曾慶會, 周 操, 楊熙彬, 楊 洪,3,*, 金道超, 龍貴云
(1.貴州大學昆蟲研究所, 貴州山地農(nóng)業(yè)病蟲害重點實驗室, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴陽作物有害生物科學觀測試驗站, 貴陽 550025;2.重慶師范大學生命科學學院, 重慶 401331; 3.貴州大學煙草學院, 貴陽 550025)
白背飛虱Sogatellafurcifera是水稻上一種典型的r對策、遷飛性害蟲(Kisimoto, 1976),主要以3種方式危害水稻:一是成蟲、若蟲直接刺吸為害;二是雌成蟲產(chǎn)卵時破壞水稻的輸導組織;三是傳播南方水稻黑條矮縮病毒(southern rice black-streaked dwarf virus, SRBSDV),給水稻生產(chǎn)造成極大的損失(Zhouetal., 2008)。應(yīng)用殺蟲劑仍然是控制白背飛虱最有效的方法之一,但殺蟲劑的使用導致白背飛虱對多種殺蟲劑產(chǎn)生了不同程度的抗性(Matsukawa-Nakataetal., 2019; Ruanetal., 2021)。在江蘇、四川、福建和兩廣地區(qū)對稻飛虱的抗藥性水平的監(jiān)測發(fā)現(xiàn),白背飛虱對新煙堿類殺蟲劑吡蟲啉(imidacloprid)、噻蟲嗪(thiamethoxam)和呋蟲胺(dinotefuran)的抗性倍數(shù)為1~15倍;對生長調(diào)節(jié)劑類殺蟲劑噻嗪酮(buprofezin)的抗性倍數(shù)高達50~184倍(張帥, 2021)。經(jīng)典的害蟲抗藥性研究主要集中于細胞色素P450酶系(簡稱P450s)、羧酸酯酶(carboxylesterases, CarEs)和谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferases, GSTs)3個家族中(Zhouetal., 2013; Kangetal., 2018; Yangetal., 2018; Zhouetal., 2018; Alietal., 2019; Wangetal., 2020)。例如:有報道顯示,白背飛虱體內(nèi)CarE活性增強而導致對井岡霉素(jinggangmycin)產(chǎn)生抗性(Geetal., 2017),同樣,促進P450和GST活性也會對噻嗪酮產(chǎn)生抗性(Alietal., 2019)。隨著害蟲抗藥性分子水平的深入研究,昆蟲ABC轉(zhuǎn)運蛋白(ATP-binding cassette transporter, ABC transporter)被認為是除了P450s, GSTs和CarEs之外參與內(nèi)外源物質(zhì)解毒作用的重要蛋白家族,在不同種類殺蟲劑的轉(zhuǎn)運或抗性形成過程中發(fā)揮重要作用(Wuetal., 2019)。
ABC轉(zhuǎn)運蛋白作為一種外排泵,主要利用ATP將物質(zhì)(包括離子、肽類、激素、營養(yǎng)物質(zhì)、外源物質(zhì)和藥物)進行跨膜運輸(Bakeretal., 2015),這種現(xiàn)象普遍存在于多種生物體內(nèi)(Deanetal., 2001; Wuetal., 2019)。昆蟲ABC轉(zhuǎn)運蛋白通常被分成了8個亞家族(ABCA-H),其中ABCE亞族與ABCF亞族不屬于跨膜蛋白,且沒有轉(zhuǎn)運功能(Broehanetal., 2013)。在大多數(shù)昆蟲中,ABC轉(zhuǎn)運蛋白通過轉(zhuǎn)運外源物質(zhì)的方式來表現(xiàn)出對殺蟲劑的抗性(Buss and Callaghan, 2008; Liuetal., 2019)。近些年,關(guān)于ABC轉(zhuǎn)運蛋白參與昆蟲抗性的研究愈來愈多,且主要集中于ABCB, ABCC和ABCG亞家族基因(Dermauw and Van Leeuwen, 2014),如ABCG基因在阿拉伯按蚊Anophelesarabiensis和黑腹果蠅Drosophilamelanogaster二氯二苯三氯乙烷(dichlorodiphenyltrichloroethane, DDT)抗性種群中表達水平更高(Pedraetal., 2004; Jonesetal., 2012);小菜蛾P(guān)lutellaxylostellaABCA, ABCC, ABCG, ABCH和ABCF亞家族的ABC轉(zhuǎn)運蛋白在毒死蜱(chlorpyrifos)抗性菌株中過表達(Youetal., 2013; Nakaishietal., 2018);采用CRIPSR/Cas9系統(tǒng)敲除ABCC2和ABCC3基因后,發(fā)現(xiàn)這兩個基因參與了小菜蛾Cry1Ac抗性(Guoetal., 2019)。瓜實蠅Bactroceracucurbitae在阿維菌素(abamectin)、β-氯氰菊酯(beta-cypermethrin)和呋蟲胺(dinotefuran)3種殺蟲劑脅迫后,ZcABCB7和ZcABCC2基因的表達顯著上調(diào),表明這兩個基因可能參與了瓜實蠅對異源物質(zhì)的代謝(Xuetal., 2021)。在稻飛虱中,對于ABCD亞家族基因在昆蟲中參與殺蟲劑抗性的報道目前僅見于灰飛虱Laodelphaxstriatellus中(Sunetal., 2017),并推測LsABCD1基因與灰飛虱抗藥性的形成密切相關(guān)。
本研究以白背飛虱轉(zhuǎn)錄組(Zhouetal., 2018)和基因組(Wangetal., 2017)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用RT-PCR技術(shù)克隆獲得了ABC轉(zhuǎn)運蛋白D亞家族基因SfABCD1完整的開放閱讀框,通過RT-qPCR技術(shù)檢測SfABCD1基因在白背飛虱不同發(fā)育階段、不同組織以及在不同濃度的噻蟲嗪、噻嗪酮和阿維菌素脅迫后的表達特性。旨在探究SfABCD1基因?qū)⑾x劑脅迫的響應(yīng),為進一步探究白背飛虱對藥劑的適應(yīng)及抗性產(chǎn)生的分子機制提供理論基礎(chǔ)。
白背飛虱采于2013年貴州省貴陽市花溪區(qū)水稻田;在實驗室內(nèi)不接觸任何農(nóng)藥的條件下,以水稻TN1飼喂至今。飼養(yǎng)條件為溫度25±1℃,相對濕度70%±10%,光周期16L∶8D。不同發(fā)育階段樣品收集白背飛虱1-5齡若蟲和羽化后第1-4天雌雄成蟲。不同組織樣品包括5齡若蟲和成蟲的頭部、體壁、脂肪體、腸道、足、翅、精巢和卵巢。每個樣品取30頭蟲,重復3次取樣,確保數(shù)據(jù)的準確性。
殺蟲劑97%噻嗪酮原藥(雜環(huán)類)購自廣西平樂農(nóng)藥廠,96%噻蟲嗪原藥(煙堿類)購自南京盼豐化工有限公司,96.4%阿維菌素原藥(大環(huán)內(nèi)酯類)購自山東齊發(fā)藥業(yè)有限公司。HP Total RNA Kit(Omega Bio-Tek, Norcross, GA, 美國);PrimeScript?RT Reagent Kit(TaKaRa, 日本);2×EasyTaq PCR SuperMix(全式金生物技術(shù)有限公司, 北京);FastStart Essential DNA Green Master Mix(Roche, Indianapolis, IN, 美國)。
將1.1節(jié)所取白背飛虱樣品或組織參照HP Total RNA試劑盒說明書提取總RNA。使用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測提取的總RNA質(zhì)量,參照PrimeScript?RT Reagent Kit試劑盒說明書合成cDNA第1鏈。
基于白背飛虱的轉(zhuǎn)錄組(GenBank登錄號: SRP116252)和基因組(GenBank登錄號: PRJNA331022)數(shù)據(jù)獲得SfABCD1基因片段,比對確認后,通過Primer Premier 6.0軟件設(shè)計擴增SfABCD1基因的特異性引物(表1),并通過RT-PCR法進行擴增驗證,反應(yīng)體系: 上下游引物(10 μmol/L)各1 μL, PCR Mix 12.5 μL, cDNA模板3 μL, ddH2O 7.5 μL。PCR擴增條件: 95℃預變性3 min; 95℃變性30 s, 55℃退火30 s, 72℃延伸1~3 min, 30個循環(huán);最后72℃延伸10 min,置于4℃保存。PCR產(chǎn)物經(jīng)1%的瓊脂凝膠電泳檢測合格后,將擴增產(chǎn)物純化后連接到pMD18-T載體上進行克隆,并送往上海生工生物工程有限公司進行測序。
根據(jù)克隆獲得的序列,使用在線BLAST工具與其他物種同源基因進行相似性比對。通過DNAMAN 6.0軟件(LynnonBiosoft, Quebec, 加拿大)預測氨基酸序列和開放閱讀框(ORF);使用Swiss-Prot(ExPASy server)工具的“Compute pI/Mw”(http:∥au.expasy.org/tools/pi_tool.html)分析SfABCD1的分子量和理論等電點;利用PFAM軟件(http:∥pfam.xfam.org/)預測SfABCD1的保守結(jié)構(gòu)域;采用MEGA 7.0軟件中的鄰接法(neighbor-joining, NJ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,重復1 000次(Kumaretal., 2016)。
根據(jù)克隆所獲得的序列設(shè)計RT-qPCR的特異性引物(表1),檢測SfABCD1的時空表達特性,以RPL9基因(GenBank登錄號: KM885285)作為內(nèi)參基因(Anetal., 2015)。根據(jù)表1中所設(shè)計的引物,以1.3節(jié)合成的cDNA為模板,在CFX96TMReal-time Quantitative PCR System(BioeRad, Hercules, CA, 美國)中進行RT-qPCR。每個樣品設(shè)3次技術(shù)重復。qPCR反應(yīng)體系: 上下游引物(10 μmol/L)各1 μL, FastStart Essential DNA Green Master Mix 10 μL, cDNA模板1 μL, ddH2O 7 μL。PCR擴增程序: 95℃預變性2 min; 95℃變性30 s, 50℃退火并延伸30 s(循環(huán)40次);最后進行60-95℃溶解曲線分析。
表1 引物信息
基于本課題組前期對白背飛虱毒力測定的結(jié)果(劉磊磊等, 2015),噻蟲嗪、噻嗪酮和阿維菌素各配制4個濃度(LC10, LC25, LC50和LC90),使用稻莖浸漬法(Wangetal., 2018)處理稻莖:將各組水稻浸入已配制的殺蟲劑藥液中30 s,以清水處理作為對照(CK);將處理后的水稻苗自然晾干植株表面水分,再用棉花包裹水稻根部并浸濕以保持其水分,放入兩通玻璃試管內(nèi)(內(nèi)徑3 cm,長30 cm)。挑選白背飛虱3齡若蟲,以3種殺蟲劑不同濃度進行脅迫,將處理后的試管置于人工氣候箱內(nèi)飼養(yǎng),飼養(yǎng)條件同1.1節(jié)。飼養(yǎng)48 h后挑選存活若蟲,換干凈的試管與秧苗繼續(xù)飼養(yǎng);脅迫48, 96和120 h后進行取樣,每個處理取15頭存活若蟲,設(shè)置3次生物學重復。將所取樣品置于-80℃冰箱中保存?zhèn)溆?。總RNA提取和cDNA第1鏈合成的方法同1.3節(jié)。進行RT-qPCR(同1.6節(jié)),檢測不同濃度殺蟲劑脅迫后的白背飛虱SfABCD1基因的表達量。
數(shù)據(jù)用SPSS21.0進行分析;用2-ΔΔCt法計算白背飛虱SfABCD1的相對表達量(Livak and Schmittgen, 2001);采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗處理效果,采用LSD多重比較分析處理間的差異顯著性。
從白背飛虱基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中獲得一個ABC轉(zhuǎn)運蛋白家族基因;通過克隆驗證,最終獲得長度為2 306 bp的基因序列:采用NCBI比對,確定了該基因為白背飛虱ABC轉(zhuǎn)運蛋白D亞家族基因,將其命名為SfABCD1(GenBank登錄號: MW701394)。SfABCD1 cDNA序列包含一個完整的2 220 bp的開放閱讀框(ORF),編碼739個氨基酸;其分子式為C3686H5871N993O1058S33,分子量約為82.08 kD,理論等電點(pI)為9.32。在氨基酸組成中,負電荷殘基總數(shù)有65個,正電荷殘基總數(shù)有87個;不穩(wěn)定系數(shù)為33.23,說明該蛋白可能是穩(wěn)定蛋白。根據(jù)20種氨基酸比例分析,其中最多的是亮氨酸(Leu),占總氨基酸的11.1%,色氨酸(Tyr)占比最少,僅占總氨基酸數(shù)的1.1%。
SfABCD1轉(zhuǎn)運蛋白包含有1個親水的核苷酸結(jié)合域(nucleotide binding domain, NBD)和1個疏水的跨膜結(jié)構(gòu)域(transmembrane domain, TMD),表明SfABCD1轉(zhuǎn)運蛋白屬于半分子轉(zhuǎn)運蛋白。系統(tǒng)發(fā)育樹顯示(圖1):SfABCD1與灰飛虱Laodelphaxstriatellus、褐飛虱Nilaparvatalugens、棉蚜Aphisgossypii、桃蚜Myzuspersicae的ABCD亞族成員親緣關(guān)系相對較近,其中與灰飛虱的親緣關(guān)系最近,與褐飛虱的次之,與其他昆蟲的ABCD亞族成員親緣關(guān)系相對較遠。
圖1 鄰接法構(gòu)建的基于氨基酸序列的白背飛虱SfABCD1和其他昆蟲ABCD的系統(tǒng)發(fā)育樹(1 000次重復)
SfABCD1的表達量在1-3齡若蟲中隨齡期增大而下降,此后隨齡期增大而上升,且在5齡第2天若蟲中達峰值。在成蟲期,表達量較5齡若蟲期顯著降低(P<0.05),且在雄成蟲中,表達量呈現(xiàn)隨著時間推移下降(圖2: A)。SfABCD1基因在5齡若蟲不同組織中的表達量由高到低為腸道>頭部>體壁>足>脂肪體,在腸道中的表達量顯著高于其他組織中的(P<0.05)(圖2: B);對于成蟲而言,該基因在翅中的表達量顯著高于在其他組織中的(P<0.05)(圖2: C);且在若蟲和成蟲的脂肪體和足中的表達量無顯著差異(P>0.05)。
圖2 SfABCD1在白背飛虱不同發(fā)育階段(A)以及5齡若蟲(B)和成蟲(C)不同組織中的表達譜
LC10, LC25和LC50濃度噻蟲嗪脅迫48 h后的SfABCD1基因表達量顯著高于對照組(P<0.05),其響應(yīng)趨勢隨濃度增加而下降,但LC90處理組與對照組相比無顯著差異(P>0.05);處理96 h后,僅在LC10和LC50濃度下SfABCD1表達量顯著高于對照組(P<0.05);至120 h時,與對照組相比,所有處理組均無顯著差異(P>0.05)(圖3: A)。LC10, LC50和LC90濃度噻嗪酮脅迫48 h后的SfABCD1基因表達量均顯著高于對照組(P<0.05),但LC25處理下無顯著性變化(P>0.05);在96 h后,僅有LC10和LC50濃度下SfABCD1顯著高表達(P<0.05);處理120 h后與對照組相比均不顯著(P>0.05)(圖3: B)。LC10和LC25濃度阿維菌素脅迫48 h和96 h后SfABCD1基因相對表達量與對照組比較沒有顯著性變化(P>0.05),但LC50和LC90濃度處理后SfABCD1基因的表達量顯著高于對照組(P<0.05);而處理120 h后,與對照組相比均無顯著差異(P>0.05)(圖3: C)。LC10, LC25, LC50和LC904個濃度的3種殺蟲劑處理48, 96和120 h后與對照組相比,脅迫48 h的SfABCD1表達水平與對照差異最大,脅迫96 h時表達差異下降,處理120 h時其表達水平幾乎接近對照組。
本研究以白背飛虱轉(zhuǎn)錄組和基因組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用RT-PCR技術(shù)克隆得到一個ABCD亞家族轉(zhuǎn)運蛋白基因的完整ORF序列,根據(jù)其保守結(jié)構(gòu)域和序列相似性將其命名為SfABCD1。保守結(jié)構(gòu)域分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)與灰飛虱的結(jié)果(Sunetal., 2017)一致,表明SfABCD1屬于典型半分子轉(zhuǎn)運蛋白。SfABCD1與其他昆蟲ABCD系統(tǒng)發(fā)育樹顯示,與灰飛虱、褐飛虱ABCD亞族親緣關(guān)系較近(圖1),暗示著它們之間的相關(guān)性高。
RT-qPCR結(jié)果表明,SfABCD1基因在整個若蟲期均有表達,且在5齡若蟲期高表達,隨后成蟲期表達量下降(圖2: A),表明SfABCD1在白背飛虱具有時間表達特異性,與其他昆蟲轉(zhuǎn)運蛋白ABC的表達模式類似,例如:ABCC2在棉鈴蟲整個發(fā)育階段均有表達,在5齡幼蟲階段表達量最高(楊帆, 2013);禾谷縊管蚜Rhopalosiphumpadi的3個基因ABCG9,ABCG20和ABCG23在3-4齡若蚜階段表達最高(康新樂等, 2015)。ABC轉(zhuǎn)運蛋白可利用ATP水解產(chǎn)生的能量進而將糖類、氨基酸、抗生素、脂肪酸等各種物質(zhì)進行跨膜運輸,以維持昆蟲正常變態(tài)發(fā)育的生理過程(Bakeretal., 2015)。SfABCD1基因在白背飛虱不同發(fā)育段的表達水平不同,由此可以推測,SfABCD1在白背飛虱的生長發(fā)育過程中可能在某些關(guān)鍵的時間點上起重要的作用。
昆蟲的消化道主要有攝取、運送、消化和吸收功能,還具有水分平衡和排泌的特殊功能,并在殺蟲劑代謝中具有重要意義(Wuetal., 2020)。有研究報道ABCB與ABCG基因在褐飛虱5齡若蟲中腸中的表達量最高(閘雯俊等, 2014, 2020)。在桔小實蠅Bactroceradorsalis18個BdABC基因中,約2/3的BdABC基因主要在中腸和馬氏管等組織中高表達(Xiaoetal., 2018)。在岡比亞按蚊Anophelesgambiae多種ABC轉(zhuǎn)運蛋白高度富集于中腸和馬氏管中,并在抗擬除蟲菊酯的種群中顯著表達(Pignatellietal., 2018)。在本研究中發(fā)現(xiàn),SfABCD1基因在白背飛虱若蟲期的腸道中高表達(圖2),推測其可能參與了外源物質(zhì)的代謝。同時,ABC轉(zhuǎn)運體也是血腦屏障(blood-brain barrier, BBB)上重要的一個組成部分,其表達和轉(zhuǎn)運功能的增加會促進腦組織內(nèi)藥物外排,從而保護腦神經(jīng)、影響藥物向中樞神經(jīng)系統(tǒng)的傳遞(Miller, 2010; Grubeetal., 2018)。本研究同樣發(fā)現(xiàn)SfABCD1基因在若蟲頭部高表達(圖2),表明該基因可能參與頭部對異源物質(zhì)的外排。
代謝能力增強是昆蟲抗藥性產(chǎn)生的重要原因之一,ABC轉(zhuǎn)運蛋白作為排毒的重要參與角色,有報道表明其與殺蟲劑抗性有關(guān)。例如,在桃蚜的抗蚜威(pirimicarb)抗性品系中,ABCG和ABCH亞家族基因表達水平顯著高于敏感品系(Silvaetal., 2012);馬拉硫磷(malathion)、阿維菌素和β-氯氰菊酯(beta-cypermethrin)的LD50脅迫桔小實蠅后,分別有4, 10和14個BdABC基因的表達量顯著上調(diào);利用RNAi技術(shù)沉默BdABCB7基因后,發(fā)現(xiàn)該基因能誘導殺蟲劑馬拉硫磷抗性的產(chǎn)生(Xiaoetal., 2018)。在白背飛虱中,ABC轉(zhuǎn)運蛋白會上調(diào)其表達量來響應(yīng)殺蟲劑脅迫。例如,以低濃度(LC15)的環(huán)氧蟲啶(cycloxaprid)處理白背飛虱后,有2個ABCG基因顯著上調(diào);而在高濃度(LC85)處理后,有1個ABCG基因和1個ABCC基因的表達被顯著上調(diào)(Yangetal., 2016);另外,白背飛虱ABCG和ABCB亞家族基因也參與了噻蟲嗪、噻嗪酮和阿維菌素脅迫的響應(yīng)(Zhouetal., 2019; 曾慶會等, 2020)。在本研究中,噻嗪酮(LC10, LC50和LC90),噻蟲嗪(LC10, LC25和LC50)與阿維菌素(LC50和LC90)脅迫48 h后的SfABCD1基因表達量均顯著上調(diào)(P<0.05)(圖3),其中噻蟲嗪濃度升高,SfABCD1基因的表達水平大致呈下降趨勢,不同的是,LC25濃度噻嗪酮脅迫下與對照組相比無顯著性差異;另外,LC50和LC90濃度阿維菌素處理后顯著上調(diào)。對于3種殺蟲劑脅迫后SfABCD1基因表現(xiàn)出不同的表達水平,導致這一結(jié)果的原因可能是由于SfABCD1對于不同殺蟲劑的響應(yīng)機制不同。桔小實蠅ABC轉(zhuǎn)運蛋白在殺蟲劑脅迫下的研究中發(fā)現(xiàn),脅迫48 h后大多數(shù)BdABC基因(包括BdABCF,BdABCG和BdABCH)表現(xiàn)出最高表達水平,其中BdABCD1在LD50馬拉硫磷與阿維菌素脅迫24, 48和72 h后,僅在48 h表現(xiàn)出最大轉(zhuǎn)錄水平(Xiaoetal., 2018)。本研究中發(fā)現(xiàn),SfABCD1對噻嗪酮、噻蟲嗪和阿維菌素3種殺蟲劑脅迫的響應(yīng)具有一定的時間效應(yīng),SfABCD1的表達水平與對照組相比,其在脅迫48 h后的差異表達倍數(shù)最大,且隨著處理時間的推移呈下降趨勢;脅迫120 h后,該基因轉(zhuǎn)錄水平接近對照組(圖3)。這些結(jié)果表明,SfABCD1基因在白背飛虱響應(yīng)殺蟲劑的脅迫中起重要作用,在后期的響應(yīng)中的作用較小。本研究中僅對脅迫白背飛虱48, 96和120 h后SfABCD1基因的表達水平進行了測定,其在48 h之前的轉(zhuǎn)錄水平的變化尚不清楚,在今后的研究中還需要系統(tǒng)地進行研究,進一步明確其在白背飛虱前期響應(yīng)殺蟲劑脅迫中的功能。此外,有研究表明昆蟲體內(nèi)解毒酶對殺蟲劑的代謝存在著劑量效應(yīng)(Fournier and Brodeur, 2002)。3種亞致死濃度(LC10, LC20, LC30)噻蟲嗪對月季長管蚜Macrosiphumrosivorum乙酰膽堿酯酶、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶、羧酸酯酶活力上表現(xiàn)出一定的劑量效應(yīng)(袁家瑜等, 2020)。本研究中也發(fā)現(xiàn),SfABCD1對噻嗪酮、噻蟲嗪和阿維菌素3種殺蟲劑脅迫的響應(yīng)存在著顯著的劑量效應(yīng),隨著殺蟲劑濃度的增加,SfABCD1的表達水平呈現(xiàn)出逐漸升高或降低的趨勢(圖3)。但值得注意的是,在LC25噻嗪酮處理組中SfABCD1的表達水平與對照組無顯著性差異。出現(xiàn)這一差異的原因,目前尚不清楚,還有待進一步的研究。
總之,本研究獲得了白背飛虱SfABCD1基因完整的開放閱讀框,并發(fā)現(xiàn)其在若蟲消化道和頭部中高表達,明確了SfABCD1的時空表達特性;初步闡明SfABCD1基因應(yīng)對不同外源物質(zhì)、不同藥劑劑量以及不同時間點的表達模式,該結(jié)果為進一步明確SfABCD1基因響應(yīng)殺蟲劑脅迫的機制提供理論基礎(chǔ)。