yè)科學(xué)院森保所室內(nèi)飼養(yǎng)的桔小實(shí)蠅種群。飼養(yǎng)條件為:溫度25~30 ℃,濕度60%~70%,光周期L16∶D8。
1.1.2 菌株及質(zhì)粒載體 大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞購自天根生化科技(北京)有限公司,大腸桿菌HT115(DE3)購自北京華越洋生物科技有限公司,L4440 質(zhì)粒購自美國 Addgene 機(jī)構(gòu),含egfp基因的質(zhì)粒由西南林業(yè)大學(xué)徐進(jìn)研究員惠贈(zèng)。
1.1.3 酶及有關(guān)試劑 總RNA提取試劑盒Trizol-A+、FastKing cDNA第一鏈合成試劑盒、SYBR PremixEx Taq實(shí)時(shí)熒光定量PCR試劑盒購自天根生化科技(北京)有限公司,TSINGKE Master Mix DNA Polymerase購自北京擎科新業(yè)生物技術(shù)有限公司,T4 DNA 連接酶、DNase I、RNaseA、限制性內(nèi)切酶SacI、XhoI購自thermofisher公司,氨芐青霉素(Amp)、X-gal、IPTG購自Amresco公司,鹽酸四環(huán)素(Tet)購自solarbio公司,DNA回收試劑盒、質(zhì)粒小量提取試劑盒購自北京艾德萊生物科技有限公司,異丙醇、氯仿、無水乙醇等其他分析純?cè)噭┵徸岳猜〔┤A(天津)醫(yī)藥化學(xué)有限公司,引物合成及測(cè)序委托北京擎科新業(yè)生物技術(shù)有限公司完成。
1.2.1 RNA的提取及反轉(zhuǎn)錄 桔小實(shí)蠅總RNA的提取按照Trizol- A+試劑盒說明書進(jìn)行。FastKing cDNA第一鏈合成試劑盒反轉(zhuǎn)錄得到cDNA,20℃保存?zhèn)溆?,以此作為后續(xù)實(shí)驗(yàn) PCR模板。
1.2.2 引物設(shè)計(jì) 根據(jù)桔小實(shí)蠅flightin基因轉(zhuǎn)錄組序列(GenBank登錄號(hào):XM_011210668),用siDirect(http://design.RNAi.jp/)在線預(yù)測(cè)可能存在的 siRNA 位點(diǎn),選擇其中 678 bp 序列作為RNA 干擾片段。用Primer5.0和Oligo6,結(jié)合含有T7聚合酶的L4440干擾載體的多克隆位點(diǎn)以及桔小實(shí)蠅flightin基因和egfp序列的限制性內(nèi)切酶位點(diǎn)設(shè)計(jì)上游和下游引物。上、下游引物的5'端分別加入SacI和XhoI酶切位點(diǎn)。
1.2.3 桔小實(shí)蠅flightin基因及對(duì)照egfp基因片段的克隆 分別以桔小實(shí)蠅cDNA和含egfp基因的質(zhì)粒為模板,按照TSINGKE Master Mix DNA Polymerase說明書進(jìn)行PCR擴(kuò)增,克隆桔小實(shí)蠅flightin及egfp基因干擾片段。PCR擴(kuò)增體系:TSINGKE Master Mix DNA Polymerase 12.5 μL,上、下游引物和模板各1 μL,加滅菌ddH2O至總體積25 μL。擴(kuò)增條件:95 ℃預(yù)變性3 min;95 ℃30 s、60 ℃ 30 s、72 ℃ 1 min,35個(gè)循環(huán);最后72 ℃延伸10 min。反應(yīng)結(jié)束后,用l%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)并用DNA回收試劑盒純化回收目的片段送測(cè)序。
1.2.4 桔小實(shí)蠅flightin及egfp基因的RNA干擾表達(dá)載體構(gòu)建 將L4440質(zhì)粒與膠回收的桔小實(shí)蠅flightin和egfp基因片段分別同時(shí)用SacI和XhoI進(jìn)行雙酶切,37 ℃,1 h,分別回收酶切產(chǎn)物。用T4連接酶將回收的L4440載體分別與flightin、egfp基因片段以1∶3比例室溫連接10 min。連接產(chǎn)物命名為L4440-flightin、L4440-egfp,分別轉(zhuǎn)化大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞。
將轉(zhuǎn)化的感受態(tài)細(xì)胞涂布在含Amp、IPTG、Xgal的固體LB平板培養(yǎng)基上,37 ℃過夜培養(yǎng),挑取白色單菌落于含Amp的LB液體培養(yǎng)基中培養(yǎng),菌液PCR檢測(cè)陽性后,提取重組質(zhì)粒L4440-flightin和L4440-egfp,用SacI和XhoI雙酶切鑒定,篩選陽性克隆,取陽性克隆菌液送測(cè)序。
1.2.5 重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌HT115 用熱激法將L4440-flightin和L4440-egfp表達(dá)載體轉(zhuǎn)入CaCl2法制備的HT115感受態(tài)細(xì)胞中,涂布于含50 μg/mL Amp和12.5 μg/mL Tet的LB固體培養(yǎng)基上,過夜培養(yǎng)后挑取單菌落接種到Amp和Tet抗性的LB液體培養(yǎng)基中,提取質(zhì)粒并通過PCR及雙酶切鑒定陽性克隆,重組質(zhì)粒進(jìn)一步通過測(cè)序進(jìn)行驗(yàn)證。
1.2.6 dsRNA在大腸桿菌HT115中的表達(dá) 將帶有L4440-flightin和L4440-egfp的HT115菌液接種于Amp和Tet抗性LB液體培養(yǎng)基中,37 ℃振蕩培養(yǎng)過夜,1∶25比例將菌液轉(zhuǎn)入新的LB培養(yǎng)基中,37 ℃,200 r/min培養(yǎng)至菌液OD600=0.4左右,加入IPTG終濃度至1.0 mmol/L進(jìn)行誘導(dǎo)表達(dá),誘導(dǎo)培養(yǎng)4 h后收集菌液。采用TRIzol法提取細(xì)菌總RNA,DNase I和RNase A溶液消化純化總RNA,獲得flightin-dsRNA和egfp-dsRNA。
1.2.7 飼喂細(xì)菌表達(dá)dsRNA的菌液后桔小實(shí)蠅flightin基因的RNA干擾 從桔小實(shí)蠅羽化開始飼喂IPTG誘導(dǎo)表達(dá)靶標(biāo)dsRNA的大腸桿菌HT115的 10倍濃縮菌液,處理組(飼喂flightindsRNA菌液)和對(duì)照組(飼喂egfp-dsRNA菌液)各3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)200頭蟲(雌雄比1∶1)。將濃縮菌液拌進(jìn)成蟲飼料,每天更換一次新鮮飼料,連續(xù)飼喂25 d,處理組和對(duì)照組雌、雄蟲分開。
RT-qPCR檢測(cè)RNAi效果:采集1、5、10、15、20日齡蟲樣品,3次重復(fù),每個(gè)重復(fù)各取50頭蟲,分別提取總RNA。熒光定量PCR(RT-qPCR)檢測(cè)RNAi后flightin基因的表達(dá)情況,采用2-△△Ct方法計(jì)算靶標(biāo)基因相對(duì)表達(dá)量。flightin和egfp基因及16S內(nèi)參基因的qPCR引物如下:
通過飛行能力測(cè)試檢測(cè)RNAi效果:經(jīng)過持續(xù)飼喂后,分別在5、10、15、20日齡利用佳多飛行磨系統(tǒng)進(jìn)行雌、雄蟲飛行能力測(cè)試,參照袁瑞玲等[15]的方法。
整蟲與胸部組織質(zhì)量測(cè)定:隨機(jī)選取待測(cè)桔小實(shí)蠅各20頭,使用乙醚輕微麻醉后迅速稱量整蟲質(zhì)量,然后迅速在解剖鏡下去除翅、足、頭、腹等組織,僅留下胸部肌肉組織快速稱量其質(zhì)量。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析,用Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。
PCR擴(kuò)增得到含SacI和XhoI酶切位點(diǎn)的桔小實(shí)蠅flightin和egfp基因片段,結(jié)果為,桔小實(shí)蠅flightin基因片段介于500~750 bp之間,對(duì)照egfp基因片段介于100~250 bp之間分別與預(yù)期添加了酶切位點(diǎn)和保護(hù)堿基后的大小692 bp和201 bp相符(圖1 A 3、4泳道)。測(cè)序結(jié)果與GenBank報(bào)道的序列進(jìn)行比對(duì),無堿基差異,同源性達(dá)100%,桔小實(shí)蠅flightin基因及egfp基因干擾片段克隆成功。
把載體質(zhì)粒L4440和膠回收得到的目的片段分別經(jīng)限制性內(nèi)切酶SacI和XhoI雙酶切后,2 790 bp的L4440質(zhì)粒線性化單一條帶約2 755 bp,桔小實(shí)蠅flightin及對(duì)照egfp基因大小正確(圖1 A 2、5、6泳道)。
圖1 flightin和egfp基因干擾片段的克隆及干擾載體的構(gòu)建Fig.1 Cloning of RNAi fragment of flightin and egfp and construction of RNAi vector
HT115菌株中提取的重組質(zhì)粒L4440-flightin和L4440-egfp(圖1 B)經(jīng)SacI和XhoI雙酶切后,1%瓊脂糖凝膠電泳20 min檢測(cè)均分別得到兩條帶,2 755 bp的線性化L4440質(zhì)粒載體,及678 bp和187 bp左右的flightin和egfp目的片段(圖1 C),表明桔小實(shí)蠅flightin基因和對(duì)照egfp基因片段成功轉(zhuǎn)入L4440質(zhì)粒中,與預(yù)期設(shè)計(jì)一致。雙向測(cè)序結(jié)果與目的基因序列完全一致,閱讀框正確,說明已經(jīng)成功構(gòu)建了L4440-flightin和L4440-egfp干擾表達(dá)載體。
通過連續(xù)飼喂表達(dá)flightin-dsRNA和egfpdsRNA的菌液后,處理組與對(duì)照組相比,在雌、雄蟲中均未產(chǎn)生預(yù)期的下調(diào)效果,反而出現(xiàn)了不同程度的上調(diào)現(xiàn)象。雌蟲在飼喂后1、5、10、15、20 d時(shí)全部產(chǎn)生上調(diào),與對(duì)照相比分別上調(diào)1.15、2.70、2.27、1.02、3.50倍,其中,飼喂后5、10、20 d與對(duì)照差異顯著,飼喂后1、15 d與對(duì)照無顯著差異。雄蟲飼喂后15 d誘發(fā)約43%的下調(diào),而在飼喂后1、5、10、20 d分別誘發(fā)1.38、2.77、1.57、2.98倍的上調(diào),其中飼喂后5日齡與對(duì)照差異顯著,其余差異不顯著。結(jié)果表明,雌、雄蟲均在飼喂后5 d誘發(fā)的上調(diào)幅度最大。
連續(xù)飼喂表達(dá)flightin-dsRNA和egfp-dsRNA的菌液后,5、10、15、20、25日齡的雌、雄蟲飛行能力測(cè)試結(jié)果(圖3)顯示,在飛行距離上各日齡處理組與對(duì)照組差異不明顯。結(jié)果表明,飼喂表達(dá)flightin-dsRNA的大腸桿菌菌液對(duì)桔小實(shí)蠅進(jìn)行RNA干擾,對(duì)其飛行能力沒有明顯影響。
圖2 熒光定量PCR分析桔小實(shí)蠅flightin基因表達(dá)水平Fig.2 Expression level of flightin from Bactrocera dorsalis by real-time quantitative PCR
圖3 飼喂表達(dá)dsRNA菌液后桔小實(shí)蠅飛行距離Fig.3 Flight distance of Bactrocera dorsalis after feeding bacterial expressing dsRNAs
根據(jù)桔小實(shí)蠅飼喂菌液進(jìn)行RNAi后flightin基因的表達(dá)量測(cè)定結(jié)果,選取上調(diào)幅度較大的5日齡雌、雄蟲稱量其整蟲與胸部組織的鮮重,得到胸部與整蟲的鮮重比。結(jié)果顯示,處理組雌、雄蟲鮮重比分別為34.64%和36.53%,與對(duì)照組雌、雄蟲鮮重比的34.39%和35.99%沒有差異,認(rèn)為飼喂菌液進(jìn)行RNAi對(duì)胸部肌肉發(fā)育無影響。
諸多研究報(bào)道,利用大腸桿菌HT115(DE3)工程菌表達(dá)dsRNA是經(jīng)濟(jì)、高產(chǎn)的方法。早在1998年,Timmons等[16]就開始利用HT115表達(dá)的dsRNA喂食線蟲,結(jié)果靶標(biāo)基因的表達(dá)受到抑制。RNaseIII是細(xì)菌中普遍存在的dsRNA 特異性核酸內(nèi)切酶,由rnc基因編碼,HT115 菌株為rnc-突變不能降解自身合成的dsRNA。HT115經(jīng)過修飾,插入一個(gè)λDE3噬菌體衍生物,可通過IPTG誘導(dǎo)表達(dá)T7 RNA聚合酶。HT115的四環(huán)素和Amp抗性,可在培養(yǎng)過程中分別排除rnc+反突變體和空載質(zhì)粒。L4440載體序列的多克隆位點(diǎn)兩側(cè)各有1個(gè)相反方向的T7 聚合酶啟動(dòng)子,轉(zhuǎn)入HT115 菌株后,可經(jīng)IPTG 誘導(dǎo)表達(dá)dsRNA。
隨著細(xì)菌表達(dá)dsRNA技術(shù)的不斷成熟,該技術(shù)在包括桔小實(shí)蠅在內(nèi)的多種昆蟲研究中得以實(shí)現(xiàn),有效沉默了目的基因表達(dá)[6-7,17-20]。在玉米上噴施表達(dá)菌液可抑制花葉病毒的感染[21],在桔小實(shí)蠅精子形成相關(guān)基因lola、topi、rac、rho、upd和magu研究中,飼喂表達(dá)dsRNA的大腸桿菌干擾后,成功降低了基因表達(dá)水平并導(dǎo)致精子質(zhì)量和數(shù)量的下降,產(chǎn)卵量及孵化率受干擾而降低[22]。利用該質(zhì)粒構(gòu)建的重組質(zhì)粒可以在大腸桿菌HT115(DE3)中表達(dá)大量所需的外源目的dsRNA,在RNAi研究中,該方法比利用試劑盒體外轉(zhuǎn)錄和化學(xué)合成,能夠大大降低實(shí)驗(yàn)成本,而且通過誘導(dǎo)表達(dá)目的dsRNA飼喂昆蟲達(dá)到RNAi的操作相對(duì)簡(jiǎn)單易行[6,18]。然而,直接飼喂也存在一些問題,Li等[6]直接喂食桔小實(shí)蠅Noa、Rab11、V-ATP-D和Rpl19基因表達(dá)dsRNA的大腸桿菌后,成功降低了基因的表達(dá)水平,但部分出現(xiàn)上調(diào)現(xiàn)象。Liu等[23]研究表明,桔小實(shí)蠅成蟲長期飼喂dsRNA或表達(dá)dsRNA的大腸桿菌菌液,靶標(biāo)基因均會(huì)出現(xiàn)表達(dá)上調(diào)現(xiàn)象,導(dǎo)致該現(xiàn)象的機(jī)制尚不明確。在其他昆蟲中不能成功干擾靶標(biāo)基因的例子也鮮有報(bào)道,如黑腹果蠅飼喂表達(dá)dsRNA的酵母未能沉默靶標(biāo)基因表達(dá),對(duì)果蠅3種亞種飼喂RNAi體系同樣未實(shí)現(xiàn)目的基因的沉默等[24-25]。
本研究結(jié)果表明,桔小實(shí)蠅飼喂表達(dá)flightin基因dsRNA的大腸桿菌未造成預(yù)期的目的基因轉(zhuǎn)錄水平的下調(diào),也未造成飛行能力的減弱或影響發(fā)育等,分析認(rèn)為,未能成功沉默靶標(biāo)基因的原因可能有:飼喂法對(duì)于桔小實(shí)蠅存在對(duì)RNAi的非基因特異性免疫耐受機(jī)制,有關(guān)桔小實(shí)蠅RNAi免疫耐受研究發(fā)現(xiàn),dsRNA攝取由胞吞機(jī)制調(diào)控,其間會(huì)受到阻遏而無法進(jìn)入細(xì)胞[26];飼喂表達(dá)dsRNA大腸桿菌后導(dǎo)致靶標(biāo)基因上調(diào),存在應(yīng)激機(jī)制及抗性可能是造成這一現(xiàn)象的原因之一[27-28],很多刺激源(包括大腸桿菌)會(huì)激發(fā)桔小實(shí)蠅siRNA通路;Zambon等[29]發(fā)現(xiàn)果蠅在抗病毒過程中,出現(xiàn)基因表達(dá)上調(diào),結(jié)果證實(shí)病毒激發(fā)了IMD、Toll-way和Jak-STAT的信號(hào)通路;不同物種中腸環(huán)境差異導(dǎo)致RNAi效率也不盡相同;攝取dsRNA劑量不合適,飼喂法由昆蟲自主取食,無法保證其攝取量而影響RNAi效率,也無法確定引發(fā)RNAi的dsRNA劑量;桔小實(shí)蠅flightin基因在飼喂后1日齡時(shí)表達(dá)最高,成蟲開始飼喂RNAi基本已經(jīng)過了該基因表達(dá)高峰,飼喂法錯(cuò)過最佳干擾時(shí)間;有研究表明基于飼喂法的RNAi效率普遍低于注射法[30],本課題組已通過體外轉(zhuǎn)錄合成flightin-dsRNA注射桔小實(shí)蠅,成功下調(diào)了flightin基因的表達(dá),降低了成蟲的飛行能力(待發(fā)表);也有大量研究表明dsRNA介導(dǎo)的RNAi在雙翅目中具有效率不高和持效性差等諸多問題[28]。
采用RT-PCR技術(shù)克隆桔小實(shí)蠅Bactrocera dorsalis(Hendel)flightin基因片段,并以此為靶標(biāo),設(shè)計(jì)有效的干擾片段,以線蟲RNAi干擾載體L4440為載體,成功構(gòu)建了桔小實(shí)蠅flightin基因RNAi載體。轉(zhuǎn)化大腸桿菌HT115(DE3)菌株,利用IPTG誘導(dǎo)表達(dá)flightin基因?qū)?yīng)的dsRNA。通過飼喂表達(dá)flightin-dsRNA的大腸桿菌,桔小實(shí)蠅flightin基因的表達(dá)出現(xiàn)了不同程度的上調(diào);該方法對(duì)桔小實(shí)蠅飛行能力及胸部肌肉發(fā)育未產(chǎn)生明顯的影響。未能成功沉默flightin靶標(biāo)基因的具體原因有待后續(xù)研究進(jìn)一步探明,利用飼喂表達(dá)flightin基因dsRNA的大腸桿菌方法對(duì)桔小實(shí)蠅flightin基因進(jìn)行RNA干擾的可行性還需進(jìn)一步確認(rèn)。