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农业害虫60%以上属于鳞翅目。研究和利用鳞翅目害虫的致死基因,制造并向环境释放一定数量的隐性或条件显性致死基因雄虫,能够向害虫种群扩散致死基因,达到长期抑制害虫数量、控制虫害的目的,对于农业害虫的生物防治具有重大意义。
家蚕是鳞翅目模式昆虫,也是唯一完成全基因组测序的鳞翅目模式生物,这为鳞翅目害虫的功能基因研究提供了一个便利的平台。本研究基于家蚕WGS数据库、EST数据库、protein数据库,以果蝇、线虫公布的lethal基因为原始数据,运用生物信息学方法,结合RT-PCR、分子克隆、原核表达、RNAi等生物实验技术,第一次大量克隆获得了家蚕lethal同源基因,并对其进行结构分析和功能研究。主要获得以下结果:
1.蚕lethal同源基因的电子克隆利用生物信息学方法,以果蝇和线虫中公布的146个lethal基因为原始数据,从家蚕的EST数据库中克隆出7条lethal同源基因,分别命名为Bm-lethal(2)(GeneBank 登录号:EFl57831)、Bm—lethal(3)s1921、Bm-lethalt(3)ne018、Bm-lethal(3)07882、Bm-lethal(3)02640、Bm-female lethal和Bm-let-2(GeneBank登录号:EU183409)。这是迄今为止报道和登陆鳞翅目昆虫lethal同源基因最多的一次。
2.家蚕lethal同源基因的cDNA克隆及序列分析从家蚕C108品种5龄幼虫脂肪体转录产物中,克隆、测序验证了Bm-lethal(2)、Bm-lethal(3)s1921、Bm—lethal((3)ne018、Bm-lethalt(3)07882、Bm-lethalq(3)02640和Bm-let-26条同源基因,结合RACE技术,获得了Bm-lethal(2)和Bm-let-2的全长mRNA序列。
生物信息学分析表明,Bm-lethal(2)的氨基酸包含一个DAO(D-amino acid oxidase)蛋白家族功能域,具有1个甘油-3-磷酸脱氢酶保守区和2个Ca2+结合区域,属于FAD-依赖性氧化还原酶:Bm-lethal(3)s1921的氨基酸包含6个EZ-HEAT重复片段,与其它物种的脱氧辅蛋白羟化酶具有50%以上的同源性,可能是脱氧辅蛋白羟化酶;Bm-lethal(3)ne018在家蚕体内存在2个mRNA转录体,编码同一蛋白质,与其它物种的泛醌1β子复合体5蛋白质的C端有40%-60%的同源性,可能为泛醌的一个子复合体亚基,参与氧化还原反应:Bm-lethal(3)07882的氨基酸包含一个Nop14(nucleolar protein 14)蛋白质家族功能域,与人、鼠等物种的Nop14具有40%-50%的同源性,推测其为Nop14蛋白基因。Bm-lethal(3)02640的氨基酸包含一个胆色素原脱氨酶的保守区,又是dipyromethane辅助因子的绑定区域,与其它物种的胆色素原脱氨酶的蛋白质N端部分有60%.70%的同源性,推测其为胆色素原脱氨酶基因。Bm-let-2的蛋白质与按蚊、蜜蜂、人等物种的type Ⅳ collagen α1(Ⅳ)链有较高的同源性,其C端包含2个重叠的type Ⅳ collagen保守区和9个collagen蛋白家族功能域,说明其为type Ⅳ collagen蛋白质基因。利用家蚕dbWGS,结合RT-PCR等生物实验,拼接完成了Bm—lethal(2)和Bm—let-2的全基因序列。并利用MAGE3分别对其进行同源进化树分析,显示其均与蜜蜂、果蝇等昆虫的进化距离较近,而与人、牛等哺乳动物的进化距离较远,与传统理论的进化关系相一致。
3.Bm-lethal(2)基因的原核表达、时空表达分析及RNAi研究原核表达实验,证明Bm-lethal(2)能够在原核细胞中大量诱导表达。
时空表达研究证明,Bm-lethal(2)基因在血液中的表达量较少,而在生殖腺、脂肪体、丝腺和中肠中没有发现明显的组织表达特异性;Bm—lethal(2)基因在5龄幼虫阶段的表达量逐渐上升,在蛹期显著下降,而在处女蛾卵期的表达量却最高,之后下降。在产卵后72 h、及盐酸活化处理1 h时几乎没有表达。
RNAi研究显示,注射Bm-lethal(2)dsRNA后,Bm-lethal(2)的表达量明显下降,但家蚕的生命力没有发生明显变化,在注射后9 d,Bm-lethal(2)RNAi组家蚕的体重明显高于阴性和阳性对照组。Bm-lethal(2)基因被抑制后,可能有其它基因代替执行其相应的功能。