全 文 :植物保护学报 Journal of Plant Protection, 2015, 42(6): 997 - 1003 DOI: 10 13802 / j. cnki. zwbhxb. 2015 06 020
基金项目:国家公益性行业(农业)科研专项(201303026),河南科技大学青年科学基金(2015QN029)
∗通讯作者(Author for correspondence), E⁃mail: junfengdong@ haust. edu. cn
收稿日期: 2015 - 07 - 02
双委夜蛾非典型嗅觉受体 Orco的克隆、分子特征及表达
宋月芹1 李文亮1 刘顺通2 孙会忠1 石 洁3 董钧锋1∗
(1.河南科技大学林学院, 洛阳 471003; 2.河南省农林科学院植物保护研究所, 洛阳 471022;
3.河北省农林科学院植物保护研究所, 保定 071000)
摘要: 为了解新发现的农业害虫双委夜蛾 Athetis dissimilis (Hampson)非典型嗅觉受体 Orco的分子
特征与表达,通过分析转录组数据并利用 RT⁃PCR 技术克隆了双委夜蛾 Orco 基因,并采用实时定
量 PCR技术研究了该基因的组织表达谱。 结果显示,双委夜蛾非典型嗅觉受体 Orco 基因开放阅
读框全长 1 422 bp,编码 473 个氨基酸,经氨基酸结构预测具有 7 个跨膜区,N端在膜内,C 端在膜
外;该基因编码的氨基酸序列与其它昆虫 Orco 序列相似性极高,因此将该基因命名为 AdisOrco
(GenBank登录号:KR632987),此氨基酸序列 C末端第 6 跨膜区和第 7 跨膜区之间以及第 7 跨膜
区的序列保守性最高;PCR结果显示,AdisOrco 主要在成虫触角中表达,且在雄蛾触角中的表达量
是雌蛾触角中的 4 2 倍,在足、翅、下唇须和喙等组织中也有少量表达。
关键词: 双委夜蛾; 非典型嗅觉受体; 基因克隆; 分子特征; 表达模式
Cloning, molecular characteristics and expression pattern of the
olfactory receptor co⁃receptor gene of Athetis dissimilis
Song Yueqin1 Li Wenliang1 Liu Shuntong2 Sun Huizhong1 Shi Jie3 Dong Junfeng1∗
(1. College of Forestry, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan Province, China;
2. Institute of Plant Protection, Luoyang Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Luoyang 471022,
Henan Province, China; 3. Institute of Plant Protection, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences,
Baoding 071000, Hebei Province, China)
Abstract: In order to understand the molecular characteristics and expression pattern of olfactory receptor
co⁃receptor (Orco) gene of Athetis dissimilis (Hampson), a new agricultural pest, the Orco was cloned
through using transcriptome data analysis and RT⁃PCR techniques, and its expression pattern was
analyzed in different tissues by real⁃time quantitative PCR method. The results showed that the Orco gene
of A. dissimilis contained a 1 422⁃bp open reading frame (ORF) that encoded 473 amino acid residues,
and the deduced Orco protein possessed structural characteristics of seven transmembrane domains, an
intracellular N⁃terminus and an extracelluar C⁃terminus. The amino acid sequence of Orco gene had high
similarity with the identified Orco from other insects; therefore, this gene was designated as AdisOrco
(GenBank accession no. KR632987). The sequences between the sixth and seventh transmembrane
domains, and the seventh transmembrane domains in the C⁃terminus showed the most conservative. The
AdisOrco gene was highly expressed in antennae of adult A. dissimilis, and the expression level in adult
males was 4 2 times higher than that of the adult female, and low⁃level expression was also observed in
labial palpi, proboscis, legs and wings.
Key words: Athetis dissimilis; olfactory co⁃receptor; gene cloning; molecular characteristic; expression pattern
双委夜蛾 Athetis dissimilis (Hampson)属鳞翅目
夜蛾科委夜蛾属,主要分布于日本、朝鲜、印度、菲律
宾、印度尼西亚和中国台湾等地( Takahashi,1975;
Cho et al. ,2010),主要为害玉米、小麦、大豆、花生
和甘薯等作物,是一种新发现的农业害虫。 2012 年
在我国山东玉米田首次发现其幼虫 (李静雯等,
2014),随后在河南、陕西和安徽等地也发现此害虫
为害,且逐年加重。 双委夜蛾幼虫与近年来在黄淮
海夏玉米区为害严重的二点委夜蛾 Athetis lepigone
(Möschler)幼虫习性相似(江幸福等,2011;石洁等,
2011),多潜伏在田间作物枯枝落叶下,具有隐蔽为
害的习性,严重影响了化学防治效果。
特异的传统嗅觉受体(olfactory receptor,OR)与
高度保守的非典型嗅觉受体( olfactory receptor co⁃
receptor,Orco)共同形成异源二聚体配体门控阳离
子通道,对昆虫嗅觉具有至关重要的作用。 Orco 本
身不参与气味的识别或结合反应,但对离子通道的
形成十分重要 ( Larsson et al. ,2004; Jones et al. ,
2011)。 Fan et al. (2015)通过 RNA 干扰降低 Save⁃
Orco在麦长管蚜 Sitobion avenae中的表达,使麦长管
蚜对植物气味和信息素反应减弱; Zhou et al.
(2014)通过干扰 Orco 表达后,绿盲蝽 Apolygus lu⁃
corum对化学信息素的反应降低 80% 。 将编码家蚕
Bombyx mori和烟芽夜蛾 Heliothis virescens的 Orco受
体 cRNA,分别在非洲爪蟾 Xenopus laevis 卵母细胞
中与家蚕的 BmOr1 传统气味受体 cRNA 共同表达,
发现烟芽夜蛾的 Orco 可提高 BmOr1 对蚕蛾醇的反
应,且提高程度与家蚕 Orco 类似,说明 Orco 家族成
员不仅在氨基酸序列上保守,而且在功能上也是高
度保守的(Nakagawa et al. ,2005)。 目前关于 Orco
的功能基本明确,但是对昆虫嗅觉受体信号传导的
机制尚不清楚。 因此,研究对不同昆虫间 Orco 高度
保守的特性给害虫防治带来了新机遇。
目前关于其它昆虫 Orco同源基因组织特异性的
研究较多,如 Yang et al. (2012)对东亚飞蝗 Locusta
migratoria和沙漠蝗 Schistocerca gregaria的 Orco 进行
克隆,发现 Orco 在口器、颊和翅中都有表达;斜纹夜
蛾 Spodoptera litura 的 Orco 主要在成虫触角中表达
(Wu et al. ,2013);葛星等(2013)发现桃蛀螟 Cono⁃
gethes punctiferalis的 Orco除在触角中大量表达外,在
下唇须中表达量也较高;董钧锋等(2015)发现 Orco
主要在棉铃虫齿唇姬蜂 Campoletis chlorideae雌、雄蜂
触角中表达,在其它组织中表达量极低,而未见对双
委夜蛾 Orco基因组织特异性的相关研究。
因此,基于本课题组前期对双委夜蛾触角转录
组测序结果,本试验结合 RT⁃PCR 技术,克隆和鉴定
出双委夜蛾非典型嗅觉受体 Orco 基因,并通过实时
定量 PCR方法对其在成虫不同组织中的表达谱进
行分析,以期为下一步研究嗅觉受体的功能奠定理
论基础。
1 材料与方法
1 1 材料
供试昆虫:双委夜蛾幼虫于 2012 年 5 月采自河
南省洛阳市郊区小麦田,带回室内用人工饲料连续
饲养至今。 化蛹后,将雌雄分开放入直径 20 cm、高
35 cm的羽化笼内,羽化后用 10%蜂蜜水补充营养,
饲养条件为温度 27 ± 1℃、相对湿度 70% ~ 80% 、光
周期 16 L ∶ 8 D。
试剂:总 RNA 提取试剂盒 RNAisoTM Plus、反转
录试剂盒 PrimeScriptTM RT Reagent Kit、 Oligo( dT)
18 Primer、 dNTP Mixture、 PrimeScrip Buffer、 Prime⁃
Scrip Reverse Transcriptase、RNase Inhibitor、DNA 聚
合酶 TaKaRa Ex Taq®试剂盒、 Ex Taq Buffer、 Ex
Taq、dNTP Mixture、琼脂糖凝胶回收试剂盒 TaKaRa
MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit Ver. 4 0、
DNase消化酶、TA 克隆载体 pMD18⁃T 和实时定量
试剂盒 SYBR® Premix Ex TaqTM II,宝生物工程(大
连)有限公司;5⁃溴⁃4⁃氯⁃3⁃吲哚⁃β⁃D⁃半乳糖苷 (5⁃
bromo⁃4⁃chloro⁃3⁃indolyl⁃D⁃galactopyranoside,X⁃gal)、
异丙基⁃D⁃硫代吡喃半乳糖苷( isopropyl⁃D⁃1⁃thioga⁃
lactopyranoside, IPTG )、 氨苄青霉素 ( ampicillin,
Amp)和大肠杆菌 Escherichia coli DH52α 感受态细
胞,生工生物工程(上海)有限公司。
LB(Luria⁃Bertani)培养基:胰蛋白胨 10 g、酵母
提取物 5 g、氯化钠 10 g、蒸馏水 1 000 mL。 加入琼
脂 18 g配制成 LB固体培养基。
仪器:TP600 型梯度 PCR 仪,日本 TaKaRa 公
司;NanoDrop 2000 紫外微量分光光度计,美国 Ther⁃
mo Fisher Scientific 公司;DYY⁃12C 电泳仪,北京六
一仪器厂;Bio⁃Rad CFX96TM Real⁃time PCR 仪,美国
Bio⁃Rad 公司。
1 2 方法
1 2 1 总 RNA的提取
选取羽化 3 d未交配的雌、雄成虫各 300 头,取
其触角、下唇须、喙、胸、腹、足、翅和卵巢 /精巢等组
织后,立即放入盛有液氮的 1 5 mL 离心管中,充分
研磨,按照总 RNA 提取试剂盒 RNAisoTM Plus 说明
899 植 物 保 护 学 报 42 卷
书提取双委夜蛾雌、雄成虫各组织的总 RNA。 用
DNase消化酶去染后,通过 1 0%的琼脂糖凝胶电泳
和紫外微量分光光度计对 RNA 的完整性及纯度进
行检测。 重复 3 次。
1 2 2 第一链 cDNA的合成
第一链 cDNA的合成按照反转录试剂盒 Prime⁃
Script® RT Reagent Kit 操作指南进行。 各组织分别
取 2 μg总 RNA作模板,加入 50 μmol / L Oligo (dT)
18 Primer 1 μL、 10 mmol / L dNTP Mixture 1 μL,
RNase free ddH2O补充到 10 μL,65℃保温 5 min,冷
却 2 min,然后加入 5 × PrimeScrip Buffer 4 μL、Pri⁃
meScrip Reverse Transcriptase 1 μL、RNase Inhibitor
0 5 μL,加 RNase free ddH2O 补充到 20 μL,42℃反
应 60 min,70℃保温 15 min, - 20℃保存备用。
1 2 3 目的基因的扩增及鉴定
根据本实验室测定的双委夜蛾成虫触角转录组
数据,用 Primer Premier 5 0 设计双委夜蛾 Orco特异
性引物(表 1)。 RT⁃PCR 反应体系为 20 μL:cDNA
模板 1 μL、10 × Ex Taq Buffer 2 μL、2 5 mmol / L
dNTP Mixture 1 6 μL、Ex Taq 0 2 μL、10 μmol / L 上
下游引物各 0 8 μL、去离子水 13 6 μL。 反应条件
为:95℃预变性 5 min;95℃变性 30 s,53℃退火 30
s,72℃延伸 1 5 min,40 个循环;72℃延伸 10 min。
PCR产物通过 1 0%的琼脂糖凝胶电泳检测目的条
带。 DNA引物合成和测序由北京奥科鼎盛生物科
技有限公司完成。
表 1 本研究所用引物名称及序列
Table 1 The primers used in this study
引物名称
Primer name
引物序列 (5′⁃3′)
Primer sequence (5′⁃3′)
引物用途
Use of primers
AdisOrco⁃F CCGATGATGACCAAAGTGA cDNA克隆
AdisOrco⁃R CGTTACTTGAGTTGCACCA cDNA cloning
GAPDH⁃F ATGTCCAAAATCGGTATCAACGG
GAPDH⁃R TTAATCCTTGGTCTGGATGTACTTG
AdisOrco⁃RTF GCCAGCAGAACGCCAATCCTA 实时定量 PCR
AdisOrco⁃RTR GGTAAGCCAGCAGAGTGAGTGT Real⁃time quantitative PCR
GAPDH⁃RTF CTGCTCATTTAGAGGGTGGTGC
GAPDH⁃RTR TCTTCTGGGTAGCGGTGGTAG
1 2 4 PCR产物回收、克隆及测序
将琼脂糖凝胶上与预测大小相符的目的片段切
下,用琼脂糖凝胶回收试剂盒回收目的片段。 然后
将目的片段连接到 pMD18⁃T载体上,再转化到大肠
杆菌 DH52α 感受态细胞中,摇菌并涂在含 20 mg /
mL X⁃gal 40 μL、24 mg / mL IPTG 8 μL和 100 mg / mL
Amp 8 μL的 LB平板上,过夜培养后,进行蓝白斑筛
选,挑取白色单菌落进行 PCR 检测。 检测合格后,
再在 LB 液体培养基中振荡过夜培养后进行测序
验证。
1 2 5 序列分析
蛋白质翻译和 ORF 预测使用在线工具 Expasy
(http: / / web. expasy. org / translate / )进行,蛋白质理
化性质预测使用在线软件 Expasy( http: / / web. ex⁃
pasy. org / protparam / )分析;利用在线工具 BLASTN
(http: / / blast. ncbi. nlm. nih. gov)进行序列相似性比
对;使用 DNAMAN 6 0 软件进行序列相似性分析;
用 TMHMM Server 2 0 ( http: / / www. cbs. dtu. dk /
services / TMHMM)在线工具进行跨膜区域预测;系
统进 化 树 利 用 MEGA 5 0 软 件 中 的 邻 接 法
(neighbor⁃joining,NJ)进行 1 000 次重复构建。
1 2 6 实时定量 PCR反应
根据 1 2 3 中获得的测序结果设计双委夜蛾
Orco特异引物(表 1),用于不同组织实时定量 PCR
反应。 同时根据近缘物种的 GAPDH 基因序列,设
计特异性引物,获得双委夜蛾 GAPDH 基因的全长
序列(GenBank 登陆号:KT361883),并根据此序列
设计特异引物,用于实时定量 PCR 的内参基因测
定。 实时定量 PCR 反应体系为 20 μL: SYBR®
Premix Ex TaqTM II 10 μL、 cDNA 模板 2 μL、 10
μmoL / L正反向引物各 0 8 μL、去离子水 6 4 μL。
反应条件:95℃预变性 30 s;95℃变性 5 s,55℃退火
30 s,72℃延伸 30 s,进行 40 个循环。 实时定量 PCR
反应在 Bio⁃Rad CFX96TM Real⁃time PCR检测系统上
进行,重复 3 次。
1 3 数据分析
以双委夜蛾雌蛾触角中 AdisOrco基因的表达量
为基准,利用 2 - ΔΔCT分析该基因在不同组织中的表
9996 期 宋月芹等: 双委夜蛾非典型嗅觉受体 Orco的克隆、分子特征及表达
达情况,表达量采用 SPSS 17 0 软件进行统计分析,
使用 Duncan氏新复极差法进行差异显著性检验,并
用 Origin Pro 8 0 软件绘图。
图 1 双委夜蛾与其它昆虫非典型嗅觉受体氨基酸序列比较
Fig. 1 Amino acid sequence alignment of Orco from Athetis dissimilis and other insects
AdisOrco: 双委夜蛾(KR632987); AsegOrco: 黄地老虎(AGS41440); CpunOrco: 桃蛀螟(AGF29886); HarmOrco: 棉铃
虫(ADQ13177); CchlOrco: 棉铃虫齿唇姬蜂(KP255444); DmelOrco: 黑腹果蝇(AEO01718); HoblOrco: 华北大黑鳃金龟
(AEE69033)。 图中黑色区域代表 100%的相似度, 粉红色代表大于 75%的相似度, 浅蓝色代表大于 50%的相似度; TM:
跨膜区; EC: 膜外区域; IC: 膜内区域; 磷酸化位点苏氨酸(T)和酪氨酸(Y)用红色方框圈出。 AdisOrco: Athetis dissimilis
(KR632987); AsegOrco: Agrotis segetum (AGS41440); CpunOrco: Conogethes punctiferalis (AGF29886); HarmOrco: Helicover⁃
pa armigera (ADQ13177); CchlOrco: Campoletis chlorideae (KP255444); DmelOrco: Drosophila melanogaster (AEO01718);
HoblOrco: Holotrichia oblita (AEE69033). Black areas indicate 100% similarity, pink areas indicate more than 75% similarity,
and blue areas indicate at least 50% similarity; TM: transmembrane domains; EC: extracellular domains; IC: intracellular do⁃
mains; threonine (T) and tyrosine (Y) in red boxes are sites of potential phosphorylation.
2 结果与分析
2 1 目的基因序列分析
结果显示,所获得的目的基因全长开放阅读框
为 1 422 bp,编码 473 个氨基酸,预测分子量为
53 33 kD,等电点为 8 59。 BLASTN 序列比对结果
表明,该基因与其它鳞翅目昆虫的 Orco 具有极高的
序列相似性,与粘虫 Mythimna separata 相似性为
97% ,与大螟 Sesamia inferens、甜菜夜蛾 Spodoptera
exigua和黄地老虎 Agrotis segetum相似性均为 96% 。
因此,将该基因命名为 AdisOrco,GenBank 登录号
为 KR632987。
AdisOrco受体序列具有 7 个 α螺旋跨膜区,跨膜
区氨基酸的位置分别是第 46 ~ 65、75 ~ 97、136 ~ 158、
194 ~216、334 ~356、376 ~398和 447 ~469位,并且该
序列 N端在细胞膜内,C端在细胞膜外。 将此序列与
来自 4目 7 种昆虫的 Orco 氨基酸序列进行对比,发
现在其 C末端均具有 1个高度保守的区域,特别是在
第 6与第 7跨膜区之间及第 7 跨膜区(图 1)。 系统
0001 植 物 保 护 学 报 42 卷
进化树结果表明,同目昆虫 Orco 聚类在同一分支,此
外,鳞翅目与双翅目、膜翅目与鞘翅目又分别聚为一
簇(图 2)。
图 2 以邻接法构建的双委夜蛾与其它昆虫 Orco氨基酸序列的系统进化树
Fig. 2 Phylogenetic tree of the Orco of Athetis dissimilis and other insect species based on amino acid
sequences by using neighbor⁃joining method
括号外字母为基因名,括号内编号为基因 GenBack 登录号。 The letters outside the brackets denote the gene names, and
the numbers in brackets denote GenBank accession numbers.
2 2 双委夜蛾 Orco基因的组织特异性表达
PCR结果表明,AdisOrco 在成虫触角中表达量
显著高于其它组织,在雄蛾触角中 AdisOrco 的表达
量是雌蛾触角中的 4 2 倍,且差异显著;AdisOrco 在
双委夜蛾雌蛾足、翅和下唇须等组织中均有少量表
达;在雄蛾下唇须和喙组织中也有少量表达,但二者
间无显著差异;在雌、雄蛾胸部和腹部、雌蛾喙和卵
巢以及雄蛾足、翅和精巢中均未检测到 AdisOrco 的
表达(图 3)。
3 讨论
本研究首次对双委夜蛾的非典型嗅觉受体基因
AdisOrco进行了克隆和鉴定。 结果表明,该基因所
编码的氨基酸具有昆虫 Orco的共同特性,即氨基酸
N端在膜内,C 端在膜外,具有 7 个 α 螺旋跨膜区,
序列保守性高 ( Krieger et al. ,2003; Smart et al. ,
2008)。 并将双委夜蛾 Orco氨基酸序列与其它 4 目
10016 期 宋月芹等: 双委夜蛾非典型嗅觉受体 Orco的克隆、分子特征及表达
图 3 AdisOrco在双委夜蛾雌、雄成虫不同组织中的相对表达量
Fig. 3 Relative expression of AdisOrco in different tissues of Athetis dissimilis adult females and males
图中数据为平均数 ±标准误。 图中不同字母表示经 Duncan 氏新复极差法检验在 P < 0 05 水平差异显著。 Data are
mean ± SE. Different letters indicate significant difference at P < 0 05 level by Duncan’s new multiple range test.
7 种昆虫进行对比,证实 Orco 序列在 C 末端序列具
有 1 个高度保守的区域,尤其在第 6 与第 7 跨膜区
之间以及第 7 跨膜区保守性最高,这与对斜纹夜蛾
和棉铃虫齿唇姬蜂的研究结果一致 (Wu et al. ,
2013;董钧锋等,2015)。 Orco 经过长期进化后,在
不同昆虫间仍具有高度的保守性,说明在昆虫纲中
Orco可能来自于同一祖先。
本研究表明,AdisOrco 主要在成虫触角中表达,
此结果与大多数昆虫 Orco 的表达分布情况一致
(Wu et al. ,2013;董钧锋等,2015),这种现象可能
由于触角是昆虫感受外界环境气味的主要器官,该
组织分布有大量的嗅觉感受器。 本研究发现,Adis⁃
Orco在雄蛾触角中的表达量最高,是雌蛾的 4 2 倍,
这与大部分研究结果一致,如桃蛀螟的 Orco 在雄蛾
触角中的表达量是雌蛾的 1 3 倍(葛星等,2013);
斜纹夜蛾 Orco 在雄蛾触角中表达量是雌蛾的 3 0
倍(Wu et al. ,2013);甜菜夜蛾 Orco 在雄蛾触角中
表达量是雌蛾的 5 5 倍(张逸凡等,2011);棉铃虫
齿唇姬蜂 Orco在雄蜂触角中的表达量是雌蜂的 8 0
倍(董钧锋等,2015)。 此现象可能是因为雄蛾除了
接受寄主植物气味外,还要识别和感知同类异性发
出的性信息素。
本研究发现,Orco 除在触角中有表达外,在喙、
下唇须、足、翅、胸和腹等组织中也有表达,这与已有
的研究报道一致,如葛星等(2013)发现桃蛀螟雌蛾
下唇须中 Orco 有一定量的表达;在埃及伊蚊 Aedes
aegypti和致倦库蚊 Culex quinquefasciatus 喙中也检
测到 Orco的存在(Melo et al. ,2004;Xia & Zwiebel,
2006);Orco在 4 种榕小蜂雌蜂的足和腹部也有表
达(Lu et al. ,2009)。 本研究未在精巢和卵巢中检
测到 Orco的表达,这与 Pitts et al. (2013)的研究结
果相同。
Orco序列上的高度保守性以及在嗅觉识别中
的独特地位,暗示 Orco可能成为破坏嗅觉信号的一
个潜在靶标。 对嗅觉的有效干扰或破坏,将严重影
响昆虫对气味和性信息素的反应,进而影响到昆虫
的取食、交配和产卵等重要生命活动。 通过嗅觉干
扰达到防治害虫的目的,将是未来害虫综合防治的
新思路。
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(责任编辑:王 璇)
30016 期 宋月芹等: 双委夜蛾非典型嗅觉受体 Orco的克隆、分子特征及表达