企鵝珍珠貝Dmrt 2基因的克隆及表達(dá)分析

潘珍妮, 余祥勇, 王梅芳, 曲炳良, 陳耀輝, 唐小玉, 于非非

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企鵝珍珠貝2基因的克隆及表達(dá)分析

潘珍妮1, 余祥勇2, 王梅芳2, 曲炳良1, 陳耀輝1, 唐小玉1, 于非非1

(1. 廣東海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院, 廣東 湛江 524088; 2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院, 廣東 廣州 510642)

本研究利用RACE-PCR技術(shù)獲得企鵝珍珠貝()一個(gè)2基因cDNA的全長(zhǎng)序列, 通過(guò)熒光定量PCR分析2基因在各組織中的表達(dá)特征, 以及在早期卵巢、成熟期卵巢、早期精巢、成熟期精巢和排放期精巢中的表達(dá)變化。結(jié)果表明,2基因全長(zhǎng)1 257bp, 其中開(kāi)放閱讀框(open reading frame, ORF)為951 bp, 編碼316個(gè)氨基酸, 5′非編碼區(qū)(untranslated region, UTR)為52 bp, 3′UTR為 254 bp, 第20 位到第73位氨基酸為DM結(jié)構(gòu)域。預(yù)測(cè)其分子質(zhì)量為36.61ku, 等電點(diǎn)為9.80。氨基酸序列比對(duì)顯示該企鵝珍珠貝2基因與黑蝶真珠蛤()和馬氏珠母貝()的2基因同源性(identity)最高, 分別為46.0%和45.7%。其中在DM結(jié)構(gòu)域高度同源。熒光定量PCR分析組織表達(dá)特征顯示,2在企鵝珍珠貝的外套膜、鰓、消化盲囊、足、精巢和卵巢均有表達(dá), 其中在精巢中表達(dá)量最高(<0.05), 足為其次, 在閉殼肌中沒(méi)有檢測(cè)到2表達(dá)。對(duì)性腺發(fā)育不同時(shí)期的表達(dá)量分析發(fā)現(xiàn),2在發(fā)育早期和成熟期卵巢中表達(dá)量都很低, 在發(fā)育早期精巢中表達(dá)量較高, 在成熟期精巢檢測(cè)到最大表達(dá)量(<0.05), 到精巢排放期表達(dá)顯著下降, 推測(cè)2可能與企鵝珍珠貝精巢的發(fā)育有關(guān), 可能參與了企鵝珍珠貝雄性性別分化和性腺發(fā)育這一生理過(guò)程。

企鵝珍珠貝();2; 基因克隆; 表達(dá)分析; 性別決定和性腺發(fā)育

(doublesex and mab-3-related transcription factor)基因家族是指與果蠅()性別決定基因()和秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)()性別決定基因()同源的一類(lèi)基因[1], 是一個(gè)古老的與性別決定有關(guān)的基因家族[2]。該家族基因編碼的蛋白質(zhì)含有一個(gè)高度保守的DM結(jié)構(gòu)域, 通過(guò)鋅指結(jié)構(gòu)識(shí)別并結(jié)合特定DNA來(lái)調(diào)控目的基因的轉(zhuǎn)錄, 從而參與性別決定與發(fā)育[3-4]。迄今為止已發(fā)現(xiàn)了基因家族多個(gè)成員, 其生理作用涉及性別決定、胚胎發(fā)育和調(diào)控肌肉發(fā)育等多個(gè)方面[5-6]。2基因是t基因家族的重要組成成員之一, 被認(rèn)為對(duì)胚胎中期體節(jié)形成以及胚胎后期器官形成起到重要作用[7-8],但是否參與了性別決定和分化則沒(méi)有定論。在人類(lèi)基因圖譜中, 基因1、2和3位于9號(hào)染色體短臂2區(qū)4帶3亞帶(9p2.4.3), 該片段缺失會(huì)引起精巢發(fā)育不全, 甚至引起雄性胚胎向雌性逆轉(zhuǎn); 但在該片段缺失的性逆轉(zhuǎn)患者中,1和2均缺失, 由于1是性別決定與分化的關(guān)鍵基因, 因此無(wú)法確定性逆轉(zhuǎn)中2是否起到關(guān)鍵作用[9]。隨著研究的深入, Matsushita等[10]研究發(fā)現(xiàn)2在粗皮蛙()精巢中表達(dá), 可能參與精子的形成以及性別的分化。Yu 等[11]通過(guò)免疫組化分析發(fā)現(xiàn)2基因主要在馬氏珠母貝()的精巢中表達(dá), 在卵巢中未檢測(cè)到表達(dá), 暗示2基因參與馬氏珠母貝精子形成過(guò)程。

企鵝珍珠貝(), 屬軟體動(dòng)物門(mén)(Mollusca), 雙殼綱(Bivalvia), 珍珠貝科(Pteriidae), 珍珠貝屬()[12]。企鵝珍珠貝具有生長(zhǎng)速度快、珍珠質(zhì)分泌速度快的特點(diǎn), 是培育優(yōu)質(zhì)海水珍珠的大型珍珠貝[13]。本研究建立了企鵝珍珠貝轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù), 利用RACE-PCR技術(shù)克隆到企鵝珍珠貝2基因的cDNA全長(zhǎng)序列, 利用熒光定量PCR技術(shù)分析2基因在企鵝珍珠貝各組織中的表達(dá)差異以及性腺發(fā)育不同時(shí)期中的表達(dá)差異, 以闡述2在企鵝珍珠貝性腺發(fā)育中的重要作用。

1 材料與方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)所用企鵝珍珠貝采自廣西北海潿洲島野生群體, 300~350 g。

1.2 企鵝珍珠貝Dmrt2基因cDNA全長(zhǎng)克隆

使用上海生工UNIQ-10柱式Trizol總RNA抽提試劑盒分別提取企鵝珍珠貝各組織(外套膜、鰓、閉殼肌、消化盲囊、足、性腺)的總RNA, 按照SMARTer?RACE 5′/3′Kit說(shuō)明書(shū)合成企鵝珍珠貝2的3′RACE模板和5′RACE模板。根據(jù)企鵝珍珠貝轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果, 設(shè)計(jì)企鵝珍珠貝2基因5′RACE的特異性引物和3′RACE的特異性引物(表1)。采用巢式PCR擴(kuò)增法進(jìn)行5′RACE和3′RACE擴(kuò)增, 5′RACE和3′RACE PCR反應(yīng)體系為2×SeqAmp Buffer 10 μL, SeqAmp DNA Polymerase 0.5μL, 5′RACE或3′RACE cDNA模板(100 ng/μL) 1μL, 10×UPM (10×Universal Primer Mix) 2 μL , 5′RACE或3′RACE outer引物(見(jiàn)表1)(10μmol/L) 0.5 μL, PCR-Grade H2O 6 μL。使用touch-down PCR程序擴(kuò)增: 94℃ 30 s, 72℃ 2 min, 5個(gè)循環(huán); 94℃ 30 s, 70℃ 30 s, 72℃ 2 min, 5個(gè)循環(huán); 94℃ 30 s, 68℃ 30 s, 72℃ 2 min, 25個(gè)循環(huán)。第二輪巢式PCR擴(kuò)增反應(yīng)體系為50μL: 第一輪PCR擴(kuò)增產(chǎn)物2μL, 5′RACE或3′RACE inner引物(10μmol/L) 2μL, NUP引物(10μmol/L) 2μL, 2×EasyTaq?PCR SuperMix 25μL, PCR-Grade H2O 19μL。得到的PCR產(chǎn)物經(jīng)電泳分離、純化后與pEASY?-T1 Cloning Vector連接, 轉(zhuǎn)化, 過(guò)夜培養(yǎng)。篩選陽(yáng)性克隆測(cè)序, 將獲得的 3′端序列與 5′端序列進(jìn)行拼接。根據(jù)拼接序列設(shè)計(jì)3′和5′驗(yàn)證引物, PCR驗(yàn)證拼接序列的正確性, 從而獲得2 cDNA 全長(zhǎng)序列。利用VecScreen軟件(http: //www.ncbi.nlm.nih.gov/VecScreen/VecScreen. html)去除載體序列, 獲得企鵝珍珠貝2基因的cDNA全長(zhǎng)序列。

1.3 Dmrt2基因的生物信息學(xué)分析

通過(guò)ORF Finder工具, 推導(dǎo)企鵝珍珠貝2基因編碼的氨基酸序列; 通過(guò)Expasy網(wǎng)站(http: // web.expasy.org/compute_pi/)分析其相對(duì)分子質(zhì)量和等電點(diǎn); 經(jīng)ProtScale軟件分析氨基酸序列的疏水性; 經(jīng)SignalP 4.1、TMHMM和SoftBerry-Psite分別預(yù)測(cè)其信號(hào)肽、跨膜結(jié)構(gòu)及氨基酸基本功能位點(diǎn); 經(jīng)SMART對(duì)其進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)域分析; 利用Clustal X (1.8)軟件進(jìn)行氨基酸同源比對(duì), 用MEGA6軟件構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。

1.4 熒光定量PCR檢測(cè)目的基因的表達(dá)特征

分別提取企鵝珍珠貝外套膜、鰓、閉殼肌、消化盲囊、足、精巢和卵巢的RNA, 反轉(zhuǎn)錄合成第一鏈cDNA, 進(jìn)行熒光定量PCR檢測(cè)。以18S rRNA基因作為內(nèi)參, 以企鵝珍珠貝的外套膜為對(duì)照, 采用2–DDCt法計(jì)算2基因在不同組織中的表達(dá)水平, 每組設(shè)3個(gè)重復(fù), 組間重復(fù)性和差異顯著性用SPSS16.0分析。分別提取企鵝珍珠貝發(fā)育早期卵巢、成熟期卵巢、發(fā)育早期精巢、成熟期精巢和排放期精巢的RNA, 反轉(zhuǎn)錄合成第一鏈cDNA, 進(jìn)行熒光定量PCR。方法同上。

表1 企鵝珍珠貝Dmrt2基因克隆及表達(dá)分析引物

2 結(jié)果與分析

2.1 企鵝珍珠貝Dmrt2基因的克隆和序列分析

運(yùn)用RACE-PCR快速擴(kuò)增技術(shù)得到2基因的cDNA全長(zhǎng)序列并分析。企鵝珍珠貝的2基因cDNA全長(zhǎng)1257bp, 其中開(kāi)放閱讀框(ORF)為951 bp, 編碼316個(gè)氨基酸, 5′非編碼區(qū)(UTR)為52 bp, 3′UTR為 254 bp, 包含30 bp的polyA尾巴, 如圖1所示。登錄號(hào)為: KY670720.1。

2.2 Dmrt2基因蛋白理化性質(zhì)預(yù)測(cè)和分析

經(jīng)ExPASy預(yù)測(cè)企鵝珍珠貝2蛋白分子質(zhì)量為36.61ku, 等電點(diǎn)為9.80。疏水性分析得知2氨基酸序列總平均親水系數(shù)為–0.843, 預(yù)測(cè)該蛋白屬于親水性蛋白。經(jīng)TMHMM 2.0進(jìn)行跨膜結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè), 顯示沒(méi)有跨膜區(qū)。SignalP4.1 預(yù)測(cè)其不存在信號(hào)肽, 屬于非分泌型蛋白質(zhì)。SoftBerry-Psite在線(xiàn)預(yù)測(cè)該序列功能位點(diǎn), 發(fā)現(xiàn)酪蛋白激酶II磷酸化位點(diǎn)6個(gè), N-糖基化位點(diǎn)和N-豆蔻?；稽c(diǎn)各一個(gè), 蛋白激酶C磷酸化位點(diǎn)9個(gè), CAAX box 1個(gè), C-末端定位信號(hào)序列微體6個(gè)。同時(shí)使用SMART軟件分析得出第20位到第73位氨基酸為DM結(jié)構(gòu)域(圖1)。

2.3 Dmrt2氨基酸序列同源性分析

采用Clustal X軟件將企鵝珍珠貝的2基因與其他物種的2基因編碼氨基酸進(jìn)行多序列比對(duì), 結(jié)果顯示, 該基因與黑蝶真珠蛤(, AIE16095.1)和馬氏珠母貝(, ADD97887.1)的2基因同源性(identity)最高, 分別為46.0%和45.7%; 與人(, AAF86295.1)和小鼠(, EDL41636.1)的2基因同源性最低, 都為27.5%。其中, 保守位點(diǎn)主要集中在DM結(jié)構(gòu)域(圖2)。將該企鵝珍珠貝2基因命名為2。

圖1 企鵝珍珠貝Dmrt2基因序列分析

小寫(xiě)字母代表非編碼序列(UTR); 大寫(xiě)字母代表開(kāi)放閱讀框(ORF); 方框代表起始密碼子和終止密碼子; 灰色框代表DM結(jié)構(gòu)域

5′UTR and 3′UTR regions are shown in small letters; open reading frame is shown in capital letters; initiation codon and termination codon are shown in boxes; DM domain is shown in gray boxes

分別選取馬氏珠母貝、黑蝶真珠蛤、光滑雙臍螺(, XP_013083870 )creb、鴨嘴海豆芽(, XP_013397304.1)、尾曳鰓蟲(chóng)(, XP_014675559.1)和熱帶爪蟾(AAI35448.1)等物種的2基因編碼的氨基酸進(jìn)行聚類(lèi)分析, Neighbor-joining(NJ)樹(shù)如圖3所示: 企鵝珍珠貝、馬氏珠母貝和黑蝶真珠蛤都屬于軟體動(dòng)物瓣鰓綱, 其2編碼的氨基酸聚為一個(gè)小的進(jìn)化分支; 光滑雙臍螺、鴨嘴海豆芽和尾曳鰓蟲(chóng)聚為一個(gè)小的進(jìn)化分支; 以上所有的動(dòng)物聚為一個(gè)大的進(jìn)化分支, 而熱帶爪蟾這一脊椎動(dòng)物作為外群物種單獨(dú)列為一個(gè)進(jìn)化分支。

圖2 企鵝珍珠貝與其他物種Dmrt2基因編碼氨基酸比對(duì)

采用Clustal W軟件對(duì)企鵝珍珠貝()、斑馬魚(yú)(NP_571027.1)、人(AAF86295.1)、小鼠(EDL41636.1)、馬氏珠母貝(ADD97887.1)和黑蝶真珠蛤(AIE16095.1)的2基因氨基酸序列進(jìn)行排序, 相同的氨基酸涂灰色表示

The alignment of2 among,, andby ClustalW. Those amino acids with 100% identity are marked in gray

圖3 企鵝珍珠貝與其他物種Dmrt2氨基酸序列的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)(NJ)

2.4 基因的組織定量分析

采用qRT-PCR技術(shù)分析2基因在企鵝珍珠貝外套膜、鰓、閉殼肌、消化盲囊、足、精巢和卵巢中的組織表達(dá)差異, 結(jié)果顯示(圖4), 除在閉殼肌未檢測(cè)到2基因的表達(dá)外, 在企鵝珍珠貝各個(gè)組織中均檢測(cè)到2基因表達(dá)。其中, 在精巢中表達(dá)量最高(<0.05), 其次是足和消化盲囊, 在外套膜、鰓和卵巢中的表達(dá)量較低。

不同發(fā)育時(shí)期性腺的qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn), 在發(fā)育早期雌性性腺、成熟期雌性性腺、發(fā)育早期雄性性腺、成熟期雄性性腺、排放期雄性性腺中都可檢測(cè)到2基因轉(zhuǎn)錄本的存在, 但在雄性性腺中表達(dá)水平顯著高于各期雌性性腺, 其中成熟期雄性性腺中表達(dá)量最高, 顯著高于發(fā)育早期和排放期雄性性腺(<0.05, 圖5)。這暗示著2基因可能參與了企鵝珍珠貝的雄性分化和性腺發(fā)育。

圖4 Dmrt2基因在企鵝珍珠貝各組織的表達(dá)水平

M. 外套膜, G. 鰓, AM. 閉殼肌, DD. 消化盲囊, F. 足, T. 精巢, O. 卵巢相同字母表示差異不顯著(>0.05), 不同字母表示差異顯著(<0.05)

M. mantle; G. gill; AM. adductor muscle; DD. digestive diverticulum; F. foot; T. testis; O. ovary The same letters indicate no significant difference (>0.05); different letters indicate significant difference (<0.05)

圖5 Dmrt2基因在企鵝珍珠貝不同時(shí)期性腺的表達(dá)水平

EO. 發(fā)育早期卵巢, MO. 成熟期卵巢, ET. 發(fā)育早期精巢, MT. 成熟期精巢, EMT. 排放期精巢相同字母表示差異不顯著(>0.05), 不同字母表示差異顯著(<0.05)

EO. early ovary; MO. mature ovary; ET. early testis; MT. mature testis; EMT. emission testis.The same letters indicate no significant difference (>0.05); different letters indicate significant difference (<0.05)

3 討論

目前已在不同物種中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)家族成員[14],其中哺乳動(dòng)物發(fā)現(xiàn)了8個(gè)基因, 分別命名為1~8[15], 鳥(niǎo)類(lèi)中發(fā)現(xiàn)了14共4個(gè)基因[16], 爬行類(lèi)發(fā)現(xiàn)了16共6個(gè)基因[17], 兩棲類(lèi)發(fā)現(xiàn)了15共5個(gè)基因[18], 魚(yú)類(lèi)中發(fā)現(xiàn)了15共5種[19]。軟體動(dòng)物主要發(fā)現(xiàn)了15共5個(gè)基因[20]。在已發(fā)現(xiàn)的基因家族中, 除了人類(lèi)與小鼠的8基因編碼蛋白質(zhì)的DM結(jié)構(gòu)域不完整外, 其他基因均含有保守的DM結(jié)構(gòu)域, 且DM結(jié)構(gòu)域的序列成為家族成員命名的有力佐證。Wang等[21]發(fā)現(xiàn)12基因只含有DM結(jié)構(gòu)域, 而35同時(shí)含有DM結(jié)構(gòu)域和DMA結(jié)構(gòu)域。本研究獲得的企鵝珍珠貝基因編碼的蛋白質(zhì)序列只含有DM結(jié)構(gòu)域; 同源性分析顯示, 該企鵝珍珠貝基因與馬氏珠母貝2基因具有最高的同源性, 兩者相互印證, 故確定了該企鵝珍珠貝基因?yàn)?。

近年來(lái)對(duì)多個(gè)物種2基因的組織表達(dá)特征進(jìn)行了分析, 許寶紅等[22]研究發(fā)現(xiàn)2在中國(guó)大鯢()的精巢和肌肉中高表達(dá), Yamaguchi等[23]報(bào)道在成年的紅鰭東方鲀中()的眼、鰓、心臟、腸、頭腎、肝臟、肌肉和脾都有表達(dá), 但在性腺中表達(dá)最高。2在斑馬魚(yú)中的精巢、卵巢、腦、肌肉和肝中都有表達(dá), 其中在肌肉中表達(dá)量最高, 其次是精巢, 且2在精巢中的表達(dá)量高于卵巢中的表達(dá)[24]。成魚(yú)青鳉()2基因在精巢和卵巢中表達(dá)[25]?；蛟诤诘嬷楦蛑械木仓械母弑磉_(dá), 而在卵巢中只有微弱表達(dá)[26]。本文利用qRT-PCR技術(shù)檢測(cè)2基因在不同組織中以及在雄性和雌性性腺中的表達(dá)情況, 結(jié)果顯示,2基因在精巢中的表達(dá)量最高, 尤其在成熟精巢中表達(dá)量顯著高于發(fā)育期精巢和排放期精巢, 而在卵巢及其他組織中的表達(dá)量低, 這與已有報(bào)道相吻合。

因2和1在染色體上的位置較近, 而已確定1是魚(yú)類(lèi)[27]、兩棲類(lèi)[28]、爬行類(lèi)[29]、鳥(niǎo)類(lèi)[30]、哺乳類(lèi)[31]的重要性別決定和分化基因, 因此2的功能曾經(jīng)是有爭(zhēng)議的, 有的學(xué)者認(rèn)為是因?yàn)?的突變或缺失影響了2的功能才導(dǎo)致動(dòng)物由雄性轉(zhuǎn)為雌性,2本身并不是性別分化和性腺發(fā)育的關(guān)鍵基因。但是, 越來(lái)越多的研究表明2參與了性別分化和性腺發(fā)育, 如Yu等[11]對(duì)馬氏珠母貝中雌雄性腺發(fā)育不同階段的原位雜交實(shí)驗(yàn)顯示,2在馬氏珠母貝雄性性腺成熟和性別分化過(guò)程中起了重要作用。結(jié)合我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和已有報(bào)道, 我們推測(cè)在與馬氏珠母貝親緣關(guān)系很近的企鵝珍珠貝的雄性性別分化和性腺發(fā)育過(guò)程中,2可能與起到了重要作用。

此外,2基因在企鵝珍珠貝的足中也有較高的表達(dá), 足是貝類(lèi)的運(yùn)動(dòng)器官, 足中通常有4對(duì)收縮肌, 即前后收足肌, 前伸足肌和和中舉舉足肌各一對(duì)[32]。這可能與在肌肉中的高表達(dá)相一致[22, 24]。

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(本文編輯: 梁德海)

Molecular cloning and expression analysis of2 gene from

PAN Zhen-ni1, YU Xiang-yong2, WANG Mei-fang2, QU Bing-liang1, CHEN Yao-hui1, TANG Xiao-yu1, YU Fei-fei1

(1. Fisheries College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China; 2. School of Marine Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

2 (doublesex and mab-3-related transcription factor 2) is an important member of thegene family with a highly conserved zinc finger-like DM domain and plays an important role in somite formation, organ formation, and skeletal patterning. This study was conducted to investigate the role of2 in sex determination and gonadal development in. The full-length cDNA of2 gene was characterized fromby RACE-PCR, and real-time PCR was performed to assess the expression of2 in different tissues and gonads of different growth periods. The results showed that the full-length cDNA of2 was 1257 bp, including a 5′UTR of 52 bp, a 3′UTR of 254 bp, and an open reading frame of 951 bp, which encoded a deduced protein of 317 amino acids. The DM domain was from 20 to 73 amino acids. The predicted molecular weight was 36.61 ku, and the isoelectric point was 9.80. The amino acid sequence alignment showed that2 ofshared 46.0% and 45.7% sequence identity with2 ofand, respectivelyThe real-time PCR results showed that2 was constitutively expressed in the mantle, gill, digestive diverticulum, foot, testis, and ovary, except in the adductor muscle. The expression level was highest in the testis (< 0.05), followed by the foot. The expression analysis in gonads of different growth periods revealed that2 had lower expression in early ovary and mature ovary, higher expression in early testis and emission testis, and the highest expression in mature testis (< 0.05). This study showed that2 might play a role in sex determination and gonadal development in

;2; gene cloning; sex determination and gonadal development

Feb. 17, 2017

Q341

A

1000-3096(2017)10-0117-08

10.11759/hykx20170417002

2017-02-17;

2017-04-12

廣東省科技發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)(2016A020210115); 廣東省漁港建設(shè)和漁業(yè)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)(B201601-Z08, Z2014005); 廣東海洋大學(xué)優(yōu)秀青年教師項(xiàng)目(2014004); 廣東海洋大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(E15041); 廣東海洋大學(xué)創(chuàng)新強(qiáng)校重大科研項(xiàng)目(GDOU2016050248)

[Guangdong Provincial Science and Technology Program, No. 2016A020210115; Guangdong Marine Fishery Development Foundation No. B201601-Z08, No.Z2014005; Outstanding Young Teacher Foundation, No.2014004; Doctoral Scientific Research Foundation of GuangdongOceanUniversity, No.E15041; Guangdong Major Project of Innovation School, No.GDOU2016050248]

潘珍妮(1990-), 女, 碩士研究生, 研究方向?yàn)楹Ｑ蠼?jīng)濟(jì)動(dòng)物發(fā)育生物學(xué), E-mail: pzn52020@163.com; 于非非, 通信作者, 副教授, E-mail: yufeifei2000@163.com