黏虫β-N-乙酰葡萄糖苷酶和几丁质酶cDNA的克隆及特性研究

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几丁质是昆虫重要的组成成分,几丁质代谢系统的正常运转对昆虫蜕皮至关重要。β-N-乙酰葡萄糖苷酶和几丁质酶作为几丁质降解的关键酶,对昆虫生长发育具有重要的意义。黏虫Mythimna separata Walker作为我国粮食作物的主要害虫,近年来,在我国多个省市地区大发生,造成了高密度的集中危害,对我国粮食安全造成严重的威胁。由于几丁质在高等动植物体内没有分布,因此,将β-N-乙酰葡萄糖苷酶和几丁质酶基因作为黏虫生物农药新的靶标基因,是害虫生物防治技术研究的关键环节。以黏虫为试验材料,克隆获得新的β-N-乙酰葡萄糖苷酶基因MsNAG和几丁质酶基因MsCHT7的cDNA序列,并研究黏虫两种基因在不同发育阶段和组织中的表达规律,及20-羟基蜕皮甾酮(20E)对两种基因表达的影响;利用RNAi技术,对MsNAG基因进行功能性研究,为黏虫的生物技术防治提供新思路。利用RT-PCR和RACE技术在黏虫中克隆得到β-N-乙酰葡萄糖苷酶MsNAG的cDNA序列。cDNA序列全长2619 bp,包含1个长度为1785 bp的开放阅读框,编码一个含有594个氨基酸的多肽,等电点为5.19,分子量为57.8 kDa。通过氨基酸序列分析,发现该基因属于20家族糖苷水解酶,为几丁质水解酶NAGⅠ型,命名为MsNAG,在GenBank上登录,获得登录号为No.KY348777。与甘蓝夜蛾Mamestra brassicae、小地老虎Agrotis.ipsilon、粉纹夜蛾Trichoplusia ni和八字地老虎Xestia c-nigrum等鳞翅目夜蛾科昆虫NAGs一致性较高,达80%以上。通过黏虫高通量测序鉴定得到黏虫几丁质酶基因MsCHT7的cDNA序列,全长3360 bp,开放阅读框长度为2970 bp,编码一个含有989个氨基酸的多肽,等电点为6.24,分子量为111.6 kDa。通过氨基酸序列分析,发现该基因属于18家族糖苷水解酶,具有2个Glyco18催化结构域和1个几丁质结合结构域ChtBD2,属于几丁质酶GroupⅢ的CHT7,命名为MsCHT7,在GenBank上登录,获得登录号为MG551526。其氨基酸序列与同为CHT7的甜菜夜蛾S.exigua(AFM38213)、桃蛀螟Conogethes punctiferalis(ASM94207)、赤拟谷盗T.castaneum和褐飞虱N.lugens(AJO25042)的一致性分别为96%、92%、80%和78%。利用荧光定量PCR方法研究MsNAG基因在不同发育阶段和不同组织中的表达规律。分析发现MsNAG在黏虫不同发育阶段均有表达,各龄期幼虫蜕皮前后基因表达量呈周期性变化,蜕皮前表达量高于蜕皮后。蜕皮前时期和蜕皮后时期,基因表达量分别随幼虫龄期增加而升高。预蛹期表达量最高,在蛹期第1 d表达量明显降低,蛹期最后1 d和成虫期表达量并无升高。MsNAG基因在不同组织中均有表达,在唾腺中表达量最高,其次是体壁,在后肠中表达量最低。对MsCHT7基因在不同发育阶段和不同组织中表达的研究发现,在黏虫各个发育阶段MsCHT7基因均有表达,各龄期幼虫蜕皮前表达量高于蜕皮后,且蜕皮前后表达量分别随幼虫龄期增加而升高,预蛹期最高,在蛹期第1 d表达量降低,但在蛹期最后1 d又升高,且成虫期表达量依然较高。MsCHT7在黏虫前肠、中肠、后肠、唾腺、马氏管、体壁和脂肪体7个组织中均有表达,在体壁中表达量最高,中肠表达量最低。20E对MsNAG和MsCHT7两种基因具有诱导表达的作用。通过不同浓度20E处理5龄第1 d黏虫,研究20E对MsNAG和MsCHT7基因表达的影响。结果发现,20E浓度为2.5μg/μL、5μg/μL和10μg/μL时,MsNAG和MsCHT7基因的表达量随20E浓度增加逐渐升高,但在20μg/μL时又降低。结果表明20E成功诱导了MsNAG和MsCHT7基因的表达,且20E浓度为10μg/μL时,诱导效果最好。MsNAG基因与黏虫蜕皮过程密切相关。利用RNA干扰技术,对MsNAG基因进行功能性研究。对5龄第1 d黏虫注射dsMsNAG,时间处理为24和48 h时,黏虫虫体中MsNAG基因的表达水平分别下降了76.5%和80.6%,体壁中MsNAG基因的表达水平分别下降了67.9%和81.1%。RNA干扰后,一些黏虫无法完成正常的蜕皮过程,甚至出现死亡现象。这证明RNA干扰成功抑制了MsNAG基因的表达,且MsNAG基因可能与昆虫蜕皮等生理活动相关。
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