家蚕幼虫高温处理前后SAGE文库的构建与分析及差异表达热激蛋白基因的研究

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家蚕是重要的经济昆虫,同时也是鳞翅目模式生物,具有重大的应用和科研价值。随着蚕桑生产向省力化和高效化的发展趋势,现代蚕桑生产对蚕品种的抗逆性提出了更高的要求;另一方面以家蚕为实验材料的基础科学研究正成为昆虫基础研究和生物学基础研究的崭新领域。研究家蚕幼虫对高温逆境的基因表达差异,对于阐明家蚕乃至昆虫对高温逆境的反应机制和培育抗高温性家蚕新品种具有重要的理论和实际意义。   本文以家蚕品种“7532”为试验材料,5龄期采用高温处理和常温对比饲养,常温组和高温组分别以雌雄取样,解剖家蚕幼虫5龄饷食24h、72h和熟蚕的脂肪体、丝腺和中肠,提取各时期相关组织的总RNA,分别以雌性常温、雌性高温、雄性常温和雄性高温的各时期的混合组织为材料,首次运用基因表达系列分析(SAGE)技术分别构建家蚕不同性别高温与常温4个SAGE文库,结合生物信息方法对文库进行分析。对筛选的一个差异表达显著的热激蛋白基因进行了克隆与组织表达谱分析。获得主要结果如下:   1.SAGE文库的构建与分析成功构建了家蚕5龄雌雄蚕高温处理前后的4个SAGE文库。为了排除性别差异的干扰,文库数据的相关分析和差异基因的筛选采用雌性常温和高温的2个SAGE文库,结合多种生物信息学方法对文库进行多类型分析及多层次数据提取运行,形成形式简洁、便于查询的系统信息二级数据库,雌性家蚕常温组和高温组分别检测到358万和356万个原始标签(tags),通过两个文库的分析比较,获得1062个差异显著的基因,其中经高温处理后上调的基因有298个、下调的有764个。为了验证SAGE标签出现的次数是否和对应的基因表达丰度相一致,随机选择了5个基因,用RT-PCR的方法加以验证,结果证明文库的数据是可靠的。   2.雌蚕高温处理前后2个文库的GO分析和KEGG路径分析基因本体论(GO)分析发现两个文库基因的分布极其相似,表明了这些基因在不同的环境温度下有类似的生物学功能并参与类似的生理过程。通过对两个家蚕SAGE文库中1062个差异显著基因的KEGG路径分析,结果显示有732个基因分布到176个KEGG路径中,其中有40个为差异表达基因显著富集的路径(P<0.05),超过一半的路径与代谢、生物合成和信号传递有关,这有助于鉴定家蚕抗高温基因以及探究基因网络调控机制。   3.家蚕BmsHSP27.4基因的克隆与分析通过对雌性文库的分析发现注释到HSP的标签较多,鉴于HSP的重要功能和意义,为了全面了解HSP在不同性别和温度条件下的表达水平差异,同时参照了雄性高温处理前后的2个SAGE文库,通过对4个文库中所注释到的热激蛋白基因的筛选和比较,共获得27个注释到热激蛋白的基因。本实验选择了不同性别和不同温度下均表达显著差异的基因(HSPgene10),其SilkDB登录号为BGIBMGA005823-TA,Zi Wen Li等人在论文中称该基因为BmsHSP27.4。通过克隆与延长,最终获得了全长944bp,其中最长ORF为741 bp,其5'端共延伸了48 bp,3'端共延伸了187 bp。序列与近期日本学者Mita K登录的序列一致(登录号为AK382044)。通过DNAStar软件分析发现该基因编码247个氨基酸,定位在5号染色体上且没有内含子。进化分析表明家蚕BmsHSP27.4基因与云杉卷叶蛾的sHSP33.6基因的进化距离最近,且与大多数的热激蛋白分属于不同的进化分支。EST表达谱与芯片电子表达谱均显示BmsHSP27.4基因在性腺和头部的表达水平较高。   4.家蚕BmsHSP27.4基因时空表达分析运用RT-PCR技术分别调查了BmsHSP27.4基因在家蚕品种7532和皓月的不同性别高温处理前后的中肠、丝腺和脂肪体中的表达水平,结果发现高温处理后该基因在两个品种不同性别的3个组织中呈快速上升的趋势,这说明了该基因是高温敏感基因。通过对BmsHSP27.4基因在不同性别家蚕7532高温处理后在脂肪体和中肠中的表达水平调查,结果显示高温下雄性的表达水平比雌性高,预测该基因可能与雄蚕具有较高的生命力存在一定的联系。   家蚕高温处理前后SAGE文库的构建具有重大的科学价值,为鉴定家蚕高温敏感性基因提供了宝贵的信息,有助于发现新的与高温密切相关的基因,为今后从分子水平上研究抗高温机制提供重要的参考依据。
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