李慕雨, 王彥丹, 王正亮, 俞曉平
(中國計量大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 浙江省生物計量及檢驗檢疫技術(shù)重點實驗室, 杭州 310018)
研究表明,昆蟲POD是一類以鐵卟啉為輔基的多結(jié)構(gòu)域蛋白,在昆蟲生長發(fā)育、先天免疫以及環(huán)境適應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用(Kumaretal., 2010; Dengetal., 2016; 尹華春等, 2018)。如Park等(2014)基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)從甜菜夜蛾Spodopteraexigua中鑒定到10條POD基因(SePOXA-J),其中SePOX-F和SePOX-H在受大腸桿菌Escherichiacoli誘導(dǎo)后在血淋巴和脂肪體中高效表達(dá),通過RNA干擾(RNA interference, RNAi)技術(shù)敲低后可顯著抑制甜菜夜蛾的細(xì)胞免疫反應(yīng)。申忠健等(2016)和楊航等(2019)分別從夜蛾科農(nóng)業(yè)害蟲棉鈴蟲Helicoverpaarmigera和粘蟲Mythimnaseparata中克隆了過氧化物酶基因HaPOD和MsPOD,序列分析顯示兩者氨基酸序列高度同源(92%),高溫能顯著誘導(dǎo)兩基因的表達(dá),雙氧水和核型多角體病毒感染亦顯著上調(diào)HaPOD表達(dá)量,暗示兩基因極可能在抵御逆境引起的氧化損傷中扮演重要角色。Ma等(2020)對二化螟ChilosuppressalisPOD編碼基因CsPxd進(jìn)行了克隆和表達(dá)分析,并評估了RNAi后對幼蟲生長發(fā)育的影響,結(jié)果表明CsPxd在二化螟不同發(fā)育階段和不同組織中的表達(dá)具有明顯的時空特異性,基因敲低后預(yù)蛹到蛹的變態(tài)過程嚴(yán)重受阻。
褐飛虱Nilaparvatalugens屬半翅目(Hemiptera)飛虱科(Delphacidae),是我國和東南亞國家水稻上的首要害蟲,有遠(yuǎn)距離遷飛習(xí)性,單食性,嚴(yán)重危害水稻安全生產(chǎn)(呂進(jìn)等, 2013)。施用殺蟲劑是當(dāng)前控制褐飛虱的重要手段?;瘜W(xué)殺蟲劑噴施和微生物侵染均可引起氧化脅迫,干擾昆蟲正常生理活動,進(jìn)而達(dá)到防治害蟲目的(Kietal., 2012; Zhang and Feng, 2018)。然而,昆蟲體內(nèi)抗氧化酶系能夠抵御氧化損傷,從而間接增強(qiáng)了害蟲對化學(xué)和生物農(nóng)藥的耐受性。POD作為昆蟲體內(nèi)重要的一類抗氧化酶,在褐飛虱抵御氧化脅迫,免受氧化損傷過程中發(fā)揮的作用不可忽視。然而,目前有關(guān)褐飛虱POD的研究報道十分有限(見煜坤, 2016; 曾佳妹等, 2018)。為此,本研究聯(lián)合轉(zhuǎn)錄組和全基因組信息,對褐飛虱POD編碼基因NlPOD1進(jìn)行了克隆和鑒定,分析了它在褐飛虱不同發(fā)育階段、5齡若蟲不同組織以及不同微生物誘導(dǎo)下表達(dá)水平的變化規(guī)律,并通過RNAi技術(shù)研究了其在褐飛虱生長發(fā)育和病原防御過程中發(fā)揮的作用,以期為利用POD開發(fā)褐飛虱綠色防控新技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。
供試褐飛虱種群在人工氣候室內(nèi)以TN1水稻苗連續(xù)飼養(yǎng)繁殖50代以上。 飼養(yǎng)條件為:溫度24±1℃、相對濕度70%±5%、光周期16L∶8D。供試細(xì)菌為大腸桿菌Escherichiacoli菌株ATCC35150和金黃色葡萄球菌Staphylococcusaureus菌株CMCC26003,于LB液體培養(yǎng)基中37℃培養(yǎng)傳代;供試真菌為金龜子綠僵菌Metarhiziumanisopliae菌株Ma456,于PDA斜面培養(yǎng)基上25℃培養(yǎng)傳代。
使用MiniBEST Universal RNA Extraction Kit(TaKaRa,日本)試劑盒,參照說明書提取褐飛虱總RNA。通過1%瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA的完整性,利用微量分光光度計NanoDrop ND-2000(Thermo Scientific,美國)檢測RNA的濃度和純度。根據(jù)PrimeScriptTM1st Strand cDNA Synthesis Kit(TaKaRa,日本)試劑盒說明書合成cDNA第1鏈,并于-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>
基于本實驗室測得的褐飛虱轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),獲得一條編碼褐飛虱POD的全長cDNA序列NlPOD1。設(shè)計NlPOD1全長擴(kuò)增引物(表1),以1.2節(jié)所得褐飛虱cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系: 10×Ex Taq Buffer(Mg2+Plus) 5 μL, dNTPs Mixture (2.5 mmol/L) 4 μL, 上下游引物(10 μmol/L)各1 μL, cDNA模板 2 μL, Ex Taq酶0.5 μL, 用ddH2O補(bǔ)充體積至50 μL。擴(kuò)增程序: 94℃預(yù)變性3 min; 94℃變性30 s, 55℃復(fù)性30 s, 72℃延伸2.5 min, 35個循環(huán);72℃延伸10 min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)1.2%瓊脂糖凝膠電泳、割膠回收、pMD18-T載體(TaKaRa,日本)連接后,轉(zhuǎn)化入大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞DH5α中,挑選陽性克隆送上海桑尼生物科技有限公司測序。
利用Primer Premier 5.0軟件將基因序翻譯成蛋白質(zhì)序列;通過ExPASy 網(wǎng)站在線程序 Compute pI/Mw Tool(https:∥web.expasy.org/compute_pi/)預(yù)測蛋白質(zhì)分子量大小及等電點;分別利用SMART Server(http:∥smart.embl-heidelberg.de/)和SignalP-5.0 Server(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/)進(jìn)行結(jié)構(gòu)域分析和信號肽預(yù)測;利用BLASTP(http:∥blast.ncbi.nlm.nih.gov/blast.cgi)搜索比對并下載其他昆蟲POD同源蛋白質(zhì)序列;通過MEGA X軟件采用鄰接法(neighbor-joining,NJ)構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹,1 000次bootstrap檢測(Kumaretal., 2018)。
按王正亮等(2020)的方法分別收集褐飛虱不同發(fā)育歷期(卵、1-5齡若蟲、羽化后24 h的雌雄成蟲)以及5齡若蟲不同組織(頭部、脂肪體、血淋巴和腸道)的樣品,其中卵約300粒,1-2齡若蟲分別50頭,3-4齡若蟲分別40頭,5齡若蟲30頭,初羽化雌雄成蟲分別為20頭,不同組織樣本取自于100頭褐飛虱5齡若蟲。按1.2節(jié)所述方法進(jìn)行RNA提取和cDNA合成。qRT-PCR檢測采用SYBR?Premix Ex TaqTMⅡ試劑盒(TaKaRa,日本),以18S rRNA作為內(nèi)參基因,引物序列見表1。qRT-PCR反應(yīng)體系: 2×SYBR?Premix Ex TaqTMⅡ 10 μL, 上下游引物(10 μmol/L)各1 μL, cDNA模板2 μL, ddH2O補(bǔ)齊至 20 μL。反應(yīng)程序: 95℃預(yù)變性30 s; 95℃變性5 s, 60℃退火30 s, 共40個擴(kuò)增循環(huán)。每個齡期和每種組織樣品設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)和3次技術(shù)重復(fù)?;蛳鄬Ρ磉_(dá)量用2-ΔΔCt法計算(Livak and Schmittgen, 2001)。
將大腸桿菌ATCC35150和金黃色葡萄球菌CMCC26003菌體,以及金龜子綠僵菌Ma456分生孢子以PBS水溶液配制成濃度為1×107個/mL的懸液,利用顯微注射儀注射接種5齡褐飛虱若蟲,接種體積為10 nL,以注射相同體積的PBS水溶液為對照。每個處理設(shè)3個生物學(xué)重復(fù),每個重復(fù)40頭試蟲。分別于于0, 12, 24, 36和48 h收集褐飛虱活體,按1.2節(jié)所述方法進(jìn)行RNA提取和cDNA合成,按1.4節(jié)所述方法進(jìn)行qRT-PCR檢測和結(jié)果分析。
基于cDNA全序列,設(shè)計NlPOD1和綠色熒光蛋白GFP基因(對照)的dsRNA合成引物(表1),參照 T7 RiboMAXTMExpress RNAi System(Promega,美國)試劑盒說明書分別合成dsNlPOD1和dsGFP,其質(zhì)量和濃度經(jīng)檢測合格后備用。
表1 引物信息
選擇發(fā)育進(jìn)度一致的褐飛虱5齡若蟲,用微量注射儀從每頭試蟲第2和第3對足的基節(jié)之間注射25 nL濃度為2 000 ng/μL的dsNlPOD1,以注射等量的dsGFP作為對照組。每個處理組12個平行樣:3個平行樣用于檢測RNAi的基因沉默效率,每個平行樣20頭褐飛虱,分別于dsRNA注射后2, 4, 6和8 d收集褐飛虱活體,按按1.2節(jié)所述方法進(jìn)行RNA提取和cDNA合成,按1.4節(jié)所述qRT-PCR方法檢測不同時間點NlPOD1的表達(dá)水平;3個平行樣用于存活率測定,每個平行樣40頭褐飛虱,dsRNA注射后逐日定時統(tǒng)計褐飛虱存活數(shù),連續(xù)統(tǒng)計10 d;6個平行樣用于褐飛虱對病原真菌敏感性測定,每個平行樣40頭褐飛虱,其中3個平行樣dsRNA注射后緊接著以噴霧法接種1 mL濃度為1×108個/mL的金龜子綠僵菌分生孢子懸液(0.02% Tween 80水溶液配制),另外3個平行樣噴霧相同體積的0.02% Tween 80(作為空白對照),連續(xù)10 d逐日定時觀察記錄死亡數(shù),并將蟲尸移出保濕培養(yǎng),以確認(rèn)是否為真菌感染致死,并計算校正存活率。校正存活率(%)=(處理組試蟲存活率/對照組試蟲存活率)×100%。
實驗結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示,數(shù)據(jù)處理與分析采用DPS軟件(Tang and Zhang, 2013)。兩組樣本均值差異顯著性檢驗采用t檢驗法,3組及以上樣本均值差異顯著性檢驗采用單因素方差分析(one-way ANOVA)及Tukey氏HSD(Tukey’s honestly significant difference)法,差異顯著性水平為P<0.05。作圖采用Graphpad Prism 7.0軟件。
經(jīng)克隆和測序驗證,褐飛虱NlPOD1基因cDNA序列(GenBank登錄號: MZ682107),其開放閱讀框(ORF)全長2 049 bp,編碼682個氨基酸,分子量大小為77.02 kD,等電點6.18。信號肽和結(jié)構(gòu)域預(yù)測顯示,NlPOD1的N端存在一個由29個氨基酸殘基組成的信號肽,在第92-640位氨基酸殘基之間具有一個完整的動物亞鐵血紅素過氧化物酶結(jié)構(gòu)域(An_peroxidase domain),其中含鈣離子結(jié)合位點和血紅素結(jié)合位點。此外,NlPOD1蛋白質(zhì)序列中存在一個整聯(lián)蛋白識別的三肽序列“LRE”。BLAST比對結(jié)果表明,NlPOD1與茶翅蝽Halyomorphahalys、溫帶臭蟲Cimexlectularius、蔗黃偽毛蚜SiphaflavaPOD氨基酸序列一致性分別為68.79%, 67.68%和67.67%。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示,NlPOD1與同屬半翅目的茶翅蝽POD親緣關(guān)系最近,且所有半翅目昆蟲POD在NJ樹上聚為一支,與纓翅目昆蟲POD互為姐妹群。NlPOD1與雙翅目和鱗翅目昆蟲POD親緣關(guān)系最遠(yuǎn),與鞘翅目和膜翅目昆蟲POD次之(圖1)。
圖1 采用鄰接法構(gòu)建的基于褐飛虱NlPOD1和其他昆蟲POD氨基酸序列的系統(tǒng)發(fā)育樹(1 000次重復(fù))
NlPOD1表達(dá)量在褐飛虱若蟲期和成蟲期顯著高于卵期,且高齡若蟲期(4和5齡)表達(dá)量顯著高于低齡若蟲期(1-3齡)和成蟲期的(P<0.05); 1-3齡若蟲以及雌雄成蟲中NlPOD1表達(dá)量無顯著性差異(P>0.05);NlPOD1在5齡若蟲中表達(dá)量最高,分別是卵期、低齡若蟲期(1-3齡若蟲期表達(dá)量的平均值)和成蟲期表達(dá)量(雌雄成蟲中表達(dá)量的平均值)的22.4, 1.6和1.8倍(圖2: A)。
NlPOD1在5齡若蟲頭、脂肪體、血淋巴和腸道中均有表達(dá);以在頭中NlPOD1的表達(dá)量為基數(shù),在血淋巴和腸道中表達(dá)量最高,分別是在脂肪體中表達(dá)量的7.8和7.0倍,但NlPOD1表達(dá)量在血淋巴和腸道之間差異不顯著(P>0.05)(圖2: B)。
圖2 NlPOD1在褐飛虱不同發(fā)育時期(A)和5齡若蟲不同組織(B)中的表達(dá)模式
不同微生物誘導(dǎo)條件下褐飛虱5齡若蟲體內(nèi)NlPOD1基因的表達(dá)模式如圖3所示。結(jié)果表明,與對照組(注射PBS水溶液)相比,大腸桿菌誘導(dǎo)48 h內(nèi)各時間點NlPOD1表達(dá)量均顯著上調(diào)(P<0.05),且在36 h時上調(diào)水平最高。金黃色葡萄菌刺激12和24 h后,NlPOD1的表達(dá)量較對照組分別提高了1.7和5.6倍(P<0.05),但在誘導(dǎo)36和48 h時與對照無顯著差異(P>0.05)。金龜子綠僵菌對NlPOD1基因的誘導(dǎo)表達(dá)模式與金黃色葡萄球菌類似,金龜子綠僵菌接種24 h內(nèi)可顯著誘導(dǎo)NlPOD1的表達(dá),但24 h后無顯著的誘導(dǎo)效果。
圖3 褐飛虱5齡若蟲NlPOD1的微生物誘導(dǎo)表達(dá)模式
qRT-PCR分析表明,顯微注射dsNlPOD1可有效抑制褐飛虱5齡若蟲體內(nèi)NlPOD1的表達(dá)(圖4)。與對照組(注射dsGFP)相比,dsNlPOD1注射2, 4, 6和8 d后,NlPOD1的表達(dá)量分別下降了70.7%, 81.2%, 71.4%和64.7%,均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。
圖4 注射dsRNA后褐飛虱5齡若蟲NlPOD1的相對表達(dá)水平
生物測定實驗表明,與對照組(注射dsGFP)相比,顯微注射dsNlPOD1后褐飛虱5齡若蟲存活率無顯著差異(P>0.05); dsNlPOD1處理組褐飛虱5齡若蟲在金龜子綠僵菌侵染5和8 d后的校正存活率分別為36.8%和13.1%,低于對照組的53.7%和30.1%(圖5: A)。金龜子綠僵菌對dsNlPOD1處理組褐飛虱的致死中時(LT50)為4.5 d,與對照組(5.4 d)相比下降了15.5%,且達(dá)到顯著水平(P<0.05)(圖5: B)。 結(jié)果說明,通過RNAi抑制NlPOD1表達(dá)可顯著降低褐飛虱對金龜子綠僵菌侵染的抵御能力。
圖5 注射dsRNA和接種金龜子綠僵菌后褐飛虱5齡若蟲的校正存活率(A)和致死中時(B)
為了進(jìn)一步研究褐飛虱POD的功能及其在開發(fā)褐飛虱防控技術(shù)中的應(yīng)用潛力,本研究克隆鑒定了一條新的褐飛虱POD編碼基因并命名為NlPOD1,分析了其時空表達(dá)規(guī)律和微生物誘導(dǎo)表達(dá)模式,并初步解析了其在褐飛虱生長發(fā)育和抵御昆蟲病原真菌侵染過程中的作用。
本研究生物信息學(xué)分析顯示,NlPOD1具有POD基因家族成員的典型特征,即編碼蛋白序列中含有一個高度保守的動物亞鐵血紅素過氧化物酶結(jié)構(gòu)域(An_peroxidase domain)。信號肽預(yù)測顯示NlPOD1為分泌型蛋白,表明NlPOD1極可能經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的加工與運(yùn)輸并最終定位于細(xì)胞質(zhì)中發(fā)揮作用。NlPOD1除含亞鐵血紅素和鈣離子結(jié)合位點外,還存在一個整聯(lián)蛋白的三肽識別序列(LRE),暗示其可與整聯(lián)蛋白結(jié)合,并借助整聯(lián)蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞間以及細(xì)胞與胞外基質(zhì)之間的粘附作用,從而在褐飛虱先天免疫中發(fā)揮作用。類似的結(jié)構(gòu)特點同樣出現(xiàn)于其他昆蟲POD蛋白質(zhì)序列中,如整聯(lián)蛋白三肽識別序列“RGD”和“NGR” 可分別在果蠅和甜菜夜蛾P(guān)OD序列中被鑒定到(Vázquezetal., 2002; Parketal., 2014)。多序列比對分析與系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果吻合,NlPOD1與茶翅蝽POD蛋白序列同源性最高,兩者親緣關(guān)系最近,且不同類群昆蟲中POD進(jìn)化相對保守(圖1)。
NlPOD1在褐飛虱體內(nèi)的表達(dá)具有明顯的時空特異性(圖2)。NlPOD1表達(dá)量在褐飛虱若蟲期和成蟲期顯著高于卵期(圖2: A),表明該基因在褐飛虱從卵發(fā)育成若蟲的過程中發(fā)揮重要作用。在所有發(fā)育階段中,5齡若蟲NlPOD1表達(dá)量最高,這可能與羽化前蟲體新陳代謝過程加劇導(dǎo)致ROS水平上升有關(guān)。類似現(xiàn)象同樣見于其他昆蟲中,如粘蟲MsPOD和棉鈴蟲HaPOD在化蛹與羽化階段表達(dá)量最高,而低齡幼蟲中表達(dá)量相對較低(申忠健等, 2016; 楊航等, 2019)。NlPOD1在褐飛虱不同組織中均有表達(dá),但不同組織中的表達(dá)水平不盡相同(圖2: B)。與褐飛虱POD編碼基因Nl25323和NlPER1在頭部高表達(dá),在腸道中低表達(dá)的表達(dá)模式(見煜坤, 2016; 曾佳妹等, 2018)不同,NlPOD1在褐飛虱頭中的表達(dá)量最低,而在血淋巴和腸道中表達(dá)量相對較高(圖2: B)。上述結(jié)果表明NlPOD1與Nl25323和NlPER1的生理功能可能存在顯著差異。血淋巴是昆蟲免疫防御異源有害物質(zhì)侵害的主要場所,昆蟲腸道可通過調(diào)節(jié)ROS水平來防御外來微生物入侵并維持腸道微生物穩(wěn)態(tài)(姚志超等, 2018; Clark., 2020)。由NlPOD1的空間表達(dá)特異性可見,NlPOD1極可能在褐飛虱血淋巴和腸道防御過程中發(fā)揮重要作用。
大量研究表明,昆蟲在受到溫度、化學(xué)殺蟲劑、寄生性天敵、病原微生物等非生物脅迫和生物脅迫時會大量產(chǎn)生ROS,而蟲體會及時啟動包括POD在內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)以避免過量ROS引起的氧化損傷(Mantaetal., 2014; Nesmelovetal., 2018; Dampcetal., 2020)。 qRT-PCR分析結(jié)果顯示,NlPOD1表達(dá)水平受到病原微生物的顯著誘導(dǎo),但其誘導(dǎo)模式與病原微生物種類密切相關(guān)(圖3)。大腸桿菌(革蘭氏陰性細(xì)菌)誘導(dǎo)48 h內(nèi)各時間點NlPOD1表達(dá)量均顯著上調(diào),并于36 h時達(dá)到頂峰,表明NlPOD1積極參與褐飛虱對革蘭氏陰性細(xì)菌的防御響應(yīng)。NlPOD1的這種大腸桿菌誘導(dǎo)表達(dá)模式與褐飛虱POD編碼基因Nl25323明顯不同,后者在大腸桿菌刺激下表達(dá)水平無顯著變化。該結(jié)果進(jìn)一步表明褐飛虱體內(nèi)不同POD的生物學(xué)功能存在顯著差異,研究顯示Nl25323主要影響褐飛虱抗性種群的生存和繁殖,與寄主適應(yīng)性密切相關(guān)(見煜坤, 2016)。金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性細(xì)菌)和金龜子綠僵菌(絲狀病原真菌)對NlPOD1表達(dá)的誘導(dǎo)效應(yīng)相似,NlPOD1表達(dá)量均呈現(xiàn)先上調(diào)后回穩(wěn)的態(tài)勢(圖3),表明該基因主要在褐飛虱抵御金黃色葡萄球菌和金龜子綠僵菌侵染過程的早期階段發(fā)揮作用。
綠僵菌作為絲孢類生防真菌的典型代表,具有廣譜高毒力、對環(huán)境友好以及不易使害蟲產(chǎn)生抗藥性等優(yōu)點,已被證實在褐飛虱生物防治過程具有較大的應(yīng)用潛能(Jinetal., 2011; Tangetal., 2019)。然而,相對于化學(xué)農(nóng)藥,真菌殺蟲劑的田間防效可能受到害蟲自身防御保護(hù)系統(tǒng)的制約。因此,削弱靶標(biāo)害蟲的防御保護(hù)體系可有效提高昆蟲病原真菌的殺蟲毒力,從而提升和增強(qiáng)真菌殺蟲劑的實用性。RNAi是一種通過dsRNA來高效特異性抑制目標(biāo)基因表達(dá)的技術(shù),廣泛應(yīng)用于昆蟲基因功能解析和害蟲生物防治研究領(lǐng)域(Liuetal., 2020)。有研究表明,將昆蟲病原真菌與dsRNA混配使用或通過基因工程手段在昆蟲病原真菌中過表達(dá)dsRNA可對靶標(biāo)害蟲的防治具有協(xié)同增效作用(Chenetal., 2015; 潘春艷等, 2016; 崔鶴, 2019)。 本研究結(jié)果顯示,RNA干擾褐飛虱NlPOD1基因后,金龜子綠僵菌對褐飛虱5齡若蟲的致死率顯著增強(qiáng)(圖5)??梢姡琋lPOD1可作為開發(fā)RNAi和病原真菌介導(dǎo)的褐飛虱防治技術(shù)中的一個潛在靶標(biāo)。后續(xù)可進(jìn)一步通過基因工程手段構(gòu)建過表達(dá)dsNlPOD1的綠僵菌重組菌株,并評價其在褐飛虱防治過程中的有效性和安全性。