亚洲柑橘木虱响应高效氯氰菊酯胁迫的转录组分析_宋晓兵.pdf
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1、3期829亚洲柑橘木虱响应高效氯氰菊酯胁迫的转录组分析宋晓兵,崔一平,凌金锋,黄峰,陈霞,彭埃天*(广东省农业科学院植物保护研究所/农业农村部华南果蔬绿色防控重点实验室/广东省植物保护新技术重点实验室,广东广州510640)摘要:【目的】筛选高效氯氰菊酯胁迫下的柑橘木虱抗药性相关基因及其网络,探讨柑橘木虱应对拟除虫菊酯类杀虫剂的抗性机制,为柑橘木虱的抗药性治理提供科学依据。【方法】采用Illumina NovaSeq 6000测序系统对高效氯氰菊酯和空白对照处理的柑橘木虱成虫进行转录组测序,采用生物信息学软件Hisat2、DESeq2和clusterProfiler等对差异表达基因(Diffe
2、rentially expressed genes,DEGs)进行功能注释、分类以及参与的信号通路分析。【结果】从所检测的柑橘木虱转录组数据中筛选到显著DEGs 4596个,其中显著上调表达基因2900个、显著下调表达基因1696个。DEGs中有624个富集到KEGG的103条代谢通路,富集的通路主要涉及Hippo信号通路、核糖体、吞噬体、药物代谢、嘌呤代谢、硫胺素代谢和细胞凋亡等与昆虫抗药性紧密相关的7条代谢通路。与昆虫抗药性相关的DEGs 38个,涉及细胞色素P450、谷胱甘肽转移酶、钠离子通道、三磷酸腺苷合酶、细胞色素b、酸性磷酸酯酶、钙粘蛋白、糖基转移酶、脱羧酶和ABC转运蛋白等多个代
3、谢抗性和靶标抗性基因。【结论】挖掘获得大量的柑橘木虱响应拟除虫菊酯类杀虫剂的抗药性相关基因,显著富集的通路主要涉及Hippo信号通路、核糖体、吞噬体和硫胺素代谢等与昆虫抗药性紧密相关的代谢通路,为研究柑橘木虱的抗药机制以及进行抗药性治理提供了丰富的数据基础。关键词:柑橘木虱;高效氯氰菊酯;抗药性;转录组中图分类号:S436.661.2文献标志码:A文章编号:2095-1191(2023)03-0829-10收稿日期:2022-05-11基金项目:“十四五”广东省农业科技创新十大主攻方向“揭榜挂帅”项目(2022SDZG06);广东省现代农业产业技术体系建设专项(2022KJ108)通讯作者:彭
4、埃天(1962-),https:/orcid.org/0000-0002-8568-7459,研究员,主要从事南方果树病虫害综合防控研究工作,E-mail:第一作者:宋晓兵(1980-),https:/orcid.org/0000-0003-0526-2272,博士,副研究员,主要从事柑橘病虫害防控研究工作,E-mail:南方农业学报Journal of Southern Agriculture2023,54(3):829-838ISSN 2095-1191;CODEN NNXAABhttp:/DOI:10.3969/j.issn.2095-1191.2023.03.018Transcript
5、ome analysis of Diaphorina citri Kuwayamain response to beta-cypermethrin stressSONG Xiao-bing,CUI Yi-ping,LING Jin-feng,HUANG Feng,CHEN Xia,PENGAi-tian*(Institute of Plant Protection,GuangdongAcademy ofAgricultural Sciences/Key Laboratory of Green Prevention andControl on Fruits and Vegetables in S
6、outh China,Ministry ofAgriculture and RuralAffairs/Guangdong Provincial KeyLaboratory of High Technology for Plant Protection,Guangzhou,Guangdong 510640,China)Abstract:【Objective】To screen Diaphorina citri Kuwayama resistance genes and their network regulation under thestress of beta-cypermethrin,an
7、d explore the resistance mechanism of D.citri to pyrethroid insecticides.【Method】The Illu-mina NovaSeq 6000 sequencing system was used to sequence the transcriptome of the adult citrus psyllids treated withbeta-cypermethrin and blank control.The differentially expressed genes(DEGs)were functionally
8、annotated and classi-fied using bioinformatics softwares such as HISAT2,DESeq2 and clusterProfiler,as well as the signal pathways analysisinvolved.【Result】A total of 4596 significant DEGs genes were screened in the citrus psyllid transcriptome data,in which2900 were significantly up-regulated and 16
9、96 were significantly down-regulated.Among the DEGs,624 were enrichedin 103 different metabolic pathways in KEGG.Seven enriched pathways of insect resistance mainly involved Hippo sig-54卷南 方 农 业 学 报 8300引言【研究意义】亚洲柑橘木虱(Diaphorina citriKuwayama)属半翅目(Hemiptera)扁木虱科(Liviidae),是毁灭性病害柑橘黄龙病(Huanglongbing)的
10、重要传播虫媒,目前已扩散到美洲和非洲(江宏燕等,2018),其引发的柑橘黄龙病暴发成灾造成严重的经济损失。亚洲柑橘木虱和非洲柑橘木虱(Trioza ery-treae)均是柑橘黄龙病的重要传播媒介(Halbert andManjunath,2004;Bov,2006);柚喀木虱(Cacopsyllacitrisuga)是近年新发现的柑橘黄龙病媒介昆虫,主要分布在我国西南高海拔地区(Cen et al.,2012)。基于柑橘黄龙病防控的“三板斧”策略,一直以来对柑橘木虱都是采取零容忍的化学防治措施,随着杀虫剂的频繁过量使用、施药方式单一以及追求全园灭杀,导致世界各地的柑橘木虱对多种杀虫剂产生了不
11、同程度的抗药性(Kanga et al.,2016;Tian et al.,2018;宋晓兵等,2019),高效氯氰菊酯作为拟除虫菊酯类杀虫剂,具有高效、广谱、低毒和可生物降解等特性(刘守柱等,2021),广泛应用于柑橘木虱的化学防治(宋晓兵等,2015;詹兴堆,2019;胡双双等,2022)。研究解析柑橘木虱抗药性的分子机制,可为柑橘木虱的化学防治和新型杀虫剂的研发提供理论依据,从而有助于遏制柑橘黄龙病的扩散蔓延。【前人研究进展】目前,关于柑橘木虱抗药性的研究主要集中在抗药性监测、解毒酶活性测定、RNA干扰等方面。邓明学等(2012)通过药膜法测定出柑橘木虱种群对毒死蜱产生了8.8倍的抗药性
12、,对高效氯氰菊酯和吡虫啉也产生了一定的抗药性;崔丽等(2020)采用玻璃管药膜法测定了柑橘木虱对6种杀虫剂的抗药性,结果发现柑橘木虱种群对拟除虫菊酯类杀虫剂高效氯氟氰菊酯产生了9.72倍的抗性;胡妍月等(2022)采用浸叶法测定了柑橘木虱对5种杀虫剂的抗药性,结果表明柑橘木虱种群对5种常用杀虫剂均表现出高水平抗性。其中,代谢抗性和靶标抗性被认为是最主要的昆虫抗药性机制(Feyerei-sen,2011;Panini et al.,2016)。代谢抗性主要是由于多功能氧化酶系的作用,包括细胞色素P450、非专一性酯酶和谷胱甘肽-S-转移酶等解毒酶的活性增加;靶标抗性主要是昆虫体内靶标位点对化学药
13、剂的敏感性降低,基于靶标位点的基因变异从而降低药剂与该位点的亲和力(Tiwari et al.,2011a;田发军等,2018)。Tiwari等(2011b)测定了柑橘木虱成虫和若虫体内3种解毒酶活性与抗药性的关系,结果表明柑橘木虱田间种群的抗药性与解毒酶活性呈正相关。Killiny等(2014)利用RNAi技术对柑橘木虱细胞色素P450的CYP4家族基因进行干扰,RNAi处理后显著增加了柑橘木虱对吡虫啉的敏感性,研究证实5个CYP4基因均介导了柑橘木虱对吡虫啉抗药性的形成。刘斌(2015)通过对柑橘木虱钠离子通道基因可变外显子与抗药性相关机制的分析发现,与昆虫抗药性相关的钠离子通道6个突变位
14、点中,V410、M918和F1534是柑橘木虱最有可能发生的突变位点,而且这些突变有明显的叠加效应。【本研究切入点】早期检测靶标抗药性突变的技术主要有随机扩增多态性DNA、特异性等位基因PCR等;检测解毒代谢酶基因表达量的技术主要有荧光定量PCR等。前述检测技术操作程序较繁琐,在检测害虫某个种群的抗药性基因型时,需要对种群所有个体逐一进行靶标突变检测和解毒酶基因的表达量测定(陈龙飞等,2020)。新兴的转录组测序技术(RNA-Seq)针对害虫种群所有个体样本的转录产物进行高通量测序,转录组数据中包含了基因蛋白编码区的突变信息和基因的表达量信息(Pierre et al.,2015)。基于转录组
15、的数据分析是基因功能及结构研究的基础,也是发掘功能基因的重要途径(宋晓兵等,2018)。因此,研究者可从基因层面解析昆虫抗药性的产生机制(Oakeshott et al.,2003;陈皓等,2020)。【拟解决的关键问题】利用Illumina NovaSeq 6000测序系统naling pathway,ribosome,phagosome,drug metabolism,purine metabolism,thiamine metabolism,apoptosis,etc.Thirty-eight DEGs were related to insect drug resistance,inv
16、olving multiple metabolic resistance and target resistancegenes,including cytochrome oxidase,glutathione transferase,sodium ion channel,adenosine triphosphate synthase,cy-tochrome b,acid phosphoesterase,cadherin,glycosyltransferase,decarboxylase,ABC transporter,etc.【Conclusion】Inthis study,a lot of
17、drug resistance-related genes of D.citri in response to pyrethroid insecticides are mined,and four sig-nificantly enriched metabolic pathways are closely related to insect resistance,such as Hippo signaling pathway,ribo-some,phagosome,and thiamine metabolism,which provides a rich data basis for stud
18、ying the drug resistance mecha-nism of citrus psyllid and for drug resistance management.Key words:Diaphorina citri Kuwayama;beta-cypermethrin;drug resistance;transcriptomeFoundation items:The Open Competition Program of Top Ten Critical Priorities of Agricultural Science and Tech-nology Innovation
19、for the 14thFive-Year Plan of Guangdong Province(2022SDZG06);Guangdong Provincial SpecialFund for ModernAgriculture Industry Technology Innovation Teams(2022KJ108)3期831开展高效氯氰菊酯胁迫下的柑橘木虱转录组学分析,获得高效氯氰菊酯处理的柑橘木虱相关生物信息学数据,并对其功能注释、功能分类、代谢通路等进行分析,以挖掘柑橘木虱响应高效氯氰菊酯的抗药性相关基因和代谢通路,为研究柑橘木虱的抗药机制及抗药性治理提供科学依据。1材料与方法1
20、.1试验材料柑橘木虱为广东省植物保护新技术重点实验室网室九里香植株上常年继代饲养的种群,初代柑橘木虱采自广州市天河区大丰街九里香;供试药剂10%高效氯氰菊酯乳油购自美国仙农有限公司;RNA提取试剂盒MagMAX mirVana Total RNAIsolation Kit购自赛默飞世尔科技公司。1.2毒力测定方法供试药剂制成母液,加蒸馏水将母液稀释至设定浓度,共设定5个浓度梯度,分别为0.5、1.0、2.0、5.0和10.0 g/mL。室内毒力测定采用浸叶法(宋晓兵等,2021),剪取长势一致的九里香嫩梢,插入装满水的1.5 mL离心管内,用脱脂棉塞紧离心管口以固定九里香嫩梢。将九里香嫩梢浸入
21、稀释后的药液约10 s后取出,待自然晾干后放入50 mL离心管中,管内装有10头柑橘木虱成虫,然后用纱布封口。每处理3次重复,移入27 人工气候箱(L/D=14 h/10 h,RH70%),处理48 h后分别统计各处理的死亡虫数,运用DPS 9.0计算获得毒力回归方程、致死中浓度(LC50)、亚致死浓度(LC10)和相关系数等。1.3测序样品制备取健康柑橘木虱成虫,使用高效氯氰菊酯LC10进行诱导处理。参照1.2的方法,24 h后收集被高效氯氰菊酯诱导处理的柑橘木虱5头,对照组选取未处理的健康木虱5头,每处理3次重复,分别提取RNA,采用Agilent 2100生物芯片分析系统,对提取的RNA
22、进行浓度和质量检测。1.4cDNA文库构建与质检建库中使用的建库试剂盒为Illumina的NEB-NextUltraTM RNA Library Prep Kit,构建完成的文库先使用Qubit 2.0 Fluorometer进行初步定量,稀释文库至1.5 ng/L,随后使用Agilent 2100 bioana-lyzer对文库的insert size进行检测,insert size符合预期后,采用qRT-PCR对文库有效浓度进行准确定量(有效浓度2 nmol/L),以保证文库质量。1.5测序数据质控通过测序错误率分布检查,定性检测测序数据的质量。通过GC含量分布检查,比较样品序列GC含量与
23、理论GC含量分布图,检测样品数据有无污染等问题。测序获得的原始数据中包含少量带有测序接头或测序质量较低的reads,经过原始数据过滤去除带接头的reads、去除含N(N表示无法确定碱基信息)的reads、去除低质量reads(Qphred20的碱基数占整个read长度的50%以上的reads),获得后续分析使用的Clean reads。同时,对Clean data分别进行Q20(Phred数值大于20的碱基占总碱基的百分比)、Q30(Phred数值大于30的碱基占总碱基的百分比)和GC含量计算。1.6差异基因表达分析利用差异分析软件Hisat2和DESeq2(Love etal.,2014;W
24、en,2017),将对照组文库与处理组文库中的基因表达水平进行比较,以P0.05为条件,筛选出差异表达基因(Differentially expressed genes,DEGs)。采用clusterProfiler软件对DEGs集进行GO功能富集和KEGG通路富集分析(Yu et al.,2012),将所有DEGs与GO、KEGG数据库对比,用超几何分布法确定GO和Pathway在DEGs中是否有显著富集(P0.05)。1.7抗性相关基因筛选与分析根据抗药性相关基因关键词,如cytochromeP450、Glutathione S-transferases、carboxylesterases
25、、nicotinic acetylcholine receptor、GABA receptor、ATPsynthase等(金剑雪,2017),在转录组或DEGs表达数据中搜索抗药性相关基因序列,将得到的抗药性相关基因序列在NCBI数据库中进行BLASTx比对。2结果与分析2.1生物测定结果室内生物测定得到高效氯氰菊酯对柑橘木虱的毒力回归方程为Y=5.5417+3.1929X,LC10=0.2685mg/L,95%置信区间为0.05421.3307;LC50=0.6766mg/L,95%置信区间为0.22951.9943。试验结果表明高效氯氰菊酯对柑橘木虱具有较强的致死效果,可进行下一步的试验研
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