意大利蜜蜂幼虫响应东方蜜蜂微孢子虫胁迫的高表达基因分析

为探究意大利蜜蜂(Apis mellifera ligustica,简称意蜂)幼虫响应东方蜜蜂微孢子虫(Nosema ceranae)胁迫的高表达基因(HEG)的作用,利用RNA-seq技术对正常的意蜂4、5和6日龄幼虫(Am4CK、Am5CK和Am6CK)及N.ceranae胁迫的意蜂4、5和6日龄幼虫(Am4T、Am5T和Am6T)进行测序。共得到268 765 544条原始读段,经过滤得到的有效读段数为266 318 442条,各样品的Q30均在92.42%及以上。根据FPKM值≥15的标准从上述6个样品中分别筛选出2 460、2 692、2 908、2 367、2 549和2 270个HEG。Venn分析结果显示,去除与对照组共有的HEG,Am4T、Am5T和Am6T的共有HEG数为3个,特有HEG数分别为373、210和79个。GO分类结果显示,Am4T、Am5T和Am6T的特有HEG分别能够注释26、27和16个GO条目,注释基因数最多的分别是代谢进程、结合和结合。KEGG分析结果显示这些特有HEG可分别富集在145、138和68条代谢通路,富集基因数最多的分别是过氧化物酶体、碳代谢和内质网蛋白加工。进一步分析结果表明N.ceranae胁迫可导致宿主的部分物质代谢、能量代谢和免疫代谢通路水平提高。从6个样品的共有HEG中随机选取10个进行RT-PCR验证,均能成功扩增出目的条带,说明本研究中的HEG真实存在。研究结果揭示了意蜂幼虫响应N.ceranae胁迫的HEG表达谱及作用,为深入解析宿主的胁迫应答机制提供了重要信息。     

蜜蜂球囊菌菌丝和孢子中长链非编码RNA的比较及潜在功能分析

【背景】蜜蜂球囊菌（Ascosphaera apis,简称球囊菌）是一种专性侵染蜜蜂幼虫的真菌病原,可引起成年蜜蜂数量和蜂群群势的急剧下降。长链非编码RNA（long non-coding RNA,lncRNA）是一类新近发现的非编码RNA,在表观遗传、细胞周期、剂量补偿等众多生命活动中发挥重要生物学功能。【目的】明确球囊菌菌丝和孢子中lncRNA的数量、种类和表达谱差异,并探究共有lncRNA、特有lncRNA和差异表达lncRNA（differentially expressed lncRNA,DElncRNA）在菌丝与孢子中的潜在功能。【方法】利用基于链特异性建库的lncRNA-seq技术对球囊菌的纯化菌丝（AaM）和纯化孢子（AaS）分别进行测序。根据FPKM（Fragment Per Kilobase of per Million mapped reads）法计算lncRNA在AaM和AaS中的表达水平。通过Venn分析筛选AaM与AaS的共有lncRNA和特有lncRNA。按照P≤0.05且|log₂ fold change|≥1的标准筛选AaM vs AaS比较组中的DElncRNA。通过Blast工具将共有lncRNA、特有lncRNA和DElncRNA的上下游基因比对GO和KEGG数据库,以进行功能及通路注释。根据靶向结合关系构建共有lncRNA、特有lncRNA和DElncRNA的竞争性内源RNA（competing endogenous RNA,ceRNA）调控网络并利用Cytoscape软件进行可视化。利用RT-qPCR验证测序数据的可靠性。【结果】AaM和AaS分别测得108 614 646和105 675 408条原始读段（raw reads）,经严格过滤得到107 780 032和104 621 402条有效读段（clean reads）,Q20分别为98.76%和98.72%,Q30分别达到95.84%和95.78%。共鉴定到850个lncRNA。AaM和AaS的共有lncRNA为701个,二者的特有lncRNA分别为39和110个。上述共有lncRNA通过顺式作用调控3 992个上下游基因,它们涉及细胞进程、代谢进程和催化活性等42个功能条目,以及代谢途径、次生代谢物的生物合成和抗生素的生物合成等117条通路;AaM的特有lncRNA和AaS的特有lncRNA通过顺式作用分别调控243和672个上下游基因。AaM vs AaS比较组包含的255个DElncRNA通过顺式作用调控1 479个上下游基因,它们涉及代谢进程、细胞进程和催化活性等41个功能条目,以及代谢途径、次生代谢产物的生物合成和抗生素的生物合成等107条通路。从共有lncRNA、孢子特有lncRNA和DElncRNA中分别预测到41、5和13个微小RNA（microRNA,miRNA）的前体序列。调控网络分析结果显示,菌丝lncRNA、孢子lncRNA形成较为复杂的ceRNA调控网络;菌丝lncRNA可靶向结合8个miRNA,进而调控77个mRNA;孢子lncRNA可靶向结合7个miRNA,进而调控87个mRNA;2个DElncRNA（TCONS_00008630与TCONS_00009302）可靶向结合miR-4968-y,进而调控10个mRNA。RT-qPCR验证结果显示4个DElncRNA的差异表达趋势与测序结果一致,表明测序数据真实可靠。【结论】共有lncRNA、特有lncRNA和DElncRNA可能通过调控上下游基因的表达,作为miRNA的前体,以及充当ceRNA影响菌丝和孢子的物质和能量代谢、自噬、转录、MAPK信号通路、泛素介导的蛋白水解、蛋白酶体以及次生代谢产物的生物合成等生物学过程,从而调节球囊菌的生长、发育、生殖和致病性。     

蜜蜂球囊菌菌丝和孢子中微小RNA及其靶mRNA的比较分析

【目的】蜜蜂球囊菌(Ascosphaera apis,球囊菌)专性侵染蜜蜂幼虫而导致白垩病。本研究旨在通过small RNA-seq（sRNA-seq）技术和生物信息学方法对球囊菌纯化菌丝（AaM）和纯化孢子（AaS）进行深度测序和比较分析,明确球囊菌菌丝miRNA和孢子miRNA的数量、结构和表达谱差异,并揭示菌丝和孢子共有miRNA、特有miRNA和差异表达miRNA（differentially expressed miRNA,DEmiRNA）及其靶mRNA与球囊菌菌丝和孢子生长、发育和病原致病性的潜在关系。【方法】实验室条件下获得纯培养的球囊菌,利用sRNA-seq技术对AaM和AaS分别进行测序,通过对原始读段（raw reads）进行过滤和质控获得有效标签序列（clean tags）。通过Venn分析筛选菌丝和孢子共有miRNA和特有miRNA。根据P≤0.05且|log₂ fold change|≥1的标准筛选AaM vs AaS的DEmiRNA。对上述共有miRNA、特有miRNA和DEmiRNA的靶mRNA进行预测,并对靶mRNA进行GO及KEGG数据库注释。根据靶向结合关系构建DEmiRNA和靶mRNA的调控网络。利用RT-qPCR验证测序数据的可靠性。【结果】AaM和AaS中分别得到12 982 320和12 708 832条raw reads,经过滤和质控分别得到10 800 101和9 888 848条clean tags。AaM中miRNA的长度介于18—26 nt,AaS中miRNA的长度介于18—24 nt,分布miRNA数量最多的长度均为18 nt,AaM和AaS中首位碱基为U的miRNA数量最多。AaM和AaS中表达量最高的miRNA均为miR6478-x、miR10516-x和miR482-x。菌丝和孢子共有miRNA靶向结合5 946个mRNA,二者特有miRNA分别靶向结合6 141和6 346个mRNA。共有miRNA的靶mRNA主要参与代谢进程、细胞进程和催化活性等42个功能条目,以及翻译、碳水化合物代谢和能量代谢等120条通路。AaM vs AaS比较组包含93个DEmiRNA,可靶向结合6 090个mRNA,这些靶mRNA可注释到38个功能条目和120条通路。DEmiRNA与靶mRNA之间形成较为复杂的调控网络,miR-4968-y位于调控网络的中心且能够靶向结合多达118个mRNA。RT-qPCR结果显示5个DEmiRNA的表达趋势与测序数据一致,证实了本研究中测序数据的可靠性。【结论】球囊菌菌丝和孢子中的miRNA具有类似的结构特征,但表达谱表现出明显差异;菌丝和孢子可能通过特异性表达和差异表达部分miRNA对其生长、发育和生殖进行调控。     

中华蜜蜂幼虫肠道中微小RNA的鉴定及分析

【目的】利用small RNA-seq（sRNA-seq）技术和生物信息学方法对中华蜜蜂（Apis cerana cerana,简称中蜂）幼虫肠道的微小RNA（microRNA,miRNA）进行全转录组鉴定和分析,旨在丰富中蜂的miRNA信息,并为深入研究miRNA调控中蜂幼虫肠道发育的分子机理提供依据。【方法】利用sRNA-seq技术对中蜂4、5和6日龄幼虫肠道样品（Ac1、Ac2和Ac3）进行测序,通过数据质控获得有效标签序列（clean tags）。采用Blast工具将clean tags连续比对东方蜜蜂（Apis cerana）基因组和miRBase数据库,以鉴定保守miRNA和新miRNA。采用TPM法对miRNA的表达量进行归一化处理。通过GraphPad Prism 7软件统计各组肠道样品中sRNA占比、miRNA长度分布及首位碱基偏向性。利用相关软件预测上述miRNA靶向的mRNA并进行GO和KEGG数据库注释。进一步根据靶向结合关系构建和分析注释到发育和免疫相关通路的基因及其靶向miRNA的调控网络,并利用Cytoscape软件进行可视化。利用茎环反转录PCR（Stem-loop RT-PCR）、分子克隆和Sanger测序验证miRNA的表达和序列的真实性。【结果】共鉴定到中蜂的371个保守miRNA和64个新miRNA;这些miRNA的长度介于18—25 nt且首位碱基主要偏向于U;上述miRNA共靶向14 750条mRNA,涉及离子结合、金属离子结合、细胞膜、细胞膜组件和单一有机体进程等2 270个GO条目,以及内吞作用、细胞凋亡、mTOR信号通路、RNA转运和昆虫激素的生物合成等332条KEGG通路。进一步分析结果显示156个miRNA与注释到Wnt、Hippo、Notch和mTOR等生长发育相关通路的67个靶基因存在调控关系,145个miRNA与注释到Toll、Imd/JNK、Jak-STAT和抗菌效应因子等免疫相关途径的21个靶基因存在调控关系。Stem-loop RT-PCR 结果显示miR-8-y、miR-9-z、miR-14-y、miR-281-y、miR-283-x和miR-306-x均能扩增出预期的特异性片段;Sanger测序结果显示上述6个miRNA的序列与深度测序结果一致。【结论】提供了中蜂miRNA的数量、结构特征和表达谱;揭示中蜂幼虫肠道miRNA潜在调控诸多生命进程与细胞活动;中蜂幼虫肠道的部分miRNA可通过靶向结合相应的mRNA参与调节发育和免疫相关途径。     

微小RNA及其介导的竞争性内源RNA调控网络在意大利蜜蜂工蜂中肠发育过程中的潜在作用

【目的】微小RNA（microRNA,miRNA）能够通过靶向结合导致mRNA的抑制或降解,从而对基因表达进行负调控。MiRNA在昆虫的生长、发育、免疫和细胞生命活动调控方面扮演关键角色。本研究旨在对意大利蜜蜂（Apis mellifera ligustica,简称意蜂）工蜂中肠的差异表达miRNA（differentially expressed miRNA,DEmiRNA)及其调控网络进行深入分析,并结合前期在mRNA、长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)和环状RNA(circular RNA,circRNA)组学层面的相关研究结果,系统解析中肠发育过程的miRNA差异表达谱及竞争性内源RNA（competing endogenous RNA,ceRNA）调控网络介导的中肠发育机理。【方法】利用small RNA-seq技术对正常的意蜂7日龄和10日龄工蜂中肠（Am7和Am10）进行测序。将质控后的测序数据比对西方蜜蜂基因组,再将比对上的序列标签（tags）比对到miRBase数据库以鉴定已知miRNA。利用每百万标签序列（tags per million,TPM）算法对miRNA表达量进行计算和归一化处理。根据|log₂fold change|≥1且P≤0.05的标准筛选得到显著性DEmiRNA;利用相关软件进行靶mRNA的预测及GO和KEGG数据库注释。根据靶向结合关系及前期研究结果,利用Cytoscape软件对AMPK、PI3K-Akt、Wnt、cAMP、Hippo、mTOR、Toll/Imd、TGF-beta和MAPK 9条信号通路相关的DElncRNA/DEcircRNA-DEmiRNA-DEmRNA网络进行可视化;构建以miR-342-y为核心的ceRNA调控网络,进一步对网络中的靶mRNA进行代谢通路注释。利用茎环实时荧光定量PCR（Stem-loop RT-qPCR）验证测序数据及miRNA差异表达的可靠性。【结果】Am7 vs Am10比较组中共有112个显著性DEmiRNA,包括38个显著上调miRNA和74个显著下调miRNA,分别靶向结合7 434和9 559个mRNA,它们可注释到生物学进程相关的21和23个功能条目,细胞组分相关的16和17个功能条目,以及分子功能相关的10和11个功能条目;此外还能注释到果糖和甘露糖代谢、嘌呤代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢等物质代谢相关的83和86条通路;内吞作用、泛素蛋白水解、黑色素生成等细胞免疫相关的10和10条通路;MAPK、Jak-STAT、NF-κB等体液免疫相关的5和5条通路;以及Hippo、FoxO、Notch等涉及生长发育的13和11条信号通路。进一步构建上述9条信号通路相关的ceRNA调控网络,分析发现意蜂中肠发育过程中DEmiRNA与DElncRNA、DEcircRNA和DEmRNA之间存在复杂的调控关系;DEmiRNA位于网络中心,而DElncRNA、DEcircRNA和DEmRNA位于网络的外周。miR-342-y在意蜂工蜂中肠和幼虫肠道发育过程中均为显著性下调表达,可靶向结合3个DEcircRNA、4个DElncRNA和327个mRNA。Stem-loop RT-qPCR结果显示4个DEmiRNA的差异表达趋势与测序结果一致,说明本研究中测序数据及miRNA差异表达趋势真实可靠。【结论】DEmiRNA可能通过参与调控物质和能量代谢通路、Hippo和Wnt等信号通路以及细胞和体液免疫通路相关基因的表达影响意蜂中肠的生长和发育;miR-182-x、miR-291-y、miR-342-y、ame-miR-6001-3p等关键DEmiRNA介导的ceRNA调控网络可能在意蜂中肠发育过程发挥重要的调控作用。     

意大利蜜蜂响应东方蜜蜂微孢子虫胁迫的免疫应答

【目的】通过对意大利蜜蜂（Apis mellifera ligustica,简称意蜂）工蜂中肠响应东方蜜蜂微孢子虫（Nosema ceranae）胁迫的差异表达基因（differentially expressed gene,DEG）及免疫通路进行深入细致的分析,揭示宿主的细胞和体液免疫应答,为关键免疫应答基因的筛选及功能研究打下基础。【方法】基于前期获得的正常及东方蜜蜂微孢子虫胁迫的意蜂7日龄和10日龄工蜂中肠（Am7CK、Am7T、Am10CK、Am10T）转录组数据,按照FDR≤1,P≤0.05和|log₂ fold change|≥1的标准筛选出各组的DEG,利用相关生物信息学软件对DEG进行Pearson相关性分析、Venn分析、GO分类和KEGG代谢通路富集分析,进而对免疫通路富集基因进行统计和分析,利用实时荧光定量PCR（real-time quantitative PCR,RT-qPCR）验证转录组数据的可靠性。【结果】 差异分析结果显示,Am7CK vs Am7T比较组包含472个上调基因和385个下调基因;Am10CK vs Am10T比较组包含611个上调基因和360个下调基因。Venn分析结果显示,两个比较组特有的DEG分别为739和853个,共有的DEG为118个。GO分类结果显示,Am7CK vs Am7T比较组中上调和下调基因分别涉及23和29个功能条目,其中富集上调基因数最多的前5位分别为结合、催化活性、代谢进程、细胞进程和单组织进程;富集下调基因数最多的前5位分别为代谢进程、单组织进程、催化活性、细胞进程和结合。Am10CK vs Am10T比较组中上调和下调基因分别涉及36和26个功能条目,其中富集上调基因数最多的前5位分别为单组织进程、结合、细胞进程、催化活性和代谢活性;富集下调基因数最多的前5位分别为结合、细胞进程、催化活性、代谢进程和单组织进程。KEGG代谢通路富集分析结果显示,Am7CK vs Am7T比较组中上调和下调基因分别富集在38和33条代谢通路,富集上调基因数最多的前5条分别为胆汁分泌、内质网蛋白加工、泛素介导的蛋白水解、PI3K-Akt信号通路和神经营养因子信号通路;富集下调基因数最多的前5条分别为胞质DNA传感通路、嘌呤代谢、嘧啶代谢、RNA聚合酶和核糖体;涉及泛素介导的蛋白水解等3条细胞免疫通路,以及PI3K-Akt信号通路等7条体液免疫通路。Am10CK vs Am10T比较组中上调和下调基因分别富集在54和43条代谢通路,富集上调基因数最多的前5条分别为Hippo信号通路、药物代谢-细胞色素P450、P450对外源物质的代谢、泛素介导的蛋白水解和鞘脂类代谢;富集下调基因数最多的前5条分别为mRNA监测、鞘脂类信号通路、果糖和甘露糖代谢、半乳糖代谢和鞘脂类代谢;涉及泛素介导的蛋白水解等7条细胞免疫通路,以及NF-κB信号通路等2条体液免疫通路。RT-qPCR验证结果显示6个随机挑选的DEG的表达量变化趋势与测序结果一致,证实了本研究中测序数据的可靠性。进一步分析发现意蜂7日龄和10日龄工蜂中肠的NF-κB信号通路均被东方蜜蜂微孢子虫激活,随即启动了3种抗菌肽apidaecin、defensin-1和hymenoptaecin的合成,体现了它们在宿主抵御东方蜜蜂微孢子虫入侵中的重要性。【结论】在转录组水平解析了意蜂工蜂中肠对东方蜜蜂微孢子虫的免疫应答,揭示宿主在胁迫前期同时作出细胞和体液免疫应答,前者可能在抵御病原入侵方面发挥主要作用;宿主的细胞免疫在胁迫后期持续增强,但体液免疫较大程度地减弱;泛素介导的蛋白水解通路及富集DEG,NF-κB信号通路及富集DEG,以及抗菌肽编码基因apidaecin、defensin-1和hymenoptaecin可能在意蜂工蜂对东方蜜蜂微孢子虫的免疫应答中起到关键作用。