中华蜜蜂AccAMPKα和AccAMPKβ基因在农药和重金属胁迫下的功能研究

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中华蜜蜂(Apis cerana cerana)是我国特有的蜜蜂种质资源,不仅能够提供丰富的蜂产品,还在植物授粉和维持生态系统稳定方面发挥着重要作用。但是近些年随着社会和经济的发展,人类活动造成的农药和重金属污染对中华蜜蜂的生长发育和种群健康等造成了严重威胁。因此,研究中华蜜蜂抵抗农药和重金属胁迫的分子机制,对改良和培育中华蜜蜂新品种、提高其在胁迫环境下的生存能力具有重要的战略意义。AMP依赖的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)作为重要的能量传感器,不仅在生物大分子的代谢调控中扮演着重要角色,还能够参与氧化应激反应,在机体抵御外界胁迫的过程中发挥重要的功能。本研究从中华蜜蜂中分离得到AccAMPKα和AccAMPKβ基因,对它们进行了生物信息学、表达特性和功能分析,解析了AccAMPKα和AccAMPKβ应对农药和重金属胁迫时的分子机制。主要研究结果如下:(1)从中华蜜蜂中分离得到AccAMPKα和AccAMPKβ,生物信息学分析表明,AccAMPKα和AccAMPKβ分别与意大利蜜蜂中的Am AMPKα和Am AMPKβ亲缘关系更近。AccAMPKα的N端含有保守的激酶结构域(kinase domain,KD)和自抑制结构域(autoinhibitory domain,AID),C端具有β结合结构域;AccAMPKβ具有保守的糖原结合结构域(glycogen binding domain,GBD)。基因组结构分析发现,AccAMPKα包含9个外显子和8个内含子,AccAMPKβ包含4个外显子和3个内含子。通过酵母双杂交实验证明AccAMPKα和AccAMPKβ具有相互作用关系。(2)对AccAMPKα和AccAMPKβ基因在中华蜜蜂不同组织部位和不同发育时期的表达特性进行研究,实时荧光定量PCR(quantitative real-time PCR,q RT-PCR)结果表明,AccAMPKα和AccAMPKβ的表达模式基本一致,均在肌肉和1日龄成虫中的表达量最高。(3)对不同农药和重金属处理条件下AccAMPKα和AccAMPKβ的转录水平和蛋白水平进行分析,q RT-PCR结果显示,AccAMPKα和AccAMPKβ的表达量受到不同胁迫条件的影响。Western blot结果显示,阿维菌素、草甘膦、吡唑醚菌酯和氯化镉处理均能使AccAMPKα和AccAMPKβ蛋白的表达量呈现上调趋势。实验结果说明,AccAMPKα和AccAMPKβ参与中华蜜蜂抵抗农药和重金属胁迫的应激反应过程。(4)借助RNA干扰技术,在中华蜜蜂体内沉默了AccAMPKα和AccAMPKβ基因,观察并记录在农药和重金属胁迫条件下中华蜜蜂的存活情况。通过实验发现,与对照组相比,沉默AccAMPKα和AccAMPKβ增加中华蜜蜂在胁迫条件下的死亡率。实验结果表明,AccAMPKα和AccAMPKβ在中华蜜蜂抵抗农药和重金属胁迫反应中发挥重要的作用。(5)在大肠杆菌和酵母菌中过表达AccAMPKα和AccAMPKβ蛋白,结果表明在固体草甘膦、氯化镉和过氧化氢胁迫培养中转化重组质粒的大肠杆菌和酵母菌的菌落数多于对照组,在液体胁迫培养中重组大肠杆菌的生长速度也显著高于对照。抑菌实验结果显示,用过氧化氢异丙苯进行处理后,过表达AccAMPKα和AccAMPKβ蛋白的大肠杆菌抑菌圈明显要小于对照组。这些结果说明过表达AccAMPKα和AccAMPKβ蛋白可以提高大肠杆菌和酵母菌在不同胁迫条件下的耐受性。(6)沉默AccAMPKα和AccAMPKβ后,发现中华蜜蜂体内的一些抗氧化基因的表达量下降,抗氧化酶(过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶)的酶活性和维生素C的含量降低,而过氧化氢、丙二醛和蛋白质羰基的含量增加,这些结果表明,AccAMPKα和AccAMPKβ可能通过参与中华蜜蜂的抗氧化通路响应胁迫应激过程。
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