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荻草谷網蚜ABCG1基因的克隆及表達模式分析

2024-02-06 14:39于苗苗張思宇宋國鋒陳巨蓮解海翠范佳
植物保護 2024年1期
關鍵詞:蚜蟲昆蟲基因

于苗苗 張思宇 宋國鋒 陳巨蓮 解海翠 范佳

摘要

荻草谷網蚜Sitobion?miscanthi是嚴重威脅我國小麥生產安全的遷飛性害蟲。蛻皮激素是參與蚜蟲翅型分化調控的內激素,在有翅成蚜體內保持高滴度,且誘導后代產生更高比例的無翅蚜,其進出靶細胞需要經過細胞膜上特定蛋白的轉運。ATP結合盒轉運蛋白家族G亞家族(ATPbinding?cassette?transporter?G,?ABCG)中的ABCG1是通過跨膜轉運昆蟲類固醇、對蛻皮激素信號進行負調控的功能蛋白之一,在蚜蟲中尚未見報道。本文克隆了荻草谷網蚜ABCG1(SmisABCG1)基因,并進行了序列比對、系統進化分析以及不同組織部位和發育時期表達模式分析。結果顯示,SmisABCG1基因的開放閱讀框全長為1?851?bp,編碼616個氨基酸,含7個跨膜結構域,符合ABCG蛋白家族典型結構特性,基因登錄ID:OP626323。昆蟲間ABCG1較保守,該蛋白系統進化關系與各自物種間親緣關系的遠近保持一致。其中,SmisABCG1與來自豌豆蚜、禾谷縊管蚜、棉蚜、花生蚜和雪松長足大蚜等的ABCG1氨基酸序列高度一致(>87%),以上蚜蟲聚為一支。與SmisABCG1親緣關系最近的是豌豆蚜的ABCG1,其次是半翅目的褐飛虱、白背飛虱和灰飛虱,與膜翅目的新疆菜葉蜂、阿里山潛蠅繭蜂以及鞘翅目的赤擬谷盜、蜂箱小甲蟲親緣關系較遠。該基因在偽胚胎和成蚜階段高表達。包含偽胚胎的有翅、無翅成蚜整蚜SmisABCG1的轉錄水平無顯著差異,但其在來自有翅成蚜的偽胚胎中的轉錄水平高于無翅成蚜偽胚胎,證實無翅成蚜自身的轉錄水平較高,而有翅成蚜較低。進一步分析顯示這一差異主要是無翅蚜胸部顯著高表達所導致?;谠摰鞍讓ν懫ぜに刎撜{控,與有翅成蚜轉錄水平低,但蛻皮激素水平更高相符合。

關鍵詞

荻草谷網蚜;?ABC轉運蛋白;?蛻皮激素;?基因克隆;?表達譜

中圖分類號:

S?433.3

文獻標識碼:?A

DOI:?10.16688/j.zwbh.2022648

Cloning?and?expression?profiling?of?ATPbinding?cassette?transporter?G1?gene?in?grain?aphid?Sitobion?miscanthi

YU?Miaomiao1,2,?ZHANG?Siyu2,?SONG?Guofeng2,?CHEN?Julian2,?XIE?Haicui1*,?FAN?Jia2*

(1.?Hebei?Key?Laboratory?of?Crop?Stress?Biology?(in?Preparation),?Hebei?Normal?University?of?Science?and?

Technology,?Qinhuangdao?066600,?China;?2.?State?Key?Laboratory?for?Biology?of?Plant?Diseases?and?

Insect?Pests,?Institute?of?Plant?Protection,?Chinese?Academy?of?Agricultural?Sciences,?Beijing?100193,?China)

Abstract

Grain?aphid?Sitobion?miscanthi?is?a?migratory?pest?as?well?as?the?dominant?pest?on?wheat?in?China.?Molting?hormone,?ecdysone?(20E),?as?one?of?the?internal?hormone,?involved?in?the?regulation?of?wing?differentiation?of?aphids,?which?induces?a?higher?proportion?of?wingless?aphid?in?the?offspring?and?maintains?a?high?titer?in?winged?adults.?To?enter?and?exit?the?target?cells,?20E?requires?the?transport?of?specific?membrane?transporters.?ABCG1,?as?one?of?20E?membrane?transporters?in?insects,?negatively?regulates?ecdysone?signaling?by?transmembrane?transport?of?insect?ecdysone,?which?has?not?been?reported?in?aphids?yet.?In?the?present?study,?SmisABCG1?was?cloned?and?aligned?with?its?orthologs,?and?their?phylogenetic?relationship?was?analyzed?among?insects.?Expression?patterns?among?organs?or?tissues?of?both?winged?and?wingless?adults,pseudo?embryos,?first?to?fourth?instar?nymphs?were?also?analyzed.?The?results?showed?that?the?complete?open?reading?frame?of?SmisABCG1?was?1?851?bp,?encoding?616?amino?acids,?with?seven?transmembrane?regions,?which?was?consistent?with?the?traits?of?ABCG?protein?family?member.?The?gene?accession?ID?was?OP626323.?ABCG1?is?conserved?among?insects,?and?the?phylogenetic?relationship?of?this?protein?confirmed?that?there?is?a?close?genetic?relationship?among?species.?SmisABCG1?shared?high?consistency?(>87%)?of?sequence?with?ABCG1s?in?other?insects?such?as?Acyrthosiphon?pisum,?Rhopalosiphum?padi,?Aphis?gossypii,?A.craccivora,?Cinara?cedri,?and?these?aphids?clustered?into?a?branch.

The?closest?neighbor?of?SmisABCG1?is?ApisABCG1?in?A.pisum,?followed?by?whitebacked?planthopper?(Sogatella?furcifera),?plant?hopper?(Nilaparvata?lugens),?small?brown?planthopper?(Laodelphax?striatellus),?sawfly?(Athalia?rosae),?alishan?dive?fly?cocoon?bee?(Fopius?arisanus),?red?flour?beetle?(Tribolium?castaneum)?and?Aethina?tumida.?RTqPCR?results?showed?that?SmisABCG1?is?mainly?expressed?in?pseudo?embryo?as?well?as?adults.?Significantly?high?level?of?pseudo?embryo?in?winged?adult?and?equal?level?of?winged?and?wingless?adults?with?embryo?indicated?that?wingless?aphid?expressed?higher?ABCG1?than?winged?aphid.?Subsequent?analysis?found?that?this?was?due?to?a?significantly?higher?expression?in?the?thorax?of?wingless?adult.?All?other?organs?or?tissues?showed?no?significant?differences?between?winged?and?wingless?phenotype.

Based?on?the?negative?regulation?of?ecdysone?by?this?;protein,?it?consistent?with?low?transcript?levels?but?high?ecdysone?levels?in?winged?adult?aphids.

Key?words

Sitobion?miscanthi;?ATPbinding?cassette?transporter;?ecdysone?(20E);?gene?cloning;?expression?profile

荻草谷網蚜Sitobion?miscanthi是嚴重威脅我國小麥生產安全的遷飛性害蟲[14],國內又稱麥長管蚜?[56]。其為害主要通過刺吸小麥葉片、莖稈甚至麥穗來汲取作物營養、阻礙植株正常生長發育;其次,荻草谷網蚜還是傳播小麥黃矮病毒的重要介體;再次,麥蚜排泄物蜜露可污染作物、引起霉污病,降低小麥品質的同時,蜜露阻礙光合作用、影響小麥營養積累,從而降低農作物產量[7]。按農業農村部2020年公布數據,麥蚜屬于我國“一類農作物病蟲害”。因此,有效防控麥蚜為害是我國小麥增產保收面臨的重大挑戰。

翅二型是蚜蟲對不良生態環境的適應策略,有翅蚜的分化有助于蚜蟲逃離逆境、重新定殖,實現種群延續和蓄勢暴發。因此,防控有翅蚜的發生擴散是蚜害防控的關鍵和難點之一[89]。研究發現荻草谷網蚜在我國1月0℃等溫線以北地區無法完成越冬[10],包括河北、山東、寧夏、內蒙古、北京、天津市郊、山西省大部以及河南北部在內的廣大北方麥區的麥蚜均來自南方遷入蟲源[3,1113]。在不良環境因子及生物因子刺激下,種群有翅遷飛蚜比例開始上升[1415]。有翅蚜可短距離自主遷飛甚至借助氣流長距離遷飛尋找合適生境再次定殖,實現種群擴張[8]。影響蚜蟲種群翅型比例的因素包括內部因素和外部因素。除溫度、擁擠度、寄主適合度、天敵等外部因素外,內部因素例如昆蟲激素源(蛻皮激素、保幼激素等)的調節發揮了決定性作用[1619]。昆蟲蛻皮激素具有調節控制昆蟲的生理機能、代謝、生長發育、滯育、變態、生殖等的重要功能,蛻皮激素的缺乏或過多都會導致昆蟲發育異常[2022]。并且,蛻皮激素是典型的參與昆蟲翅發生和翅分化的內激素[18,23]。蛻皮激素受體(ecdysone?receptor,ECR)沉默會導致灰飛虱Laodelphax?striatellus翅發育缺陷,前后翅無法正常伸展[24]。而母蚜蛻皮激素滴度與后代無翅蚜比例正相關。豌豆蚜Acyrthosiphon?pisum無翅成蚜額外攝入蛻皮激素時,會導致其后代的無翅蚜比例上升[21]。在荻草谷網蚜中發現有翅成蚜蛻皮激素滴度顯著高于無翅成蚜,并且有翅成蚜后代發育為無翅蚜的比例也更高[25]。

ATP結合盒轉運蛋白G1(ATPbinding?cassette?transporter?G1,ABCG1)是已知參與昆蟲蛻皮激素跨膜轉導的功能蛋白之一,相關工作在模式昆蟲黑腹果蠅Drosophila?melanogaster中已獲得詳細的闡釋。最初,ABCG1是作為果蠅蛻皮激素直接誘導表達的3個轉錄因子之一被發現的。之后證實蛻皮激素的內分泌釋放是通過可調節的囊泡運輸機制介導的,而該蛋白即位于分泌囊泡,與蛻皮激素滴度負相關,是調節果蠅類固醇蛻皮激素信號傳導的重要功能蛋白[2627]。另外,在赤擬谷盜Tribolium?castaneum?[19]、橘小實蠅Bactrocera?dorsalis?[28]中也陸續證實了上述功能。ABCG1隸屬于ABC轉運蛋白家族(ABC?transporter),是一類能夠利用ATP促使物質逆濃度梯度跨膜轉運的蛋白,是生物界中最大的轉運蛋白家族,廣泛存在于真核甚至原核生物中[2930]。研究發現ABC轉運蛋白參與運輸的底物包括氨基酸、糖類、脂類、金屬、激素以及藥物等[31]。昆蟲ABC蛋白轉運主要包括兩種方式[32],一是在細胞膜上轉運Ⅰ級、Ⅱ級代謝物或直接轉運有毒外源物質;二是依靠囊泡運輸類固醇激素、脂質等物質。根據ABC轉運蛋白其核苷酸結合域(nucleotide?binding?domains,?NBD)和跨膜結構域(transmembrane?domains,?TMD)具體的結合方式,分為全轉運蛋白和半轉運蛋白[29]?;贜BD的序列保守性,ABC蛋白家族被分為8個亞家族(由A到H,即ABCA?到ABCH)[31]。ABCG蛋白亞家族為半轉運蛋白,由一個NBD和一個TMD組成[31],廣泛存在于真菌、植物和大多數的多細胞動物甚至人類中。ABCG1蛋白在人體中可以形成同源二聚體,作用于細胞脂質體的內平衡,且參與膽固醇轉運調控[3337]。而昆蟲ABCG1功能與在人體中類似,主動將蛻皮激素轉運出靶細胞、負向調控蛻皮激素信號轉導運輸[3839]。但ABCG1在昆蟲中的研究十分有限,有待開展。本研究利用同源基因在序列上的高度保守性,在荻草谷網蚜基因組中檢索出ABCG1基因;并進行基因克隆驗證和系統進化關系分析;最后,對該基因在不同發育階段、不同組織部位的表達模式進行分析,為深入研究蛋白功能打下基礎。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

荻草谷網蚜試驗種群來源于中國農業科學院植物保護研究所廊坊試驗基地。2017年于小麥田采集野生種群,經室內單頭飼喂純化擴繁為單性系試驗種群Langfang1[6]。養蟲室設定條件為恒溫(25±2)℃、恒濕(60±10)%、固定光周期L∥D=16?h∥8?h,供飼小麥品種為‘AK58’。

分別收取荻草谷網蚜有翅、無翅型各齡期整蚜(偽胚胎20頭、1~4齡若蚜各10頭、成蚜5頭)以及成蚜不同組織部位(觸角60對、頭20顆、胸10個、腹10個、翅100對)于1.5?mL離心管里,取樣過程保持樣品浸于液氮中。取樣完成后儲存于-80℃冰箱。每組樣品設3次生物學重復。

1.2?試驗方法

1.2.1?荻草谷網蚜ABCG1基因結構預測

在荻草谷網蚜轉錄組數據庫中篩選出ABCG1基因。利用TBtools的Gene?Location展示基因定位情況,并通過在線軟件GSDS(http:∥gsds.gaolab.org/)對其基因結構進行分析預測。

1.2.2?荻草谷網蚜ABCG1基因克隆

采用RNA微量提取試劑盒(天漠生物科技開發有限公司)提取總RNA。用超微量分光光度計(美國Nanodrop公司)檢測RNA濃度和質量。OD260?nm/OD280?nm為1.8~2.0的RNA樣品視為合格,利用TRUEscript?RT?Kit+gDNA?Eraser(北京艾德萊生物科技有限公司)進行反轉錄合成cDNA第一鏈,cDNA于-20℃保存備用。

以荻草谷網蚜ABCG1的預測序列為模板,設計特異性引物ABCG1F/ABCG1R(表1,Primer?Premier?5.0軟件),并由北京新時代眾合有限公司合成,對荻草谷網蚜ABCG1進行PCR擴增。20?μL?PCR?反應體系:2×Transstart?FastPfu?PCR?SuperMix?10?μL,?正、反向引物各?1?μL,cDNA?模板?2?μL,ddH2O?6?μL。?反應條件:95℃預變性2?min;95℃變性30?s,55℃退火?30?s,72℃延伸60?s,?35個循環;72℃延伸?10?min。通過?2.0%?瓊脂糖凝膠電泳檢測?PCR?產物目的條帶,將大小相符的DNA片段切膠回收純化后連接到pTOTOTA通用載體(北京艾德萊生物科技有限公司),并轉化到大腸桿菌DH5α感受態細胞(北京新時代眾合有限公司)中,在?LB?平板上過夜培養后挑取白色菌落,LB培養液搖培4?h,進行PCR檢測,取陽性克隆送北京新時代眾合科技有限公司進行測序。

1.2.3?荻草谷網蚜ABCG1基因生物信息學分析

利?用?ORF?finder(https:∥www.?ncbi.?nlm.nih.gov/orffinder/)預測荻草谷網蚜ABCG1基因的開放閱讀框(open?reading?frame,ORF);并通過ExPASy的ProtParam工具(http:∥web.expasy.org/protparam/)預測ABCG1蛋白的分子量、等電點;使用SignalP?4.1?Server?(http:∥www.cbs.dtu.?dk/services/SignalP4.1/)預測ABCG1蛋白是否存在信號肽序列,使用TMHMM?Server?2.0?(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM)預測ABCG1蛋白的跨膜結構域。利用NCBI在線工具BlastN?(http:∥blast.?ncbi.nlm.nih.gov)進行荻草谷網蚜近緣種的核苷酸序列相似性比對,使用DNAMAN軟件進行不同物種的氨基酸序列同源性分析。使用SOPMA?工具(https:∥npsaprabi.?ibcp.?fr/cgibin/npsa_automat.?pl??page=npsa_sopma.html)預測蛋白質二級結構。

在NCBI數據庫中下載了12個與SmisABCG1一致性較高的同源序列。利用DNAMAN將SmisABCG1與其他氨基酸序列進行比對。利用?MEGA?7軟件以鄰接法構建系統進化樹,設bootstrap?值為1?000?進行檢驗。

1.2.4?荻草谷網蚜ABCG1基因的表達模式

以克隆的SmisABCG1基因結果為模板,設計特異性引物qABCG1F/qABCG1R(表1,Primer?Premier?5.0軟件),同時選擇NADH和DIMT為內參基因[40],使用熒光定量PCR儀FS007對荻草谷網蚜不同發育階段、不同組織器官cDNA進行實時熒光定量PCR檢測。每樣本設置?3?個技術重復和3個生物學重復。以荻草谷網蚜ABCG1基因的無翅成蚜觸角的表達量為外參,利用?2-ΔΔCt方法[41]計算ABCG1基因在荻草谷網蚜不同齡期不同組織的相對表達量。

1.3?數據分析

利用SPSS?20.0軟件進行數據統計分析,用Student’s?t測驗檢驗同一齡期或同一組織不同翅型之間?ABCG1基因表達量的差異顯著性(P<0.05為顯著性差異,P<0.01為極顯著差異),用One?way?ANOVA檢驗同一翅型不同組織之間ABCG1基因表達量的差異顯著性。

2?結果與分析

2.1?荻草谷網蚜ABCG1基因克隆以及生物學信息分析

荻草谷網蚜ABCG1位于編號為Lachesis_group1的染色體上(10?700?580~10?721?726?bp,圖1a)。荻草谷網蚜ABCG1基因被12個內含子分割為13個外顯子區,外顯子包括編碼區、非編碼5′UTR區和非編碼3′UTR區(圖1a)。

基因克隆驗證結果顯示,SmisABCG1開放閱讀框全長1?851?bp。與本研究使用的荻草谷網蚜試驗種群Langfang1基因組組裝結果相比,存在5個堿基的差異,以基于一代測序技術的基因克隆結果為準,對基因組進行校正(圖1b)。

荻草谷網蚜ABCG1開放閱讀框共編碼616個氨基酸,預測蛋白分子量為69.28?kD,等電點PI為?8.43。ABCG1蛋白氨基酸序列有7個跨膜螺旋區(氨基酸位點分別為359~380、392~414、434~456、476~498、503~525、532~554?aa和587~609?aa)。該蛋白無信號肽序列,為非分泌性膜蛋白,二級結構中α螺旋、延伸鏈、β轉角和無規則卷曲所占比例分別為?45.78%、15.42%、4.87%?和33.93%,說明α螺旋為SmisABCG1蛋白的主要結構形式(圖1c)。NCBI序列登錄號為:OP626323。

2.2?荻草谷網蚜ABCG1與同源序列的比對以及系統進化分析

在?NCBI?中選擇與編碼SmisABCG1的氨基酸序列相似性較高的12個同源序列進行比對分析。結果顯示其與豌豆蚜序列一致性最高,達到98.21%;與禾谷縊管蚜Rhopalosiphum?padi、棉蚜Acyrthosiphon?pisum、花生蚜Aphis?craccivora、雪松長足大蚜Cinara?cedri、白背飛虱Sogatella?furcifera、褐飛虱Nilaparvata?lugens、灰飛虱Laodelphax?striatellus、新疆菜葉蜂Athalia?rosae、阿里山潛蠅繭蜂Fopius?arisanus、赤擬谷盜和蜂箱小甲蟲Aethina?tumida序列一致性分別為98.05%、97.73%、92.53%、87.99%、55.59%、55.52%、55.19%、54.87%、53.65%、53.56%和52.32%。系統進化分析結果顯示,一致性越高,親緣關系則越近。荻草谷網蚜ABCG1與豌豆蚜親緣關系最近,并與其他蚜蟲例如禾谷縊管蚜、棉蚜、花生蚜以及雪松長足大蚜聚為一支。其次是半翅目的白背飛虱、褐飛虱和灰飛虱,與膜翅目的新疆菜葉蜂、阿里山潛蠅繭蜂以及鞘翅目的赤擬谷盜、蜂箱小甲蟲親緣關系較遠?(圖2)。

2.3?荻草谷網蚜ABCG1基因表達特征分析

從各發育階段表達量分析結果來看,荻草谷網蚜ABCG1主要在偽胚胎和成蚜階段具有較高的轉錄水平。有翅成蚜體內偽胚胎的轉錄水平顯著高于無翅成蚜;而含有偽胚胎的有翅和無翅成蚜整蚜轉錄水平無差異(圖3a)。成蚜各組織部位表達量分

析結果顯示,有翅成蚜主要在觸角和胸部表達,且表達量無差異;無翅成蚜主要在胸部表達,在觸角中也有一定的轉錄水平(顯著低于胸部但高于其他組織)(圖3c,3d)。相比較而言,無翅成蚜胸部的轉錄水平顯著高于有翅成蚜,其他組織部位轉錄水平在有、無翅型成蚜間則無差異(圖3b)(P<0.05)。

3?結論與討論

ABC轉運蛋白是最大、最古老的蛋白家族之一,廣泛存在于真核和原核生物中。在人類基因組中發現49個ABC轉運蛋白[31];大腸桿菌中發現79個ABC轉運蛋白[42];昆蟲中的ABC轉運蛋白數量在40~103個之間。?SmisABCG1與其他蚜蟲如豌豆蚜、禾谷縊管蚜、棉蚜、花生蚜和雪松長足大蚜等的ABCG1氨基酸序列均有較高的一致性(>87%),且聚在一個分支上。與半翅目其他昆蟲(白背飛虱、褐飛虱、灰飛虱)甚至半翅目以外昆蟲(新疆菜葉蜂、阿里山潛蠅繭蜂、赤擬谷盜和蜂箱小甲蟲)的ABCG1氨基酸序列的一致性也>50%。系統進化分析表明該基因在物種間親緣關系(圖2)的遠近與各物種間的進化關系[6]完全一致。以上結果均顯示出昆蟲ABCG1氨基酸序列進化的保守性。另外,模式昆蟲果蠅和赤擬谷盜等的ABCG1具有轉運類固醇(蛻皮激素)的功能,該功能與高等動物甚至人的ABCG1蛋白功能一致,說明了該蛋白的功能保守性。昆蟲ABCG1基因序列及功能均高度保守,因此,推測ABCG1蛋白在昆蟲中廣泛行使轉運蛻皮激素的功能。

本研究發現SmisABCG1在無翅成蚜胸部顯著高轉錄,其他部位的表達量在有翅和無翅型蚜蟲間則無差異。而在檢測含偽胚胎的完整有翅和無翅成蚜時,卻顯示整體轉錄水平無差異。因此推測,造成以上差異的原因可能來自偽胚胎。接下來的檢測結果證實來自不同翅表型成蚜體內的偽胚胎其ABCG1的轉錄水平存在顯著差異,具體是有翅成蚜偽胚胎的表達量顯著高于無翅成蚜。綜上所述,無翅成蚜自身ABCG1的轉錄水平較高,而有翅成蚜較低。該差異主要是由無翅蚜胸部的高轉錄水平引起。黑腹果蠅ABCG1的表達是由蛻皮激素誘導啟動的。ABCG1通過主動將蛻皮激素轉運出靶細胞來負向調控蛻皮激素信號轉導,并且發現其過表達則會導致蛻皮激素缺失、引起黑腹果蠅畸形和致死[27]。高濃度蛻皮激素具有調節豌豆蚜若蚜向無翅型成蚜發育的功能,會引起后代無翅蚜比例上升[8,?21]。在荻草谷網蚜中也發現同一種群內的有翅成蚜蛻皮激素滴度水平高于無翅成蚜,有翅成蚜后代發育為無翅蚜的比例也更高[25]。有翅成蚜蛻皮激素滴度水平高于無翅成蚜,這與SmisABCG1的表達模式正好相反,存在負調控蛻皮激素的基礎。因此推測,有翅蚜較高水平的蛻皮激素滴度與較低水平的ABCG1協同,共同調控若蚜翅原基的消解、促進后代發育為無翅蚜。而偽胚胎表達量高于其他發育階段,且有翅成蚜的偽胚胎表達量顯著高于無翅成蚜,這可能涉及復雜的母蚜對子代的跨代影響,具體機制有待進一步解析。

本研究對荻草谷網蚜蛻皮激素轉運蛋白基因SmisABCG1進行了初步研究。為進一步解析該基因的功能奠定了基礎。而且,相關研究有助于推動通過靶向調節蚜蟲生理進程、調控其翅型分化來有效遏制蚜蟲遷飛為害技術的開發,為充實綠色、高效的蚜害綜合防控技術提供全新思路。

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