青楊天牛觸角味覺受體基因的鑒定

王佳同 張健 程彬 王寅亮 陳琪 任炳忠

摘要 [目的] 鑒定青楊天牛（Saperda populnea）觸角味覺受體基因的種類。[方法] 根據青楊天牛觸角總RNA的轉錄組測序結果，結合生物信息學分析方法對其味覺基因進行鑒定，并采用RT-PCR技術測定味覺受體基因在不同組織中的表達量。[結果] 共鑒定出青楊天牛味覺受體基因11種，其中4種全長味覺受體基因（SpopGR1、SpopGR3、SpopGR4、SpopGR5）在青楊天牛雌雄觸角均有表達，除SpopGR5，另外3個基因均在足表達，SpopGR1和SpopGR4在雌觸角、雄觸角、頭、胸、腹、足和翅這7個部位均有表達，但表達量偏低。[結論] 通過與果蠅味覺受體基因建樹分析，推測SpopGR7、SpopGR9、SpopGR10可能屬于苦味受體家族，行使對苦味的感知功能。該研究有助于在分子水平上加深對昆蟲味覺感知系統的理解，為以后采用化學生態手段對青楊天牛進行調控提供依據。

關鍵詞 青楊天牛；味覺受體；序列分析

中圖分類號 S763.38 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）13-0111-03

Identification of Saperda populnea Antennal Gustatory Receptor Gene

WANG Jiatong1， ZHANG Jian2， CHENG Bin2 et al

（1.School of Life Sciences， Northeast Normal University， Changchun，Jilin 130024；2.Jilin City Academy of Forestry， Changchun， Jilin 130033）

Abstract [Objective]To identify the types of gustatory receptor genes of Saperda populnea. [Method]To identify the types of gustatory receptor genes based on the transcriptomes information of total RNA of antennae of S. populnea connected with bioinformatics analysis method. Expressions of gustatory receptors of S. populnea were measured with RT-PCR technique. [Result] 11 types of gustatory receptor genes of S. populnea were identified. The result showed that four complete length of gustatory receptor genes （SpopGR1， SpopGR3， SpopGR4 and SpopGR5） were all expressed in antennae and three genes were expressed in leg except SpopGR5. SpopGR1 and SpopGR4 were lowly expressed in female antennae， male antennae， head，chest， abdomen， leg and wing. [Conclusion] Phylogenetic analysis of gustatory receptor genes indicated that SpopGR7， SpopGR9， SpopGR10 may perform the function of bitter taste. This research can promote the understanding of insect gustatory system and establishes a foundation for controlling of S. populnea by chemical ecology measures.

Key words Saperda populnea；Gustatory receptors；Sequence analysis

昆蟲具有專一的化學感受系統，能夠感知環境的各種刺激從而指導它們的行為，通過化學線索，昆蟲可以定位食物、尋找配偶、躲避捕食者和毒素、與同伴交流等[1-2]。多種嗅覺蛋白參與昆蟲將化學信號轉化為電信號的這一過程中，其中嗅覺受體（olfactory receptor，OR）和味覺受體（gustatory receptor，GR）發揮著關鍵作用[3-5]。雖然味覺受體在感受化學刺激和調節昆蟲行為等方面發揮著重要作用，但截至目前對味覺感受分子機制的研究相對較少。昆蟲的味覺感器（gustatory sensillum）主要分布在觸角、下唇須、下顎須、舌、咽、內唇、足的跗節和產卵器等部位，味覺感器內分布著大量味覺神經軸突，這些軸突具有感受不同化學信號刺激的功能，當昆蟲的味覺感器感受到外界的刺激物質后，味覺感器內的味覺受體可以將化學信號轉換為電信號，通過神經軸突傳送到昆蟲腦的中樞神經系統（central nervous system，CNS），中樞神經系統輸出調控行為的指令，使昆蟲產生各種相應的行為反應[6-8]。

青楊天牛（Saperda populnea）是我國北方地區楊樹人工林的重要鉆蛀性害蟲，主要為害銀白楊、毛白楊、加楊等楊樹品種。其幼蟲蛀食枝干形成紡錘狀蟲癭，阻礙養分的正常運輸使枝梢干枯，影響成材；如果幼樹的干髓處被為害，整株樹都會死亡[9]。筆者通過對青楊天牛的轉錄組數據進行篩選，共鑒定出11種味覺受體基因，從分子水平上填補了青楊天牛味覺受體研究的不足，以期為以后采用化學生態手段調控青楊天牛的實踐提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試昆蟲

于2016年4—6月分別在吉林省西部地區松原市乾安縣和白城市鎮賚縣的楊樹被害林中剪取60～80 cm 的天牛蟲癭帶回實驗室內，外部罩上60目的紗網，置于室內封閉保存，待成蟲羽化后采集備用。

1.2 青楊天牛觸角RNA的轉錄組測序

試驗試劑與儀器：DEPC水、Trizol、三氯甲烷、異丙醇、乙醇、無核酸酶水、離心柱（QiagenQIAshredder）、尖嘴鑷、眼科剪、離心管、研磨棒、移液槍用槍頭、移液槍、離心管架、NanoDrop分光光度計、臺式高速冷凍微量離心機（廣州利橋儀器有限公司）、超凈工作臺（上海博訊實業有限公司）。

RNA提取與檢驗：取經-20 ℃冰凍10 min的青楊天牛觸角12只（雌雄成蟲各3頭），用DEPC處理過的眼科剪及尖嘴鑷仔細地從觸角基部將觸角分離，將取下的觸角放入裝有900 μL Trizol的1.5 mL離心管中，進行反復研磨。總RNA提取按照試劑盒（Qiagen）說明進行。使用NanoDrop分光光度計檢測RNA濃度并膠檢確認，寄送樣品進行轉錄組測序。

1.3 味覺受體基因的鑒定

前人研究結果表明，昆蟲的味覺受體各基因家族之間的氨基酸序列同源性僅為8%～12%，且在生物體各組織部位內的表達量極低，給昆蟲味覺受體基因的鑒定帶來了較大的困難[10]。目前，較為公認的昆蟲味覺受體基因的鑒定方法主要是通過判別基因的C-末端是否具有motif保守序列及7個跨膜結構域的特征來進行鑒定。

該研究通過轉錄組測序結合生物信息學方法，從青楊天牛轉錄組數據結果中篩選到味覺受體基因，通過在NCBI數據庫中進一步進行BLAST 同源性比對，對編碼氨基酸序列的跨膜區進行預測并判斷昆蟲味覺受體基因C-末端是否具有1個保守序列等方法，最終鑒定味覺受體基因。

1.4 味覺受體基因在各組織中的表達分析

試驗試劑與儀器：移液槍、移液槍用槍頭、反轉錄試劑盒（TransGen Biotech）、無核酸酶水、PCRmix。

分別提取青楊天牛成蟲雄性觸角、雌性觸角、頭、胸、腹、足以及翅的總RNA 并反轉錄獲得cDNA鏈。采用RT-PCR方法：每個反應以不同組織的200 ng cDNA為模板。反應條件為94 ℃ 90 s；94 ℃ 30 s，52 ℃ 30 s，68 ℃ 1 min，33個循環；最后68 ℃延伸7 min。將產物上電泳槽并檢膠，與Marker比較對照大小。

1.5 味覺受體SpopGRs系統發育樹的構建

為確定SpopGRs與其他類群昆蟲味覺受體GRs之間的進化關系，選取鞘翅目昆蟲中已經鑒定出的幾種昆蟲味覺受體家族的核苷酸序列與在青楊天牛中篩選到味覺受體基因序列構建系統發育進化樹，選取序列包括赤擬谷盜（Tribolium castaneum）、中歐山松大小蠹（Dendroctonus ponderosae）、云杉八齒小蠹（Ips typographus）、銅綠麗金龜（Anomala corpulenta）、榆黃葉甲（Pyrrhalta maculicollis）、榆藍葉甲（Pyrrhalta aenescens）在內共6種昆蟲的味覺受體基因總計162條序列，并對SpopGRs分別進行命名。再將11種SpopGRs與黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）的68個味覺受體基因序列構建系統發育進化樹，對SpopGRs基因的功能表達進行分析。系統發育進化樹的構建均采用MEGA 6.0軟件。

2 結果與分析

2.1 青楊天牛觸角轉錄組數據

經組裝后共得到122 579條Transcript和87 984條Unigene，Transcript與Unigene的N50分別為1 123和575，組裝完整性較高。組裝結果見表1。

2.2 青楊天牛味覺受體基因的鑒定及序列分析 利用已有的青楊天牛轉錄組數據庫，共獲得 11個青楊天牛味覺受體基因核苷酸序列（表2）。

2.3 味覺受體表達量分析

利用RT-PCR獲得了成蟲不同組織（包括雄觸角、雌觸角、頭、胸、腹、足、翅）4種全長味覺受體的特異性表達情況。4種基因在青楊天牛雌雄觸角均有表達，除SpopGR5，另外3個基因均在足部表達，SpopGR1和SpopGR4在這7個部位均有表達，但表達量偏低（圖1）。

2.4 味覺受體SpopGRs系統發育樹的構建

將轉錄組測序獲得的青楊天牛味覺基因序列與已知的6種鞘翅目昆蟲味覺受體基因序列通過 BLAST 程序進行同源性比對，共獲得11個青楊天牛味覺受體基因核苷酸序列。由系統發育樹可以得出11個SpopGRs與其他類群昆蟲間的進化關系，發現SpopGRs與赤擬谷盜的TcasGRs具有很高的同源性（圖2）。根據與赤擬谷盜的同源性，將青楊天牛味覺基因命名為SpopGR1～SpopGR11。

3 結論與討論

筆者從青楊天牛觸角轉錄組數據共鑒定出11個味覺受體基因，此外，可能還有一些沒能鑒定到的味覺受體基因存在，主要原因在于味覺受體基因在味覺器官的表達水平過低[12]。通過RT-PCR對4個全長的味覺受體基因進行組織表達情況的鑒定，味覺受體基因均在觸角中表達，說明青楊天牛的觸角可能是其探測味覺的重要器官。

在果蠅體內已經鑒定出54個味覺受體，主要參與編碼苦味、甜味及二氧化碳受體蛋白。其中DmelGR64和DmelGR5a編碼甜味受體蛋白，用于檢測葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、麥芽糖醇、水蘇糖以及棉子糖等[11，13-14]。DmelGR32a、DmelGR33a和DmelGR66a參與編碼苦味受體蛋白，用于檢測奎寧、洛貝林和咖啡因等。通過系統發育樹可知SpopGR7與苦味受體的DmelGR32a聚在一起，SpopGR9與SpopGR10同源，與編碼苦味受體的DmelGR33a聚在一起，推測SpopGR7、SpopGR9和SpopGR10都屬于苦味受體家族的成員，參與行使苦味感知功能。

昆蟲的味覺在指導昆蟲活動中起到重要作用，但人們對味覺的研究重點依然只停留在已獲得基因組的昆蟲上。青楊天牛是一種重要的林業害蟲，通過深入了解其味覺受體基因的功能，為以后采用高效、低毒、無公害的化學生態調控提供理論基礎。

參考文獻

[1]

CANDE J，PRUD'HOMME B，GOMPEL N.Smells like evolution：The role of chemoreceptor evolution in behavioral change[J].Current opinion in neurobiology，2013，23（1）： 152-158.

[2] KAUPP U B.Olfactory signalling in vertebrates and insects：Differences and commonalities[J].Nature reviews neuroscience，2010，11（3）： 188-200.

[3] DUNIPACE L，MEISTER S，MCNEALY C，et al.Spatially restricted expression of candidate taste receptors in the Drosophila gustatory system[J].Current biology，2001，11（11）： 822-835.

[4] JONES W D，CAYIRLIOGLU P，KADOW I G，et al.Two chemosensory receptors together mediate carbon dioxide detection in Drosophila[J].Nature，2007，445（7123）： 86-90.

[5] NEI M，NIIMURA Y，NOZAWA M.The evolution of animal chemosensory receptor gene repertoires： Roles of chance and necessity[J].Nature reviews genetics，2008，9（12）： 951-963.

[6] WANNER K W，ROBERTSON H M.The gustatory receptor family in the silkworm moth Bombyx mori is characterized by a large expansion of a single lineage of putative bitter receptors[J].Insect molecular biology，2008，17（6）： 621-629.

[7] LEAL W S.Odorant reception in insects：Roles of receptors， binding proteins， and degrading enzymes[J].Annual review of entomology，2012，58（1）： 373-463.

[8] HILL C A，FOX A N，PITTS R J，et al.G proteincoupled receptors in Anopheles gambiae[J].Science，2002，298（5591）： 176-178.

[9] 蕭剛柔.中國森林昆蟲[M].北京：中國林業出版社，1992：499-500.

[10] SCHOONHOVEN L M，VAN LOON J J A，DICKE M.Insectplant biology[M].Oxford：Oxford University Press，2005：183-189.

[11] DAHANUKAR A，LEI Y T，KWON J Y，et al.Two Gr genes underlie sugar reception in Drosophila[J].Neuron，2007，56（3）： 503-516.

[12] DUNIPACE L，MEISTER S，MCNEALY C，et al.Spatially restricted expression of candidate taste receptors in the Drosophila gustatory system[J].Current biology，2001，11（11）： 822-835.

[13] JIAO Y C，MOON S J，MONTELL C.A Drosophila gustatory receptor required for the responses to sucrose， glucose， and maltose identified by mRNA tagging[J].Proceedings of the national academy of sciences，2007，104（35）： 14110-14115.

[14] SLONE J，DANIELS J，AMREIN H.Sugar receptors in Drosophila[J].Current biology，2007， 17（20）： 1809-1816.