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    家蠶腸道感染細菌后6種抗菌肽基因表達的變化

    2016-06-03 12:07:10王延穩(wěn)呂志強
    關鍵詞:家蠶細菌

    王延穩(wěn),呂志強

    (西北農林科技大學 植物保護學院,陜西 楊凌 712100)

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    家蠶腸道感染細菌后6種抗菌肽基因表達的變化

    王延穩(wěn),呂志強

    (西北農林科技大學 植物保護學院,陜西 楊凌 712100)

    [摘要]【目的】 研究感染綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)和金黃色葡萄球菌(Staphyloccocus aureus)后,家蠶中腸和脂肪體中6種抗菌肽基因表達的變化,為家蠶腸道免疫研究提供一定的理論依據?!痉椒ā?給家蠶喂食感染綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌,以喂生理鹽水為對照,利用半定量RT-PCR方法,檢測感染不同時間(1,2,4,8,16,24 h)后中腸和脂肪體中6種抗菌肽基因表達的變化?!窘Y果】 喂食綠膿桿菌1,2 h后,中腸中抗菌肽Gloverin2、Lebocin、CecropinB6、CecropinD和Moricin的相對表達量顯著上調;喂食金黃色葡萄球菌1,2,4 h后,中腸中6種抗菌肽的相對表達量均顯著上調。在脂肪體中,感染兩種細菌后,僅抗菌肽CecropinD、Moricin和Attacin2相對表達量的變化較為顯著?!窘Y論】 家蠶在感染不同細菌后所誘導的免疫機制不同。細菌經由口器進入家蠶腸道,可同時引起上皮免疫反應和體液免疫反應。

    [關鍵詞]家蠶;細菌;抗菌肽基因;半定量RT-PCR

    昆蟲缺乏獲得性免疫,主要依靠先天性免疫(Innate immunity)來抵御病原菌的入侵[1-2]。昆蟲先天性免疫反應的效應機制與哺乳動物相似,都能刺激細胞產生吞噬作用,誘導抗菌肽基因的表達[3]。昆蟲的先天性免疫反應包括:上表皮(角質層、氣管、腸道)的阻礙和凝血,體液免疫——脂肪體中抗菌肽的產生,細胞免疫(血細胞吞噬微生物和包囊較大病原物)。此外,昆蟲的防御機制還包括黑化作用及附帶產生的凝固、傷口愈合和包囊[4-7]等現(xiàn)象。無脊椎動物的上皮細胞是構成先天性免疫的第一道防線,其主要免疫反應是產生抗菌肽[8-9]。有關昆蟲上皮免疫的研究主要集中于腸道上皮細胞免疫方面,昆蟲的腸道分為:前腸、中腸和后腸。中腸由內胚層發(fā)育而來,沒有角質層覆蓋,由上皮層及緊鄰的圍食膜構成,圍食膜將中腸上皮層細胞和中腸腔隔開[10]。人們對昆蟲腸道的解剖結構有較為細致的了解,但對其在免疫中的作用所知有限,由于中腸結構的特殊性,針對昆蟲腸道免疫反應的研究主要集中于中腸免疫反應方面[9,11-14]。

    昆蟲腸道中可誘導的防御機制包括兩個方面:一是局部抗菌肽(AMP)的產生;二是活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)的產生[15]。其中抗菌肽的產生發(fā)揮著舉足輕重的作用,昆蟲被感染后,其體內能快速產生抗菌肽以抵御微生物的侵染[5]。昆蟲抗菌肽具有分子質量小、水溶性好、熱穩(wěn)定性強、抗菌譜廣、強堿性和無免疫原性等特點,其對各種病原物如細菌、真菌、病毒及病原蟲均具有殺傷作用,且作用機制獨特,不會損害和破壞高等動物的正常細胞[16]。目前已知的家蠶抗菌肽基因有40個,按照它們之間序列的相似性可以分為Cecropin、Moricin、Gloverin、Attacin、Enbocin、Lebocin和Defensin 7個家族[17-23]。

    昆蟲昆蟲取食時,微生物會與食物一起經由口器進入腸道中,導致腸道上皮細胞接觸到大量的微生物,從而引發(fā)感染。家蠶作為鱗翅目的模式昆蟲,研究感染后家蠶體內抗菌肽的表達規(guī)律具有重要意義。本試驗通過給家蠶喂食綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa)和金黃色葡萄球菌(Staphyloccocusaureus),來檢測感染不同時間后家蠶中腸和脂肪體中抗菌肽基因相對表達量的變化,以期初步了解蠶的腸道免疫機制,為鱗翅目昆蟲的腸道免疫研究提供一定的理論基礎。

    1材料與方法

    1.1供試昆蟲

    供試家蠶為Nastari品系,蠶卵由中國科學院上海植物生理與生態(tài)研究所的凌爾軍教授提供。在人工氣候箱中孵育,飼養(yǎng)條件為:溫度26 ℃,光照周期12L/12D,相對濕度85%,孵化后開始喂食新鮮桑葉至4齡末期,幼蟲進入5齡改喂人工飼料。

    1.2細菌菌株

    革蘭氏陰性菌:綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa),革蘭氏陽性菌:金黃色葡萄球菌(Staphyloccocusaureus)。

    1.3主要儀器和試劑

    主要儀器:人工氣候箱RXZ型(寧波江南儀器廠)、UNIQUE-E20 Unique多功能超純水儀(Reserch公司)、Hitachi CF16RXⅡ離心機(日立公司)、Bioer Life Pro PCR儀(Harlow Scientific公司)、電泳槽(天能公司)、UVP凝膠成像系統(tǒng)(UVP公司)。

    主要試劑:RNase Zap (Ambion公司)、Direct-zolTMRNA Mini Prep試劑盒(ZYMO RESEARCH公司)、M-MLV Reverse Transcriptase試劑盒(Invitrogen公司)、Platinum?Taq DNA Polymerase(Invitrogen公司)。

    1.4方法

    1.4.1家蠶喂食感染及組織提取選取5齡第2天的家蠶饑餓處理24 h,然后每頭喂食添加50 μg四環(huán)素(Tetracycline)的5 mm3人工飼料,以去除家蠶體內的細菌。喂食抗生素24 h后,分別將滅菌的生理鹽水(對照)、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌添加到5 mm3人工飼料中,每個時間點每處理各喂食10頭家蠶。在家蠶取食1,2,4,8,16,24 h后,分別將3個處理家蠶置于冰上冷凍20 min。用體積分數(shù)70%的酒精擦拭解剖工具、清潔蟲體表面,將家蠶表皮剪開,去除圍食膜及食物后取其中腸,并用經DEPC處理的無菌水清洗,保存于3 mL Trizol中,然后用鑷子刮取脂肪體,保存于2 mL Trizol中,均置于-80 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

    試驗采用活菌感染,試驗操作過程中需帶手套,試驗前后及時用酒精消毒,必要時在超凈工作臺操作,試驗結束后將剩余活菌用84消毒液滅活,防止其對環(huán)境造成污染。

    1.4.2總RNA提取及cDNA合成將保存在Trizol中的中腸和脂肪體組織分別通過勻漿器研磨均勻,使用Trizol提取總RNA。將得到的總RNA用Direct-zolTMRNA Mini Prep試劑盒純化。取1 μL純化好的RNA,用M-MLV Reverse Transcriptase試劑盒合成cDNA,并稀釋至10 ng/μL備用。

    1.4.3半定量RT-PCR檢測本試驗用于擴增6種抗菌肽基因Gloverin2、Lebocin、CecropinB6、CecropinD、Moricin和Attacin2的引物如表1所示,以RP49作為內參基因。半定量RT-PCR反應體系為:10×PCR buffer 5 μL,10 mmol/L dNTPmix 1 μL,50 mmol/L MgCl25 μL,F-Primer 1 μL,R-Primer 1 μL,Platinum?Taq DNA聚合酶 0.2 μL,ddH2O 31.8 μL,cDNA 5 μL。反應條件為:94 ℃預變性3 min;94 ℃變性30 s,52 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,進行35個循環(huán);72 ℃補償延伸5 min。PCR產物用1.5%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測。

    表 1 本試驗所用的半定量RT-PCR引物

    1.4.4數(shù)據處理用Launch VisionWorksLS軟件分析半定量RT-PCR的結果,得出6種抗菌肽基因的相對表達量,然后用GraphPad Prism 5軟件分析其隨感染時間的變化趨勢,通過t檢驗分析各組間的差異顯著性。

    2結果與分析

    2.1喂食細菌對家蠶Gloverin2相對表達量的影響

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶中腸中Gloverin2相對表達量的變化如圖1-A所示。從圖1-A可以看出,與對照相比,喂食綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌1,2,4 h后,Gloverin2相對表達量均顯著上調,且喂食金黃色葡萄球菌后Gloverin2相對表達量均較高,感染細菌1 h后Gloverin2相對表達量均達到最高。與對照相比,喂食綠膿桿菌24 h后Gloverin2相對表達量顯著下調。

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶脂肪體中Gloverin2相對表達量的變化如 圖1-B 所示。從圖1-B可以看出,與對照相比,喂食綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后Gloverin2相對表達量沒有顯著變化。

    圖 1 喂食不同細菌后家蠶中腸(A)和脂肪體(B)中Gloverin2基因的相對表達量

    2.2喂食細菌對家蠶Lebocin相對表達量的影響

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶中腸中Lebocin相對表達量的變化如圖2-A所示。從圖2-A可以看出,與對照相比,喂食綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌1,2,4 h后Lebocin相對表達量均顯著上調,且喂食金黃色葡萄球菌后Lebocin相對表達量均較高,感染細菌2 h后Lebocin相對表達量均達到最高,喂食綠膿桿菌24 h后Lebocin相對表達量顯著下調。

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶脂肪體中Lebocin相對表達量的變化如圖2-B所示。從圖2-B可以看出,與對照相比,喂食綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后Lebocin相對表達量沒有顯著變化。

    圖 2 喂食不同細菌后家蠶中腸(A)和脂肪體(B)中Lebocin基因的相對表達量

    2.3喂食細菌對家蠶CecropinB6相對表達量的影響

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶中腸中CecropinB6相對表達量的變化如 圖3-A 所示。從圖3-A可以看出,與對照相比,喂食綠膿桿菌1,2,16 h后CecropinB6相對表達量顯著上調,且2 h后相對表達量最高;喂食金黃色葡萄球菌1,2,4 h后CecropinB6相對表達量顯著上調,且4 h后相對表達量最高。與感染綠膿桿菌相比,感染金黃色葡萄球菌1,2,4 h后CecropinB6相對表達量均較高。

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶脂肪體中CecropinB6相對表達量的變化如圖3-B所示。從圖3-B可以看出,喂食綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后CecropinB6相對表達量沒有顯著變化。

    圖 3 喂食不同細菌后家蠶中腸(A)和脂肪體(B)中CecropinB6基因的相對表達量

    2.4喂食細菌對家蠶CecropinD相對表達量的影響

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶中腸中CecropinD相對表達量的變化如圖4-A所示。從圖4-A可以看出,與對照相比,喂食綠膿桿菌1,2 h后CecropinD相對表達量顯著上調;喂食金黃色葡萄球菌1,2,4 h后CecropinD相對表達量顯著上調,且4 h后CecropinD相對表達量最高。與感染綠膿桿菌相比,感染金黃色葡萄球菌1,2,4 h后CecropinD相對表達量均較高。

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶脂肪體中CecropinD相對表達量的變化如圖4-B所示。從圖4-B可以看出,與對照相比,喂食綠膿桿菌2,4,24 h后CecropinD相對表達量顯著上調,8 h后CecropinD相對表達量顯著下調;喂食金黃色葡萄球菌2,4,16,24 h后CecropinD相對表達量顯著上調,8 h后CecropinD相對表達量顯著下調。

    圖 4 喂食不同細菌后家蠶中腸(A)和脂肪體(B)中CecropinD基因的相對表達量

    2.5喂食細菌對家蠶Moricin相對表達量的影響

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶中腸中Moricin相對表達量的變化如圖5-A所示。從圖5-A可以看出,與對照相比,喂食綠膿桿菌1,2 h后Moricin相對表達量顯著上調,且1 h后Moricin相對表達量最高;喂食金黃色葡萄球菌1,2,4 h后Moricin相對表達量顯著上調,且1 h后Moricin相對表達量最高。與感染綠膿桿菌相比,感染金黃色葡萄球菌1,4 h后Moricin相對表達量均較高。喂食綠膿桿菌24 h后Moricin相對表達量顯著下調,喂食食金黃色葡萄球菌8,16,24 h后Moricin相對表達量顯著下調。

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶脂肪體中Moricin相對表達量的變化如圖5-B所示。從圖5-B可以看出,與對照相比,喂食綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌4,24 h后Moricin相對表達量顯著上調,8 h后Moricin相對表達量顯著下調。

    圖 5 喂食不同細菌后家蠶中腸(A)和脂肪體(B)中Moricin基因的相對表達量

    2.6喂食細菌對家蠶Attacin2相對表達量的影響

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶中腸中Attacin2相對表達量的變化如圖6-A所示。從圖6-A可以看出,喂食綠膿桿菌后Attacin2相對表達量沒有顯著變化;與對照相比,喂食金黃色葡萄球菌后2,4,8 h后Attacin2相對表達量顯著上調,且4 h后Attacin2相對表達量最高。

    喂食生理鹽水、綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌后,家蠶脂肪體中Attacin2相對表達量的變化如圖6-B所示。從圖6-B可以看出,與對照相比,喂食綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌4,24 h后Attacin2相對表達量顯著上調。

    圖 6 喂食不同細菌后家蠶中腸(A)和脂肪體(B)中Attacin2基因的相對表達量

    3討論

    本試驗選用綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌喂食感染家蠶幼蟲,然后在不同時間點分別提取中腸和脂肪體兩種組織,利用半定量RT-PCR方法檢測了家蠶中6種抗菌肽基因的轉錄情況。結果表明,感染兩種細菌后家蠶中腸中抗菌肽基因相對表達量的變化隨時間變化有所不同。家蠶喂食綠膿桿菌1,2 h后,中腸中抗菌肽Gloverin2、Lebcion、CecropinB6、CecropinD和Moricin的相對表達量顯著上調,且感染1 h后抗菌肽Gloverin2、Moricin的相對表達量達到最高,感染2 h后抗菌肽Lebcion、CecropinB6的相對表達量達到最高,但24 h后Gloverin2、Lebcion和Moricin的相對表達量顯著下調,也許是由于一些抑制因子[24]的表達造成的,以防止家蠶過度免疫對自身造成傷害。有研究表明,喂食金黃色葡萄球菌后抗菌肽Gloverin2、CecropinD和Moricin的相對表達量會上調[24],這與本研究結果一致,同時本研究還發(fā)現(xiàn),感染金黃色葡萄球菌后抗菌肽CecropinB6、Lebcion和Attacin2的相對表達量也會上調。同喂食綠膿桿菌相比,喂食金黃色葡萄球菌1,2,4 h后中腸中6種抗菌肽的相對表達量均較高,說明家蠶對不同細菌的敏感度不同。在脂肪體中,抗菌肽CecropinD、Moricin和Attacin2的相對表達量隨時間變化最顯著,其他3種抗菌肽相對表達量與對照相比變化不明顯,說明給家蠶喂食細菌可誘導脂肪體中部分抗菌肽的表達。

    家蠶腸道感染細菌后,不同細菌所誘導的抗菌肽相對表達量隨時間變化不同,表明家蠶對不同類型的細菌有不同的防御機制;家蠶腸道是相對封閉的管道,而且腸道細胞和脂肪體細胞屬于不同的免疫組織,雖然細菌經由口器進入腸道,但仍然能夠誘導脂肪體中抗菌肽的表達,這可能是由于一些信號因子穿過腸壁細胞進入血腔中,或是因為細菌穿過腸壁細胞進入血腔中,也可能是這兩種因素同時導致的。

    總體來看,在家蠶的腸道免疫中,感染不同細菌所誘導的抗菌肽種類有所不同,且腸道感染細菌后既能引起腸道免疫反應,影響中腸中抗菌肽基因的表達,又能引起體液免疫反應,影響脂肪體中抗菌肽基因的表達。

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    Expression of 6 antimicrobial peptide genes in silkworm,Bombyxmoriafter oral bacterial infection

    WANG Yan-wen,Lü Zhi-qiang

    (CollegeofPlantProtection,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

    Abstract:【Objective】 The expression of 6 antimicrobial peptide genes after oral infection with Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus was studied to provide theoretical basis for gut immune of silkworm.【Method】 Using physiological saline as control check,the expression of 6 antimicrobial peptide genes in midgut and fat body of silkworm after 1,2,4,8,16,and 24 h Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus infection was studied by semi-quantitative RT-PCR.【Result】 Silkworm significantly up-regulated the relative expression of Gloverin2,Lebocin,CecropinB6,CecropinD and Moricin after infection 1,2 h with P.aeruginosa and the relative expression of all 6 antimicrobial peptides increased after infection 1,2,and 4 h with S.aureus in midgut.After oral infection with two bacteria,the relative expression of CecropinD,Moricin and Attacin2 was significant different in fat body.【Conclusion】 The immune mechanisms of silkworm against different bacteria were different.Bacteria in intestine via mouthparts could induce both epithelial immune response and humoral immune response.

    Key words:silkworm;bacteria;antibacterial peptides gene;semi-quantitative RT-PCR

    [文章編號]1671-9387(2016)01-0185-07

    [中圖分類號]S186;Q966

    [文獻標志碼]A

    [作者簡介]王延穩(wěn)(1987-),女,山東濟寧人,碩士,主要從事家蠶免疫研究。E-mail:wangyanwen4366@163.com[通信作者]呂志強(1971-),男,陜西漢中人,教授,博士生導師,主要從事昆蟲生理生化和昆蟲免疫研究。

    [基金項目]國家重大基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)子課題(2012CB114604);教育部基本科研業(yè)務費專項(CX200908)

    [收稿日期]2014-05-06

    DOI:網絡出版時間:2015-12-0214:2510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.01.027

    網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20151202.1425.054.html

    E-mail:zhiqianglu@gmail.com

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