基于觸角轉(zhuǎn)錄組解析馴化對(duì)家蠶嗅覺系統(tǒng)的影響.pdf

1、昆蟲嗅覺是一種高度特異和敏感的化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，可識(shí)別環(huán)境中特異的氣味分子，在尋找食物、配偶和產(chǎn)卵地等過程中起著重要作用。觸角是昆蟲最重要的外周嗅覺器官，分布有大量的感受器。觸角感受器內(nèi)有大量的嗅覺蛋白和氣味降解酶，是昆蟲識(shí)別氣味分子的重要基礎(chǔ)。昆蟲的嗅覺反應(yīng)可大致歸納為：外界環(huán)境中親脂性的氣味分子可以通過嗅覺感器的微孔進(jìn)入親水性的感器淋巴液,經(jīng)感器淋巴液中的氣味結(jié)合蛋白（odorant-binding proteins,OBPs）結(jié)合并運(yùn)

2、轉(zhuǎn)到位于神經(jīng)元膜上的嗅覺受體（olfactory receptors,ORs），嗅覺反應(yīng)被激活,隨后這些氣味分子被感器淋巴腔或支持細(xì)胞中的氣味降解酶（odorant-degrading enzyme,ODE）降解，以保持嗅覺的靈敏性。
　　約5000年前，家蠶（Bombyx mori）由野桑蠶（B.mandarina）馴化而來，歷經(jīng)長(zhǎng)期的人工馴化，家蠶與野桑蠶在行為和生理上都表現(xiàn)出了一定的差異，比如體色和蠶蛾個(gè)體的大小等。事實(shí)上，

3、除了顯而易見的性狀外，馴化過程也影響了蠶蛾的嗅覺神經(jīng)生理響應(yīng)，已有研究發(fā)現(xiàn)家蠶對(duì)環(huán)境氣味分子的嗅覺反應(yīng)已大大降低。近年來，家蠶的全基因組測(cè)序的完成和大量嗅覺相關(guān)蛋白數(shù)據(jù)的公布，為研究馴化對(duì)家蠶嗅覺感受影響的分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。本文基于前人研究的基礎(chǔ)上，利用轉(zhuǎn)錄組技術(shù)分析家蠶和野桑蠶雌/雄觸角轉(zhuǎn)錄組，鑒定差異表達(dá)的嗅覺相關(guān)基因，并結(jié)合家野蠶重測(cè)序基因組數(shù)據(jù)鑒定受選擇基因的嗅覺基因和分子群體進(jìn)化，揭示馴化對(duì)家蠶嗅覺系統(tǒng)的影響。所得主要結(jié)果如

4、下：
　　1.家蠶和野桑蠶觸角轉(zhuǎn)錄組的比較分析
　　利用RNA-seq方法對(duì)家蠶和野桑蠶的成蟲觸角進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，質(zhì)控分析后，我們總共得到轉(zhuǎn)錄組的有效堿基數(shù)為61.2Gb，將其與家蠶參考基因組比對(duì)和組裝，共獲得22768基因，其中16904基因有表達(dá)信號(hào)。其中9個(gè)基因在家蠶和野桑蠶中呈極度高的表達(dá)水平（FPKM>10000），這些基因主要是編碼嗅覺感知和化學(xué)感受的蛋白，如BmPBP1、BmGOBP2和BmABPX都是結(jié)合性信

5、息素的相關(guān)氣味結(jié)合蛋白。我們對(duì)嗅覺相關(guān)基因進(jìn)行了鑒定，基于前人對(duì)嗅覺相關(guān)基因在家蠶基因組中的注釋信息，我們?cè)谟|角轉(zhuǎn)錄組中新鑒定2個(gè)氣味結(jié)合蛋白、7個(gè)氣味受體、5個(gè)離子受體、一個(gè)羧酸酯酶以及一個(gè)細(xì)胞色素P450。我們對(duì)四個(gè)樣本的6個(gè)比較組差異表達(dá)基因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共獲得2109個(gè)。所有差異表達(dá)基因GO富集顯示：有大量與嗅覺感知相關(guān)的GO term被顯著富集。本研究重點(diǎn)關(guān)注了家蠶與野桑蠶同一性別間的差異表達(dá)基因，D_FvsW_F和D_MvsW_

6、M比較組的差異表達(dá)基因分別為1173和1410個(gè)。兩組比較鑒定出嗅覺基因和氣味降解酶差異表達(dá)基因分別為30和19個(gè)，其中野桑蠶上調(diào)表達(dá)的嗅覺基因19個(gè)，編碼氣味降解酶的基因有14個(gè)。結(jié)果表明家蠶中下調(diào)的嗅覺相關(guān)基因要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于野桑蠶，這可能是家蠶相對(duì)野桑蠶嗅覺靈敏度顯著降低的重要原因。
　　2.基于群體基因組數(shù)據(jù)對(duì)差異表達(dá)的嗅覺基因進(jìn)化分析
　　基于本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)測(cè)序獲得的8個(gè)家蠶品系和7個(gè)地域野桑蠶高質(zhì)量的重測(cè)序基因組數(shù)據(jù)，我

7、們對(duì)家蠶與野桑蠶同一性別間呈現(xiàn)差異表達(dá)的OBPs和ORs基因進(jìn)行了群體遺傳分析。利用DnaSP軟件對(duì)差異表達(dá)嗅覺基因的π、θπ和Tajima’s D等遺傳參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)上述嗅覺基因在家蠶中的進(jìn)化速率低于野桑蠶。利用SIFT軟件對(duì)家蠶和野桑蠶特有的非同義突變位點(diǎn)進(jìn)行耐受性分析，發(fā)現(xiàn)家蠶OR30和OR57的2個(gè)多態(tài)性非同義替換分別導(dǎo)致的316氨基酸位點(diǎn)和的220氨基酸位點(diǎn)的突變是有害的。事實(shí)上，家蠶OBPs和ORs的非同義突變明顯少于野

8、桑蠶，而在家蠶中卻積累了這些有害突變，這可能是家蠶嗅覺反應(yīng)降低的另一重要原因。
　　綜上所述，基于家蠶和野桑蠶觸角轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，本研究鑒定了家蠶與野桑蠶桑蠶相同性別間呈差異表達(dá)的嗅覺基因和氣味降解酶基因，分別為30和19個(gè)，其中野桑蠶上調(diào)表達(dá)的嗅覺相關(guān)基因要遠(yuǎn)多于家蠶，這可能是家蠶嗅覺反應(yīng)下降的重要原因之一。雖然家蠶OBPs和ORs的非同義突變要少于野桑蠶，但是野桑蠶在野外環(huán)境下為保證嗅覺高度敏感而能夠清除有害突變，家蠶在室內(nèi)環(huán)