劉香亞, 楊蕊弘, 張 晶, 彭英傳, 肖海軍, 張萬娜*
(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué), 南昌 330045; 2.北京林業(yè)大學(xué), 北京 100083)
昆蟲的生殖與營養(yǎng)狀況息息相關(guān)[1],卵巢作為雌蟲繁衍的生殖器官,其發(fā)育調(diào)控關(guān)系昆蟲的種群密度,解析卵巢發(fā)育過程中營養(yǎng)的積累過程,有助于探索針對害蟲生殖進(jìn)行防控的策略來控制害蟲種群繁殖。昆蟲卵母細(xì)胞內(nèi)需要積累充足糖原、脂質(zhì)和蛋白質(zhì),為胚胎發(fā)育提供能量和營養(yǎng)[2]。關(guān)于昆蟲卵母細(xì)胞中蛋白質(zhì)的積累研究已較為明確[3],雌性脂肪體內(nèi)合成的卵黃原蛋白(vitellogenin, Vg)分泌到血淋巴后,通過卵黃原蛋白受體(vitellogenin receptor, VgR)介導(dǎo)的內(nèi)吞作用,被發(fā)育的卵母細(xì)胞攝取[4-5]。然而脂質(zhì)如何在卵母細(xì)胞中積累,尤其是脂類運(yùn)輸所依賴受體的轉(zhuǎn)運(yùn)過程尚不清楚。脂質(zhì)占昆蟲卵干重的30%~40%[6-7],昆蟲利用脂肪酸合成甘油三酯(triacylglycerol, TAG),為昆蟲胚胎發(fā)育提供主要的能量來源[8],但卵母細(xì)胞自身合成脂肪酸的能力非常有限,因此昆蟲卵母細(xì)胞中積累的大部分脂質(zhì)必須從其他組織攝取。在昆蟲卵黃發(fā)生過程中,脂肪體中的脂類和卵黃蛋白前體依賴載脂蛋白(lipophorin, Lp)轉(zhuǎn)運(yùn)至卵巢組織[9],在部分昆蟲中,Lp也同脂肪體合成的其他卵黃蛋白一起被卵巢吸收[10-12]。然而Lp完成脂質(zhì)等物質(zhì)的運(yùn)輸后,需要細(xì)胞表面的載脂蛋白受體(lipophorin receptor, LpR)通過內(nèi)吞作用介導(dǎo)細(xì)胞對脂蛋白的攝取和代謝[9]。由此可見,LpR在脂類物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑中發(fā)揮重要作用。
LpR 是一種跨細(xì)胞膜的糖蛋白,屬于低密度脂蛋白受體(low density lipoprotein receptor, LDLR)超家族,具有LDLR家族的保守結(jié)構(gòu)域[5]:配體結(jié)合域(ligand binding domain, LBD)、表皮生長因子前體同源結(jié)構(gòu)域(EGF-precursor homology domain)、O-糖鏈結(jié)構(gòu)域(O-sugar linked domain)、跨膜結(jié)構(gòu)域(transmembrane domain, TM)及胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域(cytoplasmic domain)。最早從飛蝗Locustamigratoria中克隆獲得昆蟲的LpR基因,功能分析發(fā)現(xiàn)LpR充當(dāng) Lp 以內(nèi)吞的形式進(jìn)入細(xì)胞的受體蛋白[13]。隨后在其他昆蟲中陸續(xù)鑒定出LpR基因[14-16]。Lee等[17]在大蠟螟Galleriamellonella中發(fā)現(xiàn)20-羥基蛻皮酮(20E)和膽固醇均能誘導(dǎo)LpR的表達(dá)。Ciudad等[18]分別從德國小蠊Blattellagermanica的脂肪體和卵巢中鑒定出了L亞型和 S亞型的LpR,進(jìn)一步分析表明不同亞型在卵黃發(fā)生期的表達(dá)模式存在差異,干擾LpR表達(dá)后卵母細(xì)胞中脂蛋白的含量顯著降低。此外,Parra-Peralbo等在黑腹果蠅Drosophilamelanogaster中也鑒定到兩種LpR基因,并發(fā)現(xiàn)其能夠介導(dǎo)卵母細(xì)胞對中性脂質(zhì)的攝取[19]。Lu 等[20]敲除褐飛虱Nilaparvatalugens的LpR基因?qū)е潞诛w虱體內(nèi)TAG含量降低,卵巢發(fā)育受阻以及生殖力下降。Qiao等[21]對豌豆蚜AcyrthosiphonpisumLpR進(jìn)行RNA干擾,導(dǎo)致其成蟲生殖力顯著下降。上述研究表明LpR對雌蟲卵巢成熟至關(guān)重要。
棉鈴蟲Helicoverpaarmigera(Hübner)是我國重要的農(nóng)業(yè)害蟲,其雌成蟲需要通過補(bǔ)充營養(yǎng)促使自身性成熟[22]。棉鈴蟲VgR調(diào)控卵母細(xì)胞對Vg的攝取,對卵子成熟和卵巢發(fā)育至關(guān)重要[23],幼蟲面臨饑餓脅迫會降低體內(nèi)脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的含量[24]。本文通過RT-PCR 和RACE技術(shù)克隆獲得棉鈴蟲HaLpR基因,分析其序列特征,進(jìn)一步通過qRT-PCR檢測其在棉鈴蟲雌成蟲卵巢發(fā)育期間的表達(dá)情況,分析了饑餓脅迫對載脂蛋白受體基因表達(dá)的影響。本研究有助于闡明載脂蛋白受體參與棉鈴蟲卵巢發(fā)育過程中的脂類轉(zhuǎn)運(yùn)及應(yīng)對饑餓脅迫時的作用。
棉鈴蟲種群于2018年9月采自河北廊坊中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院廊坊中試基地。幼蟲置于人工氣候箱用人工飼料飼養(yǎng)[25]。培養(yǎng)條件為溫度(27±2)℃,相對濕度(70±5)%,光周期 L∥D=14 h∥10 h。待其化蛹后,將雌雄蛹分開后分別置于養(yǎng)蟲籠(長40 cm、寬26 cm、高21 cm)中飼養(yǎng)。成蟲羽化后,飼喂10%蜂蜜水。
為了研究HaLpR在棉鈴蟲不同發(fā)育階段的表達(dá)情況,分別收集卵約200粒、1齡幼蟲50頭、2齡幼蟲10頭、3齡幼蟲5頭、4齡幼蟲3頭、5齡幼蟲3頭、6 齡幼蟲3頭、蛹3頭以及雌雄成蟲各3頭,設(shè)為1個生物學(xué)重復(fù)。另外,分別取羽化后1、2、3,4、5、7、8、9 d的雌成蟲各2頭,用于研究HaLpR在棉鈴蟲雌蟲發(fā)育階段的表達(dá)模式。取6頭2日齡棉鈴蟲雌成蟲,置于冰上解剖,分別收集頭、表皮、馬氏管、血淋巴、中腸、脂肪體和卵巢組織,用于分析HaLpR在棉鈴蟲雌蟲不同組織的表達(dá)情況,除血淋巴外的各組織均用預(yù)冷的無菌水清洗,濾紙吸干多余水分,上述所有樣品經(jīng)液氮冷凍后迅速置于-80℃超低溫冰箱保存。試驗包含4個生物學(xué)重復(fù)。
選取剛羽化的棉鈴蟲雌成蟲各20頭,分別飼喂10%蜂蜜水和清水,設(shè)置為對照組和試驗組,飼喂24、48、72 h后每個處理隨機(jī)選取6頭成蟲,在冰上解剖收集其脂肪體和卵巢,用無菌水洗凈,濾紙吸干多余水分,經(jīng)過液氮冷凍后置于-80℃冰箱保存,用于分析饑餓處理后HaLpR基因的表達(dá)差異,試驗包含4個生物學(xué)重復(fù)。
將棉鈴蟲樣品置于預(yù)冷的研缽內(nèi),加入液氮研磨成粉末后迅速轉(zhuǎn)移到1.5 mL的RNAase離心管中,然后采用TRIzol法提取總RNA,并使用超微量分光光度計和1%瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA的純度及完整性。取2 μg總RNA,使用PrimeScript RT Reagent Kit with gDNA Eraser(北京天根生物有限公司)合成第一鏈cDNA,保存于-20℃冰箱備用。RACE擴(kuò)增所需cDNA模板使用SMARTer?RACE 5′/3′ Kit(寶日醫(yī)生物技術(shù)有限公司)合成。
根據(jù)本實驗室所測的棉鈴蟲轉(zhuǎn)錄組結(jié)果,搜索棉鈴蟲轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)獲得載脂蛋白受體的基因片段,利用Premier 5.0軟件設(shè)計特異性引物進(jìn)行驗證,然后設(shè)計5′ RACE和3′ RACE 引物(表1)通過Advantage?2 PCR Kit(寶日醫(yī)生物技術(shù)有限公司)分別擴(kuò)增獲得3′端和5′端序列,具體操作按照試劑盒說明書進(jìn)行。將PCR擴(kuò)增片段切膠回收后,使用連接酶將其與pGM-T克隆載體(北京全式金生物技術(shù)有限公司)連接,轉(zhuǎn)至大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞DH5α中,經(jīng)過熱激、復(fù)性、涂板及37℃過夜培養(yǎng),挑選陽性菌落進(jìn)行測序。然后將所得序列片段拼接得到cDNA全長序列。設(shè)計特異引物HaLpR-F 和HaLpR-R驗證開放閱讀框,PCR反應(yīng)體系為cDNA模板1 μL,10 μmol/L上、下游引物各1 μL,PCR Master Mix 12.5 μL,ddH2O 9.5 μL。擴(kuò)增條件:94℃預(yù)變性3 min;94℃變性30 s,58℃退火30 s,72℃延伸2 min,35個循環(huán);72℃延伸5 min。
表1 本試驗使用的引物序列
利用ORF finder(https:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/)查找完整的開放閱讀框,并利用ExPASy網(wǎng)站translate tool(https:∥web.expasy.org/translate/)對HaLpR基因的ORF序列進(jìn)行翻譯,采用SignalP 4.1 軟件(http:∥www.cbs.dtu.dk/services/SignalP-4.1/)和TMHMM-2.0(https:∥services.healthtech.dtu.dk/service.php?TMHMM-2.0)預(yù)測信號肽和跨膜區(qū),利用SMART軟件(http:∥smart.embl-heidelberg.de/)進(jìn)行結(jié)構(gòu)域分析。根據(jù)翻譯得到的氨基酸序列,運(yùn)用NCBI的BLASTP工具搜索其他昆蟲的LpR序列,根據(jù)搜索到的其他昆蟲中同源性高的LpR氨基酸序列,利用ClustalX和Genedoc軟件進(jìn)行多重比較,使用MEGA 11軟件采用鄰位相接法(neighbor joining, NJ)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,進(jìn)行1 000次重復(fù)構(gòu)建。用于結(jié)構(gòu)域分析及進(jìn)化樹構(gòu)建的昆蟲載脂蛋白基因及登錄號見表2。
表2 構(gòu)建進(jìn)化樹所使用的不同種類昆蟲載脂蛋白受體基因及登錄號
根據(jù)獲得的棉鈴蟲HaLpR的cDNA序列,設(shè)計一對熒光定量引物q-HaLpR-F/R,以棉鈴蟲β-actin基因為內(nèi)參基因(表1),進(jìn)行擴(kuò)增效率驗證后,利用qRT-PCR檢測HaLpR在棉鈴蟲不同發(fā)育階段和不同組織的表達(dá)量。qRT-PCR采用SYBR Green 法,25 μL反應(yīng)體系:2×qPCR Master Mix 12.5 μL,cDNA模板2 μL,10 μmol/L上、下游引物各1 μL,ddH2O 8.5 μL。反應(yīng)在Bio-rad CFX96熒光定量PCR儀中進(jìn)行,反應(yīng)程序為:95℃預(yù)變性1 min;95℃變性5 s,60℃退火30 s,循環(huán)40次;熔解曲線95℃ 15 s,60℃ 15 s,95℃ 15 s。qRT-PCR結(jié)果用 2-△△Ct法進(jìn)行分析[26]。
不同發(fā)育階段和不同組織間的基因表達(dá)量差異顯著性采用單因素方差分析(One-way ANOVA),并采用Fisher’s LSD檢驗進(jìn)行多重比較(α=0.05)。對照組和饑餓處理組的基因表達(dá)量采用配對t-test法進(jìn)行差異顯著性分析。數(shù)據(jù)分析使用SPSS 17.0軟件。
棉鈴蟲LpR基因命名為HaLpR(基因登錄號KU355886.1),序列全長 3 117 bp,包含25 bp的5′非編碼區(qū)和449 bp的3′非編碼區(qū),開放閱讀框為2 643 bp,編碼880個氨基酸。預(yù)測其蛋白質(zhì)分子量為98.67 kD,等電點為5.01,預(yù)測其編碼的蛋白質(zhì)在N-末端含有1個信號肽,剪切位點位于第31和第32殘基。氨基酸結(jié)構(gòu)域分析發(fā)現(xiàn)HaLpR基因編碼的蛋白包含典型的低密度脂蛋白受體結(jié)構(gòu)域:8個富含半胱氨酸的配體結(jié)合域、3個表皮生長因子結(jié)構(gòu)域、5個低密度脂蛋白受體YWTD結(jié)構(gòu)域、1個跨膜域(795-817位氨基酸)以及一個網(wǎng)格蛋白包被的凹陷內(nèi)化基序FDNPVY(832-837位氨基酸)。
棉鈴蟲HaLpR與其他昆蟲LpR基因編碼的氨基酸序列比對表明,LpR 氨基酸序列在不同物種間的保守性較高,都包含低密度脂蛋白受體配體結(jié)合域(LDLa)、表皮生長因子結(jié)構(gòu)域(EGF)、低密度脂蛋白受體YWTD 結(jié)構(gòu)域(LY)等結(jié)構(gòu)域(圖1)。棉鈴蟲的HaLpR與斜紋夜蛾Spodopteralitura的LpR氨基酸序列相似性為94.4%,與螟蛾科Pyralidae臍橙螟Amyeloistransitella和大蠟螟LpR的氨基酸序列相似度分別為88.7%和87.5%,與蠶蛾科Bombycidae家蠶、蓖麻蠶SamiariciniLpR的相似度分別為85.2%和87.8%,與黑脈金斑蝶Danausplexippus、玉帶鳳蝶Papiliopolytes、金鳳蝶P.machaon和柑橘鳳蝶P.xuthus等鱗翅目蝶類昆蟲LpR的相似度在83.1%~85.5%之間,與其他非鱗翅目昆蟲的氨基酸序列的相似性在59.5%~72.4%之間(圖1)。
圖1 棉鈴蟲及其他昆蟲LpR氨基酸序列的結(jié)構(gòu)分析與比較
進(jìn)化樹顯示,棉鈴蟲HaLpR與斜紋夜蛾的LpR親緣關(guān)系最近,與臍橙瞑、大蠟螟、家蠶、蓖麻蠶等昆蟲LpR的親緣關(guān)系較近,而與黑脈金斑蝶、玉帶鳳蝶及柑橘鳳蝶等昆蟲的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)??傮w趨勢是親緣關(guān)系越近,同源性越高,與氨基酸序列比對結(jié)果一致(圖2)。
圖2 不同昆蟲物種LpR氨基酸序列的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系分析
HaLpR在卵和雌成蟲體內(nèi)高表達(dá),在幼蟲和雄成蟲體內(nèi)表達(dá)量較低(圖3a)。HaLpR在雌成蟲各個日齡均有表達(dá),表達(dá)量在雌成蟲羽化后第3天到達(dá)高峰,隨后逐漸降低,在羽化后第9天降到最低水平(圖3b)。HaLpR在脂肪體和卵巢中高表達(dá),在血淋巴中次之,而在中腸、表皮、馬氏管和頭部等組織中表達(dá)量較低(圖3c)。
圖3 HaLpR 在棉鈴蟲不同發(fā)育階段(a)、雌蟲不同日齡(b)及雌蟲不同組織(c)的表達(dá)情況
棉鈴蟲雌成蟲經(jīng)饑餓處理后,卵巢和脂肪體中HaLpR基因的表達(dá)量都受到抑制。與飼喂10%蜂蜜水的對照組相比,飼喂清水的饑餓處理組卵巢中HaLpR的表達(dá)量整體呈現(xiàn)下降的趨勢,24 h和48 h的表達(dá)量分別是對照組的115.3%和66.9%,而到72 h時其表達(dá)量顯著低于對照組,僅為對照組表達(dá)量的41.9%(t=3.7,df=3,P=0.03)(圖4a)。另一方面,饑餓處理降低HaLpR在脂肪體中的表達(dá),在饑餓處理 24 h,其表達(dá)量是對照組的82.18%,差異不顯著(t=1.16,df=3,P=0.33),在饑餓48 h和72 h后,其表達(dá)量分別是對照組的37.5%和24.8%,顯著低于對照組(48 h:t=4.7,df=3,P=0.018;72 h:t=4.7,df=3,P=0.018)(圖4b)。
圖4 饑餓對棉鈴蟲雌成蟲卵巢(a)和脂肪體(b)組織中HaLpR 基因表達(dá)量的影響
遷飛昆蟲羽化時卵巢并未發(fā)育成熟,雌成蟲通常需要補(bǔ)充包括糖、蛋白、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)其卵巢發(fā)育及胚胎成熟[27]。昆蟲卵母細(xì)胞中積累的蛋白質(zhì)在脂肪體內(nèi)合成后通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用轉(zhuǎn)運(yùn)至卵母細(xì)胞,大量研究表明VgR是將 Vg 輸送到生長中的卵母細(xì)胞的關(guān)鍵因子,對昆蟲卵巢成熟起著重要的促進(jìn)作用[3-5],除此之外,昆蟲卵母細(xì)胞發(fā)育也需要積累脂類物質(zhì),而載脂蛋白受體LpR能與相應(yīng)的載脂蛋白結(jié)合,以內(nèi)吞作用介導(dǎo)細(xì)胞對脂質(zhì)的攝取與代謝[8-9]。本研究通過RT-PCR與RACE技術(shù)克隆得到棉鈴蟲HaLpR的全長序列,發(fā)現(xiàn)其具有該基因家族的典型結(jié)構(gòu)域(圖1),通過對多種昆蟲LpR氨基酸序列結(jié)構(gòu)對比發(fā)現(xiàn),不同物種在低密度脂蛋白受體配體結(jié)合域富含半胱氨酸的重復(fù)序列存在差異(圖1),然而已有研究表明配體結(jié)合域LDLa的第6-8重復(fù)域在與配體結(jié)合時不發(fā)揮作用[28],因此我們推測不同昆蟲的受體與配體結(jié)合力無差異。
HaLpR基因時空表達(dá)譜分析表明,HaLpR在棉鈴蟲雌成蟲中高表達(dá),推測LpR可能與棉鈴蟲雌蟲的生殖行為相關(guān),該推測與德國小蠊和褐飛虱的研究結(jié)果一致[18-20]。而豌豆蚜ApLpR在成蟲體內(nèi)的表達(dá)量低于幼蟲,但在胚胎時期表達(dá)量顯著高于其他齡期[21],同樣的,HaLpR也在棉鈴蟲卵內(nèi)高表達(dá),這可能與脂質(zhì)作為胚胎發(fā)育期的重要營養(yǎng)消耗物質(zhì)相關(guān)。另外組織表達(dá)譜分析發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲HaLpR在2日齡雌蟲的脂肪體和卵巢內(nèi)高表達(dá),從側(cè)面證實昆蟲的LpR可能參與脂肪體和卵巢組織的脂質(zhì)運(yùn)輸和攝取。類似表達(dá)模式在其他昆蟲中也有報道,例如褐飛虱的NlLpR在脂肪體和卵巢內(nèi)高表達(dá),而在頭部、表皮和中腸的表達(dá)量相對較低[20]。飛蝗的LmLpR-S在卵巢的表達(dá)量顯著高于其他組織,而飛蝗中的另一個LpR亞型LmLpR-L除了在卵巢內(nèi)高表達(dá)外,還在翅芽中高表達(dá)[29]。豌豆蚜的ApLpR在腹部角質(zhì)層中高表達(dá),并且通過RNAi 抑制ApLpR的表達(dá)會降低豌豆蚜表皮羥基化合物和內(nèi)部碳?xì)浠衔锏暮?進(jìn)而增加對干燥的敏感性[21]。另外,家蠶中的LpR-4亞型在其腦部及腦神經(jīng)細(xì)胞中特異性地表達(dá)[16],果蠅的LpR-S亞型在幼蟲的腦神經(jīng)高表達(dá),并與星形膠質(zhì)細(xì)胞衍生的載脂蛋白相互作用,介導(dǎo)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞脂質(zhì)穿梭[30]。由于基因的階段性或者組織特異性表達(dá)往往與其在組織或者階段的生命活動相關(guān),這表明LpR除了參與成蟲卵巢發(fā)育相關(guān)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)外,還參與了表皮層及神經(jīng)細(xì)胞的脂質(zhì)運(yùn)輸。
昆蟲的繁殖力與成蟲期的營養(yǎng)息息相關(guān),饑餓處理顯著降低成蟲期有營養(yǎng)需求的昆蟲的產(chǎn)卵量[31-33],卵母細(xì)胞內(nèi)積累的脂類是維持胚胎發(fā)育的主要能量來源,在致倦庫蚊Culexquinquefasciatus中發(fā)現(xiàn)卵母細(xì)胞發(fā)育所需的能量90%以上來自于脂類[34],果蠅中95%的脂類主要依靠血淋巴內(nèi)的載脂蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)[35]。甜菜夜蛾Spodopteraexigua經(jīng)饑餓處理后體內(nèi)脂肪含量顯著降低[36],本研究通過實時熒光量PCR檢測發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲經(jīng)饑餓處理后HaLpR基因無論在脂肪體還是卵巢組織內(nèi)表達(dá)量都顯著降低,這說明饑餓處理抑制了HaLpR的表達(dá),我們推測饑餓處理導(dǎo)致昆蟲產(chǎn)卵量降低可能跟載脂蛋白受體基因表達(dá)受到抑制有關(guān)。Lu等利用RNAi技術(shù)發(fā)現(xiàn)干擾NlLpR基因后褐飛虱體內(nèi)的甘油三酯含量和Vg含量都顯著降低,進(jìn)而導(dǎo)致褐飛虱的產(chǎn)卵量和孵化率顯著降低[20]。此外,沉默魚虱Lepeophtheirussalmonis的LsLpR,其后代數(shù)量下降為對照組的25%[37]。然而在德國小蠊中,干擾LpR顯著降低雌蟲脂肪體內(nèi)的脂質(zhì)含量,但LpR干擾組和對照組的生殖力無明顯差異[18]。然而在棉鈴蟲中,饑餓處理降低了雌蟲的生殖力,但饑餓24、48、72 h后棉鈴蟲雌蟲體內(nèi)脂肪含量無顯著變化(數(shù)據(jù)未發(fā)表),由于載脂蛋白與組織細(xì)胞之間的相互作用可能需要多種組分的參與,棉鈴蟲HaLpR對卵巢發(fā)育的具體影響仍需要RNAi或者基因編輯技術(shù)進(jìn)一步研究。