白背飞虱两个几丁质酶基因的克隆及功能分析

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白背飞虱Sogatella furcifera(Horváth)隶属于半翅目(Hemiptera),飞虱科(Delphacidae),是我国重要的水稻害虫之一,其对水稻生产的危害主要表现在以下三个方面:(1)产卵危害;(2)刺吸危害;(3)传播病毒病或诱发水稻病害,例如南方水稻黑条矮缩病毒(Southern rice black-streaked dwarf virus,SRBSDV)。近年来,白背飞虱对各稻区的发生危害日趋严重,因此,开发新的防治白背飞虱的措施迫在眉睫。几丁质酶在昆虫变态发育过程中起着重要作用,通过扰乱几丁质酶的正常调控,进而破坏几丁质新陈代谢过程来防治害虫,可作为新型害虫防治策略,具有极大的发展潜力。目前关于白背飞虱几丁质酶5和10基因的克隆和表达分析已有报道,但关于白背飞虱其他种类的几丁质酶的研究仍相对较少。因此,本文通过RT-PCR结合RACE技术克隆获得白背飞虱几丁质酶7基因(Sf Cht7)和几丁质酶8基因(Sf Cht8)的全长c DNA序列,利用荧光定量PCR和RNAi技术解析了Sf Cht7和Sf Cht8的表达模式以及在生长发育中的功能,本文研究结果为探索杀虫剂作用新的靶标位点提供分子基础,进而探索防治白背飞虱的新方法。1.白背飞虱Sf Cht7和Sf Cht8全长序列的获得采用RT-PCR结合RACE技术,获得基因片段后进行拼接最终获得全长序列。Sf Cht7基因全长为3219 bp,其中包括5’端非编码区142 bp和3’端非编码区200 bp,开放阅读框为2877bp,编码958个氨基酸残基。Sf Cht8基因全长为2603 bp,其中包括5’端非编码区102 bp和3’端非编码区1184 bp,开放阅读框为1317bp,编码438个氨基酸残基。2.白背飞虱Sf Cht7和Sf Cht8生物信息学分析基于克隆出的Sf Cht7和Sf Cht8基因的全长序列,对Sf Cht7和Sf Cht8基因编码的氨基酸及蛋白质进行理化性质和高级结构的生物信息学进行预测分析,结果如下:Sf Cht7和Sf Cht8的计算分子量分别约为107.9 k Da和49.1 k Da,估测等电点p I分别为7.0和5.2,化学分子式分别为C4838H7434N1294O1434S39和C2215H3408N566O664S15;Sf Cht7和Sf Cht8的氨基酸序列与褐飞虱几丁质酶氨基酸序列一致性最高;两个几丁质酶基因均有一个跨膜区和信号肽;两者都有磷酸化位点;Sf Cht7和Sf Cht8的α螺旋所占比例分别为25.8%和31.3%、β-折叠为20.5%和20.3%、无规则卷曲为53.3%和47.9%;Sf Cht7具有一个几丁质结合位点和两个几丁质酶18家族活性位点,而Sf Cht8仅有一个几丁质酶18家族活性位点;Sf Cht7属于第III组几丁质酶,与半翅目褐飞虱Cht7具有较高的同源性,Sf Cht8属于第VII组几丁质酶,半翅目褐飞虱Cht8具有较高的同源性,以上结果与传统上分类关系较为一致。3.白背飞虱Sf Cht7和Sf Cht8发育阶段表达特异性分析利用荧光定量PCR技术对白背飞虱在不同发育时期的13个时间点(从1龄若虫至刚羽化的成虫)的Sf Cht7和Sf Cht8表达模式进行了分析。结果显示,在白背飞虱由5龄若虫羽化至成虫的过程中,Sf Cht8表达量变化显著,羽化前表达量随着时间增加而增加,直至5龄末期达到最高,羽化后表达量即开始下降。Sf Cht7在白背飞虱不同发育时期都有持续的表达。4.白背飞虱Sf Cht7和Sf Cht8功能分析对白背飞虱5龄幼虫分别进行ds Cht7,ds Cht8,ds GFP注射,观察并记录表型变化和死亡率,72 h后收集部分虫体检测靶标基因的表达变化情况。结果显示,与注射ds GFP的对照组相比,注射ds Cht7和ds Cht8后,Sf Cht7和Sf Cht8的表达水平分别下降了82.6%和37.2%,说明Sf Cht7和Sf Cht8基因的表达明显被抑制。死亡率统计及表型观察发现,注射ds Cht7后,白背飞虱的死亡率达到27.7%,畸形率为58.5%;而注射ds Cht8后,没有畸形或明显的死亡情况出现。Sfcht7基因表达量下降后出现3种畸形表型:蜕皮异常(25%)、无法蜕皮(14.7%)、翅型异常(60.3%)。
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