小菜蛾中肠氨肽酶N2在昆虫细胞中的表达

利用昆虫细胞-杆状病毒表达系统(Bac-to-Bac baculovirus expression system)表达获得小菜蛾 Plutella xylostella(L.)中肠氨肽酶N2(aminopeptidase N,APN2)蛋白,成功建立了该蛋白在昆虫细胞中的表达体系。将对Cry1Ac毒素敏感和已产生抗性的小菜蛾中肠APN2基因插入表达载体pFAST Bac HTB中,并在草地夜蛾 Spodoptera frugiperda 细胞系(Sf9)中进行了重组表达。聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)及蛋白免疫印迹技术(Western-blotting)结果显示,在107 kDa处有1条特异性蛋白条带。研究表明,小菜蛾中肠APN2基因可在Sf9细胞中成功表达,这为继续研究其功能及抗性的关系奠定了基础。     

棉铃虫APN基因家族系统进化与功能分析

氨肽酶N（APN）是锌金属蛋白酶M1家族的成员,鳞翅目昆虫中肠刷状缘膜囊泡（brush border membrane vesicles,BBMV）细胞膜上的APN不仅在蛋白消化吸收过程中起着重要的作用,而且是Bt的重要受体蛋白。本研究通过PCR技术克隆得到7条棉铃虫APN基因全长序列,HaAPN1～7（Genbank登录号为MT002819～MT002825）。经生物信息学分析,HaAPN1～7全长为2592～3099 bp,编码863～1032个氨基酸,分子量为110～115 kDa,等电点为4.7～6.4,N端信号肽为15～20 aa。系统进化分析结果表明,HaAPN1～7分属于Class 1～7类别。RT-qPCR结果表明,在敏感棉铃虫5龄幼虫中肠中APN2的表达量最高,APN7的表达量最低;Cry1Ac抗性品系棉铃虫中各类APN的表达趋势与敏感品系一致。取食Cry1Ac、Cry2Ab和Vip3Aa蛋白后棉铃虫中肠APN活性显著降低,取食Cry1Ac和Vip3Aa蛋白后中肠液和BBMV中APN活性都显著降低,而取食Cry2Ab蛋白后只有BBMV上APN活性显著降低;棉铃虫对Cry1Ac、Cry2Ab和Vip3Aa产生耐受性后,中肠液和BBMV中APN活性也都发生显著变化。因此,不同类别的棉铃虫APN在Bt的杀虫机制中可能起到不同的作用,APN活性变化可能与Bt蛋白的降解及抗性演化相关。     

亚洲玉米螟中肠Cry1Ac毒素结合蛋白V-ATP酶A亚基的研究

运用RT-PCR和RACE技术克隆了亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis(Guenée)幼虫中肠V-ATP酶A亚基基因ofvaa,其c DNA全序列长2535 bp,开放阅读框1854 bp,编码617个氨基酸,预测蛋白分子量68.01 k D,等电点(p I)4.90。序列中包含有V-ATP酶A亚基特征,即ATP-synt_ab_N结构域ATP-synt_ab_C结构域和可供ATP结合的保守区Walker A(GAFGCGKT),以及天门冬氨酸介导Mg2+反应的保守区Walker B(SMMAD)。原核表达并获得纯化的Of VAA多肽片段,配体杂交试验表明其能够与Cry1Ac毒素结合。生测结果表明,Of VAA多肽片段对亚洲玉米螟有一定的杀虫活性,当其与Cry1Ac毒素混合时杀虫效果呈现加性效应。鉴定的亚洲玉米螟V-ATP酶A亚基基因ofvaa c DNA序列在Gen Bank登录号为HQ434762。     

甜菜夜蛾中肠碱性磷酸酶alp2基因的克隆、表达及功能分析

为探究甜菜夜蛾Spodoptera exigua中肠碱性磷酸酶(alkaline phosphatase protein 2,ALP2)是否为Cry1Ac杀虫蛋白的受体,采用同源克隆和RACE技术克隆了编码alp2基因的完整c DNA序列,利用荧光定量PCR比较了甜菜夜蛾幼虫中肠不同龄期ALP2表达量的差异,利用Ligand blot方法检测了中肠ALP2与Cry1Ac杀虫蛋白的结合。结果表明,alp2基因序列全长1 629 bp(Gen Bank序列号为KP420013),编码542个氨基酸,预测在氨基酸序列N端包含1个由21个氨基酸组成的信号肽,在C端存在1个GPI修饰的锚定位点,且在整个氨基酸序列中存在多个糖基化修饰位点。在整个甜菜夜蛾幼虫期均有ALP2表达,但不同龄期的表达量差异显著,1龄幼虫期表达量最低,4龄幼虫期最高。Ligand blot方法检测结果表明原核表达的ALP2片段与活化的Cry1Ac杀虫蛋白可以结合。研究表明,甜菜夜蛾中肠的ALP2可能是Cry1Ac的受体之一。     

APN1的原核表达及其与Cry1Ac蛋白体外结合

本研究分析了Cry1Ac蛋白与棉铃虫BBMVs的结合情况;并将棉铃虫apn1基因的全长和片段在大肠杆菌Rosetta(DE3)中进行表达,利用Ligand blotting技术分析原核表达的APN1全长及4个片段与Cry1Ac蛋白的结合情况。结果表明:Cry1Ac蛋白可以与棉铃虫的BBMVs结合;在大肠杆菌中表达的棉铃虫受体蛋白APN1的全长、片段H1(33~257)、H2(258~547)和H3(548~798)可以与Cry1Ac蛋白结合,其中片段H3是首次发现可以与Cry1Ac蛋白结合。本研究的结果也为其他Bt蛋白受体的体外功能研究提供新的借鉴。     

棉铃虫V-ATPase亚基B是Cry1Ac的功能受体

目前对转苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis（Bt）的研究发现,液泡型ATP酶（Vacuolar-type proton ATPase,V-ATPase）可能是Bt的一类新型受体。我们前期通过构建棉铃虫的中肠酵母文库筛选Cry1Ac的结合蛋白发现棉铃虫V-ATPase亚基B（V-ATPase B）可以与Cry1Ac结合。为明确V-ATPase B在Cry1Ac毒力和昆虫对Cry1Ac抗性机制中的作用,本研究首先采用实时荧光定量PCR技术分析了该基因在抗感Cry1Ac棉铃虫幼虫中及其受到Cry1Ac诱导时的基因表达情况;通过Ligand blot进一步地证实了其与Cry1Ac的结合特性;并通过在Sf9细胞中表达V-ATPase B的试验验证了其功能。结果表明V-ATPase B在抗性品系及受到Cry1Ac诱导时均下调表达,Ligand blot证实了V-ATPase B与Cry1Ac特异性结合;并且在昆虫细胞内过表达该基因,会增强Cry1Ac的细胞毒力。研究结果表明棉铃虫V-ATPase B是Cry1Ac的功能受体,并有可能通过降低基因表达来参与棉铃虫对Cry1Ac的抗性形成。     

棉铃虫小分子热激蛋白sHSP22.0基因的克隆及表达谱分析

棉铃虫Helicoverpa armigera是一种重要的农业害虫,本文旨在研究小分子热激蛋白在其生长发育过程、抵御高温及Cry1Ac杀虫蛋白中的功能。利用PCR结合RACE技术克隆了棉铃虫sHSP22.0(small heat shock protein 22.0)基因,通过生物信息学软件分析了棉铃虫sHSP22.0基因序列,利用实时荧光定量qRT-PCR分析了该基因在棉铃虫不同生长发育阶段和组织中的表达模式;并分析了该基因受高温及Cry1Ac全长蛋白的诱导效应。获得了棉铃虫sHSP22.0(GenBank登录号: XP_021196802.1) 761 bp cDNA片段,其开放阅读框576 bp,编码191个氨基酸,具有小分子热激蛋白典型的α-晶体结构域(α-crystallin domain,ACD)。sHSP22.0在棉铃虫4龄和5龄期特异性表达,尤其在5龄幼虫的表皮、中肠和后肠内特异性表达。该小分子热激蛋白受温度和Cry1Ac全长蛋白的诱导后显著高表达。sHSP22.0不仅在暴食期及肠道内特异性表达,而且响应Cry1Ac全长蛋白的诱导,表明它在棉铃虫消化吸收及抵御外源物的活动中可能起到重要的作用。     

Cry1Ac的绿色荧光蛋白GFP标记及其在棉铃虫幼虫中肠的定位分布

为了明确Cry1Ac蛋白在棉铃虫体内与中肠组织的相互作用,采用重叠PCR方法将Bt-cry1Ac基因和绿色荧光蛋白GFP基因融合,构建含Cry1Ac毒蛋白和绿色荧光蛋白GFP原核表达载体,并在大肠杆菌大量表达。利用荧光显微镜观察发现,表达Cry1Ac-GFP融合蛋白的大肠杆菌在蓝光激发下发出绿色荧光。将含有融合蛋白的菌液拌入人工饲料饲喂3龄棉铃虫幼虫96h,取棉铃虫幼虫中肠做冰冻切片并在荧光显微镜下观察。结果显示,取食含有Cry1Ac-GFP融合蛋白饲料的棉铃虫幼虫中肠能够发出强烈荧光。比较Cry1Ac杀虫蛋白敏感和抗性棉铃虫幼虫中肠的发光部位,敏感棉铃虫幼虫的中肠围食膜已经消失,肠壁细胞发出强烈的荧光,而抗性棉铃虫的围食膜较健全并发出荧光。     

苏云金芽胞杆菌cry8Ea启动子区orf1片段缺失增强启动子活性

本文分别构建了cry8E基因上游的启动子(Porf18E)和其上游缺失orf1基因的启动子(PΔorf18E)融合lacZ基因的表达载体,通过β-半乳糖苷酶活性的分析,发现PΔorf18E的转录活性高于Porf18E。分别用PΔorf18E和Porf18E指导cry1Ac基因的表达,通过光学显微镜观察,发现两个启动子指导表达的Cry1Ac蛋白均可形成双锥形晶体;通过总蛋白定量分析发现,缺失orf1基因的启动子(PΔorf18E)指导的Cry1Ac蛋白表达量高于Porf18E启动子指导的Cry1Ac蛋白表达量;生物活性测定表明:PΔorf18E指导的Cry1Ac晶体蛋白对小菜蛾Plutella xylostella具有杀虫活性,高于Porf18E指导的Cry1Ac晶体蛋白对小菜蛾的杀虫活性。本文获得的强活性的启动子PΔorf18E是目前已报道的转录活性最高的cry基因启动子,该启动子为Cry蛋白的表达和遗传工程菌株构建提供了重要元件。     

V-ATPase H表达量下调增强棉铃虫对Cry1Ac的抗性

棉铃虫Helicoverpa armigera是世界性重要农业害虫。目前防治棉铃虫的主要手段是种植转苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis(Bt)杀虫蛋白的转基因作物。本文旨在研究棉铃虫V-ATPase H在Cry1Ac蛋白毒力和抗性中的作用。利用实时荧光定量qRT-PCR技术分析V-ATPase H在Cry1Ac抗、感品系棉铃虫幼虫中肠及敏感品系棉铃虫幼虫受Cry1Ac诱导后的表达情况;在昆虫Sf9细胞中过表达V-ATPase H对其进行细胞定位,通过细胞毒力试验验证其对Cry1Ac毒力的影响。结果发现棉铃虫V-ATPase H基因在抗性品系中低表达,并且V-ATPase H在受到Cry1Ac诱导时也低表达;在Sf9细胞内表达V-ATPase H蛋白发现其在整个细胞中都有分布,过表达该蛋白后增强了细胞对Cry1Ac蛋白的敏感性。结果表明V-ATPase H参与Cry1Ac蛋白的毒力。     

中黑盲蝽对四季豆豆荚和棉铃虫卵的取食选择性

盲蝽类害虫具有杂食性特点,但已有的取食行为研究主要集中于植食性,缺乏对其食性的全面认识。本文观察了中黑盲蝽在有选择和无选择条件下对四季豆豆荚和棉铃虫卵的取食与选择行为,并利用刺探电位技术分析了其对四季豆豆荚和棉铃虫卵的刺吸行为。研究显示:3种处理上中黑盲蝽总取食时间比例分别为:混合食物(四季豆豆荚和棉铃虫卵)38%、四季豆豆荚33%、棉铃虫卵27%,混合食物上取食四季豆豆荚的时间比例(22%)高于棉铃虫卵(16%)。6h测试时间内,中黑盲蝽刺吸四季豆豆荚时间为6 595s,高于棉铃虫卵(3 641s);单次刺吸时间以在四季豆豆荚上较高(334s)。以上结果表明中黑盲蝽喜欢取食混合食物,且倾向取食刺吸植物。研究结果对进一步解析中黑盲蝽的杂食性,探明其在生态系统中的地位及开发人工饲料有重要科学意义。     

Cry1Ba3、Cry1Ia8蛋白对Cry1Ac抗性小菜蛾的杀虫活性研究

利用2种苏云金芽胞杆菌原毒素Cry1Ba3、Cry1Ia8及其组合,分别对Cry1Ac抗性种群小菜蛾幼虫进行生物活性测定。结果表明Cry1Ba3、Cry1Ia8对2种目标试虫均有高毒力,LC50分别为0.2175、0.6706μg/mL;Cry1Ba3毒力3倍于Cry1Ia8。2种蛋白混配的结果也表现出高毒力,LC50为0.4375μg/mL,没有显著的协同增效作用,也不存在拮抗。敏感与抗性小菜蛾种群生测结果统计分析比较,结果表明这2种蛋白及其组合与Cry1Ac并无交互抗性。     

Cry1Ac和Cry2Ab蛋白对大草蛉生长发育及酶活力的影响

为明确转Cry1Ac和Cry2Ab基因棉花对大草蛉的影响,运用Bt蛋白与人工饲料混合的方法,以大于转基因棉花叶片中蛋白含量20倍的剂量饲喂大草蛉初孵幼虫,初步研究了Cry1Ac和Cry2Ab对大草蛉生物学参数和消化酶、解毒酶活性的影响。结果表明：取食含Bt蛋白饲料的大草蛉幼虫的发育历期、体重、蛹重、成虫体重、羽化率等生物学参数与对照相比均没有显著差异;在大草蛉幼虫体内可以检测到含量较高的Cry1Ac和Cry2Ab蛋白,分别为974.92~1 282.39 ng/g鲜重和5 592.62~6 082.92 ng/g鲜重,而在大草蛉成虫体内检测到的Cry1Ac和Cry2Ab蛋白含量非常低,分别为0.29~0.39 ng/g鲜重和50.34~56.71 ng/g鲜重;取食含Bt蛋白的饲料对大草蛉幼虫的类胰蛋白酶、类胰凝乳蛋白酶、氨肽酶和谷胱甘肽-S-转移酶活性有一定的影响,但对大草蛉成虫影响与对照差异不显著。表明大草蛉取食含Bt蛋白的人工饲料后,虽然体内可以检测到一定含量的Bt蛋白,但对大草蛉的生长发育并没有显著的直接不利影响。     

Prohibitin,an essential protein for Colorado potato beetle larval viability,is relevant to Bacillus thuringiensis Cry3Aa toxicity

Bacillus thuringienesis (Bt) Cry toxins constitute the most extensively used environmentally safe biopesticide and their mode of action relies on the interaction of the toxins with membrane proteins in the midgut of susceptible insects that mediate toxicity and insect specificity. Therefore, identification of Bt Cry toxin interacting proteins in the midgut of target insects and understanding their role in toxicity is of great interest to exploit their insecticidal action. Using ligand blot, we demonstrated that Bt Cry3Aa toxin bound to a 30 kDa protein in Colorado potato beetle (CPB) larval midgut membrane, identified by sequence homology as prohibitin-1 protein. Prohibitins comprise a highly conserved family of proteins implicated in important cellular processes. We obtained the complete CPB prohibitin-1 DNA coding sequence of 828 pb, in silico translated into a 276-amino acid protein. The analysis at the amino acid level showed that the protein contains a prohibitin-homology domain (Band7_prohibitin, cd03401) conserved among prohibitin proteins. A striking feature of the CPB identified prohibitin-1 is the predicted presence of cadherin elements, potential binding sites for Cry toxins described in other Bt susceptible insects. We also showed that CPB prohibitin-1 protein partitioned into both, detergent soluble and insoluble membrane fractions, as well as a prohibitin-2 homologous protein, previously reported to form functional complexes with prohibitin-1 in other organisms. Prohibitin complexes act as membrane scaffolds ensuring the recruitment of membrane proteases to facilitate substrate processing. Accordingly, sequestration of prohibitin-1 by an anti-prohibitin-1 antibody impaired the Cry3Aa toxin inhibition of the proteolytic cleavage of a fluorogenic synthetic substrate of an ADAM-like metalloprotease previously reported to proteolize this toxin. In this work, we also demonstrated that prohibitin-1 RNAi silencing in CPB larvae produced deleterious effects and together with a LD50 Cry3Aa toxin treatment resulted in a highly efficient short term response since 100% larval mortality was achieved just 5 days after toxin challenge. Therefore, the combination of prohibitin RNAi and Cry toxin reveals as an effective strategy to improve crop protection.     

钙粘蛋白氨基酸点突变介导红铃虫对Cry1Ac的抗性

为明确室内筛选的红铃虫Pectinophora gossypiella抗性品系AQ-R对Cry1Ac的抗性机制,采用室内生物测定法明确该品系对Cry1Ac和Cry2Ab的敏感性,通过遗传杂交和基因克隆分析抗性基因的显隐性及突变位点,并进行细胞学试验分析突变蛋白的亚细胞定位。结果显示：红铃虫AQ-R抗性品系对Cry1Ac的抗性倍数为181.67倍,对Cry2Ab没有交互抗性;该品系携带了一种新型的隐性钙粘蛋白抗性等位基因PgCad1,其编码蛋白的钙粘蛋白重复区、前蛋白区和近膜区共发生了17个氨基酸替换。表达野生型PgCad1-s基因的Hi5细胞对Cry1Ac敏感,且钙粘蛋白定位于细胞膜;而表达抗性PgCad1-r基因的Hi5细胞则对Cry1Ac不敏感,且钙粘蛋白错误定位到内质网。表明钙粘蛋白氨基酸点突变能导致其定位错误,从而促成红铃虫AQ-R品系对Cry1Ac产生抗性。     

Midgut juice of Plutellaxylostella highly resistant to Bacillusthuringiensis Cry1Ac contains a three times larger amount of glucosinolate sulfatase which binds to Cry1Ac compared to that of susceptible strain

Midgut juice of Plutellaxylostella strain PXR which is resistant to Cry1Ac was biochemically characterized relative to the susceptible PXS strain. The midgut juice of PXR (PXR-Juice) was shown to process Cry1Ac protoxin to 60 kDa active toxin with the same processing pattern as that of juice from PXS (PXS-Juice) in SDS–PAGE. PXS larvae which were given the Cry1Ac toxin pre-processed with PXR-Juice were killed with the same rate as that with Cry1Ac pre-activated by trypsin. PXR-Juice was found to contain three times larger amount of 66 kDa protein (P66) than PXS-Juice and the N-terminal amino acid sequence of P66 was matched to that of glucosinolate sulfatase in data base search. The protein band of P66 was coincided with the band of p-nitro phenyl sulfatase activity in zymogram. P66 purified to homogeneity in SDS-PAGE bound to Cry1Ac and soybean agglutinin, and K_D for Cry1Ac was estimated to be 718 nM with surface plasmon resonance analysis. Using purified sulfatase, K_m and V_max were estimated and involvement of the enzyme in the PXR resistance was discussed.     

类钙粘蛋白对Cry3A毒素杀虫活性的影响

将克隆的黄粉虫类钙粘蛋白基因片段在大肠杆菌中表达纯化,并分析其对Cry3A毒素杀虫活性的影响,从而探讨黄粉虫类钙粘蛋白对Cry3A毒素杀虫活性的增效作用。黄粉虫类钙粘蛋白基因片段在大肠杆菌中表达产物为包涵体,经尿素变性后,用亲和纯化法可得到较纯的重组蛋白;随着类钙粘蛋白片段与Cry3A质量比值的升高,Cry3A毒素对黄粉虫的杀虫活性也逐步提高,当其比值为1时,活性达到最大,提高了2.5倍,而黄粉虫类钙粘蛋白片段对Cry3Am的杀虫活性却没有显著性影响。研究表明,黄粉虫类钙粘蛋白对Cry3A毒素的杀虫活性具有增效作用。     

大气CO2浓度升高对转基因玉米Bt毒素表达量的影响

大气CO_2浓度升高不仅影响植物营养化学成分的变化,还能够引起植物次生抗虫物质表达量的改变,进而影响作物-害虫的互作关系。本试验利用开顶式气室(OTC)和室内动态气室模拟当前和未来大气CO_2浓度(约390、550、750μL/L)环境,测定了不同大气CO_2浓度下普通玉米‘郑58’和转cry1Ac-m基因玉米的营养物质成分、转cry1Ac-m基因玉米Cry1Ac杀虫蛋白的含量,以及取食不同大气CO_2浓度环境下生长的‘郑58’或转cry1Ac-m基因玉米叶片的亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis(Guenée)初孵幼虫死亡率。结果表明,与对照相比,高大气CO_2浓度(750μL/L)环境下生长的转基因和对照玉米叶片中淀粉、可溶性糖、非结构性碳(TNC)含量及TNC∶N都明显增加,而N含量差异不显著。对照玉米叶片的N含量显著高于转基因玉米,其他营养成分没有显著变化。随着大气CO_2浓度的升高,转基因玉米的Cry1Ac蛋白表达量有下降的趋势,但各处理间差异不显著。亚洲玉米螟取食生长在不同大气CO_2浓度环境下的‘郑58’或转cry1Ac-m基因玉米叶片48h后,死亡率没有显著差异;转cry1Ac-m基因玉米具有显著的杀虫效果。     

沉默cadherin基因对小菜蛾敏感性的影响

钙粘蛋白(cadherin)是许多鳞翅目昆虫中苏云金芽孢杆菌(Bt)毒素的受体。利用RNAi技术对小菜蛾中肠cadherin基因进行沉默处理,明确了cadherin基因沉默对小菜蛾对Cry1Ac毒素敏感性的影响。结果表明,注射目标dsRNA后的第1天至第5天,Cry1Ac敏感及抗性小菜蛾品系cadherin的基因表达量均显著减少,尤以第2天的减少量最为明显;Cry1Ac毒力测定结果表明,沉默cadherin基因能在一定程度上提高幼虫的成活率,即可使小菜蛾对Cry1Ac毒素的敏感性降低。研究初步表明,cadherin基因的功能与小菜蛾对Cry1Ac毒素的抗性有关。