RNA干扰技术在农作物害虫防治中的应用

RNA干扰(RNAi)技术作为基因沉默的工具,已被广泛应用于农作物害虫防治研究。准确选择靶基因、将dsRNA或siRNA导入昆虫体内、siRNA在昆虫体内的扩增和扩散是RNAi技术应用于农作物害虫防治的基础。应用RNAi技术能有效地保护农作物抵抗害虫危害,在农作物遗传改良进行精准抗虫方面具有重大的应用前景。     

RNA interference in Colorado potato beetle(Leptinotarsa decemlineata): A potential strategy for pest control

Colorado potato beetle(CPB), Leptinotarsa decemlineata, is a notorious destructive pest that mainly feeds on the leaves of potato and several other solanaceous plants. CPB is widely recognized for its adaptation to a remarkable variety of host plants and diverse climates, and its high resistance to insecticides and Bacillus thuringiensis toxins. RNA interference(RNAi) is a sequence-specific, endogenous gene silencing mechanism evoked by small RNA molecules that is used as a robust tool for virus and pest control. RNAi has been extensively tested for CPB management by employing various target genes and delivery methods. This article reviews the screening of RNAi target genes, efficient RNAi delivery systems, and factors affecting RNAi efficiency in CPB, which may help understand the mechanisms of RNAi and its application in CPB control strategy.     

Hairpin RNAs and retrotransposon LTRs effect RNAi and chromatin-based gene silencing

The expression of short hairpin RNAs in several organisms silences gene expression by targeted mRNA degradation. This RNA interference (RNAi) pathway can also affect the genome, as DNA methylation arises at loci homologous to the target RNA in plants. We demonstrate in fission yeast that expression of a synthetic hairpin RNA is sufficient to silence the homologous locus in trans and causes the assembly of a patch of silent Swi6 chromatin with cohesin. This requires components of the RNAi machinery and Clr4 histone methyltransferase for small interfering RNA generation. A similar process represses several meiotic genes through nearby retrotransposon long terminal repeats (LTRs). These analyses directly implicate interspersed LTRs in regulating gene expression during cellular differentiation.     

水稻高效RNA干涉体系的建立及其在受体激酶基因功能研究中的应用

利用RNA干涉(RNAi)技术，可以特异性的抑制真核生物体中目标基因的表达。本研究构建了适合水稻转化的RNAi诱导载体pCADS1341。为检测其有效性，使用它构建了针对GUS基因的RNAi载体，并利用基因枪转化法导入GUS基因稳定表达的转基因水稻愈伤组织。GUS染色分析结果表明该载体中RNAi诱导元件的瞬时表达可显著抑制GUS基因的表达。为探讨影响水稻中转基因诱导的RNAi效率的因素，对针对某个目标水稻基因的水稻RNAi植株进行了详细的分析。通过Southern和Northern杂交检测了T0代RNAi植株中T-DNA插入的拷贝数和目标基因的表达量，筛选出T-DNA为单拷贝插入，且目标基因的表达被高效抑制的株系。对来源于该株系的T1代植株进行了半定量RT-PCR检测，结果表明RNAi效应可以遗传给后代转基因水稻植株，但是不同个体中的RNAi效率存在差异。RNAi系统的表达量可能是决定RNAi效率的最关键因素。我们建立的高效RNAi技术体系对于水稻功能基因组学研究具有重要意义，利用这个系统我们已经构建了60多个水稻受体激酶基因的RNAi载体，系统的研究正在进行中。     

Identification of Hedgehog pathway components by RNAi in Drosophila cultured cells

Classical genetic screens can be limited by the selectivity of mutational targeting, the complexities of anatomically based phenotypic analysis, or difficulties in subsequent gene identification. Focusing on signaling response to the secreted morphogen Hedgehog (Hh), we used RNA interference (RNAi) and a quantitative cultured cell assay to systematically screen functional roles of all kinases and phosphatases, and subsequently 43% of predicted Drosophila genes. Two gene products reported to function in Wingless (Wg) signaling were identified as Hh pathway components: a cell surface protein (Dally-like protein) required for Hh signal reception, and casein kinase 1alpha, a candidate tumor suppressor that regulates basal activities of both Hh and Wg pathways. This type of cultured cell-based functional genomics approach may be useful in the systematic analysis of other biological processes.     

RNAi及其在害虫防治中的应用

RNA干扰(RNA interference,RNAi)是一种由非编码的小分子双链RNA引发的序列特异性转录后基因沉默现象,普遍存在于线虫、真菌、昆虫和动植物等多种生物中。近年来,RNAi技术在昆虫中的成功应用为一系列新颖的、环境友好的害虫防治策略提供了理论依据。文章综述了RNAi技术的作用机制、dsRNA吸收机制及在害虫防治等领域的研究成果,并展望了该技术的应用前景。     

水稻幼苗响应褐飞虱和稻瘿蚊的转录组分析

【目的】筛选出同时响应褐飞虱和稻瘿蚊取食的基因,揭示水稻幼苗应对2种害虫时基因表达层面的差异,为后续挖掘广谱抗虫基因和解析水稻抗虫机制打下理论基础。【方法】以水稻品种9311为供试植物,分别对15日龄的水稻幼苗进行褐飞虱和稻瘿蚊接虫处理,观测幼苗表型,并通过转录组测序技术分别对褐飞虱接入后24 h和稻瘿蚊接入后7 d的水稻幼苗进行转录组测序。以水稻日本晴基因组作为参考基因组进行对比,利用FPKM法计算基因表达量,设定参数（|log₂ FC|>1且P<0.05）筛选差异表达基因。结合基因差异表达分析和功能富集分析,研究水稻响应2种害虫的机制异同点。【结果】鉴定出响应褐飞虱取食的差异表达基因3963个,响应稻瘿蚊取食的差异表达基因1206个,有251个差异表达基因同时响应2种害虫,其中108个具有相同表达模式,143个具有相反表达模式。GO功能注释分析表明,褐飞虱取食显著影响植物体内细胞壁合成和缺水响应,而稻瘿蚊取食则对植物光合作用的影响更显著,具有相同表达模式的差异表达基因主要富集在光合作用、水杨酸合成、茉莉酸信号转导和伤害响应等生物学功能,而具有相反表达模式的差异表达基因仅富集在乙醛酸循环。KEGG信号通路富集分析表明,褐飞虱和稻瘿蚊取食均显著影响植物体内次生代谢物的合成,相同表达模式的差异表达基因富集到MAPK信号通路、植物激素信号转导通路及光合作用等6个通路,而相反表达模式的差异表达基因没有富集的通路。【结论】水稻应对褐飞虱和稻瘿蚊的基因表达调控存在相同点和不同之处,共响应2种害虫的调控通路可能在水稻抗虫过程中发挥重要作用。     

水稻干尖线虫谷胱甘肽过氧化物酶基因抗缺氧表达

根据转录组测序结果,克隆到水稻干尖线虫谷胱甘肽过氧化物酶基因(Ab-GPX),对其基因结构、在缺氧条件下的表达模式及功能进行研究.原位杂交结果表明,Ab-GPX在水稻干尖线虫生殖系统部位表达.RT-PCR结果表明,Ab-GPX在缺氧胁迫及恢复供氧过程中表达量上调.利用基因沉默技术进一步研究发现,Ab-GPX沉默后,水稻干尖线虫在缺氧条件下存活率显著下降,表明该基因可能参与调控水稻干尖线虫的缺氧隐生状态.     

匍匐翦股颖接种立枯丝核菌后基因表达变化的转录组学分析

【目的】确定匍匐翦股颖(Agrostis stolonifera)接种立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)后基因种类和表达量在转录水平的变化规律,明确草坪草病原菌侵染响应的关键基因。【方法】匍匐翦股颖生长14 d后采用麦粒培养物接种立枯丝核菌,接种3 d后选取感病叶片和未接种叶片提取RNA,进行转录组高通量测序,然后利用生物信息学分析,用Trinity组装匍匐翦股颖转录组,以组装子为参考,以|log2(fold change)|1,q-value0.005为阈值选取感病和健康匍匐翦股颖叶片转录组的差异表达基因,并用i TAK软件分析其转录因子家族及表达变化,与植物R基因库进行blast分析R蛋白分类、利用Mapman软件分析生物胁迫信号通路相关基因的表达变化。【结果】高通量测序得到125 253 092条高质量待分析reads。经Trinity从头组装后,得到466 761条转录本。过半数的转录本长度为700 bp以上,组装结果 N50=1 100 bp。使用CD-HIT选择334 212条转录本(所有转录本的71.60%)作为Unigene,平均长度573 bp,N50=791 bp。接种后植物比接种前植物基因有7 937个上调表达,1 570个下调表达。上调基因中296个,下调基因有142个都可被定义为转录因子,分布在58个转录因子家族中,其中锌指蛋白包含转录因子C2H2最多,有54个,C3H次之,为22个。差异基因中451个可定义为植物R蛋白表达基因,可分为33类,其中包含NBS-LRR结构域的抗病蛋白、LRR受体蛋白激酶、ABC-2类型的转运蛋白、U-box结构域蛋白激酶和热激蛋白这5类基因变化最显著。差异基因中大量上调表达基因可富集在病原识别、活性氧消除、信号传导、细胞凋亡、病程相关蛋白等生物胁迫相关基因类别,下调基因显著富集在植物生长发育相关类别和通路。q RT-PCR验证了随机挑选差异基因的表达量变化,均与RNA-seq分析结果一致,其中包括12个C2H2转录因子基因,10个C3H转录因子基因,以及12个R蛋白基因。【结论】病原菌侵染后,引起匍匐翦股颖大量基因表达变化,其中转录因子、R蛋白以及抗性相关基因多为上调表达,作用为抑制病原菌扩散,而生长发育相关基因表达下调,这些进程共同使匍匐翦股颖产生对立枯丝核菌的先天基础抗性。     

昆虫几丁质合成关键酶功能及其RNAi技术在害虫防治中的研究进展

几丁质对昆虫的生长发育至关重要,且不存在于植物和哺乳动物中,因此其合成途径的关键酶是较为理想的杀虫剂靶标。近年来,多种害虫的几丁质合成关键酶基因被克隆和鉴定,通过RNAi技术应用于一些重要害虫的防治研究工作中。本文较为系统的总结了近些年害虫几丁质合成关键酶的基因克隆及功能研究进展,重点阐述了几丁质合成酶、海藻糖酶基因基于RNAi技术应用于害虫防治取得的研究进展,分析了RNAi技术通过转基因植物表达dsRNA（RNAi抗虫作物）以及作为核酸农药（dsRNA）直接进行作物喷施的两种应用途径,文章最后还探讨了RNAi在害虫防治中面临的主要瓶颈问题以及主要应对策略。上述较为系统的归纳和总结,目的是为今后基于几丁质合成关键酶的RNAi技术应用于害虫绿色防控研究提供有价值的理论指导。     

两种拼接方法在瓯江彩鲤转录组研究中的适用性比较

以瓯江彩鲤(Cyprinus carpio var.color)为研究对象,探讨了目前两种常用的转录组拼接方法在鲤的不同品种/品系转录组研究上的适用性。结果表明,在转录组拼接和注释方面,基于序列比对优先策略(Cufflinks软件)拼接的转录组序列平均长度为1 545 bp,注释77 601个转录本;基于从头拼接策略(Trinity软件)拼接的转录组序列平均长度为979 bp,注释转录本数为69 406个。在基因结构和选择性剪切预测方面,Cufflinks软件所拼接的转录组,每个基因平均含有3个转录本数目,而对于Trinity版本转录组,每个基因平均含有4个转录本(P0.001)。经比较发现Cufflinks版本转录组预测的基因结构较Trinity版本更加准确。因此,与从头拼接策略相比,序列比对优先策略所拼接的瓯江彩鲤转录本序列长度更长、注释的基因数目更多,且在基因结构和选择性剪切预测方面更为准确,适用于后续与功能基因表达相关的功能研究;相反,从头拼接策略拼接的转录组更易得到瓯江彩鲤的特异基因序列,对于后续需要利用瓯江彩鲤特异基因序列进行分子进化相关的研究非常重要。本文的研究结果为根据不同的实验目的合理地选用相应的转录组拼接方法提供了依据,也为其他鱼类转录组学研究提供了借鉴。     

Identification and characterization of a TLR13 gene homologue from Laodelphax striatellus involved in the immune response induced by rice stripe virus

Toll-like receptors(TLRs) are the critical superfamily homologues that initiate sensing of the invasion of pathogens by the Toll pathway. As one of several intracellular nucleic acid-sensing TLRs, TLR13 is activated by an unmethylated motif present in the large ribosomal subunit of bacterial RNA. However, little attention has been paid to the function of TLR13 gene homologue from Laodelphax striatellus(designated as LsToll-13) in the immune response to rice stripe virus(RSV). Herein, LsToll-13 was cloned and characterized using RACE-PCR. Phylogenetic analysis showed that LsToll-13 was clustered with the TLR13 from six insects. Real-time PCR analysis demonstrated that the expression level of LsToll-13 was significantly reduced in L. striatellus with RSV infection compared with that in the naive strain. When the expression of LsToll-13 was significantly up-regulated at 6 h after bacterial infection, the expression of ribonucleoprotein(RNP) indicated that the RSV titer in the host insect was significantly suppressed. Upon knockdown of LsToll-13, using RNA interference(RNAi) in L. striatellus, the expression level of RNP was significantly increased with enhanced RSV accumulation, suggesting that LsToll-13 potentially protects L. striatellus from RSV infection. Taken together, our results indicated that LsToll-13 might be involved in the immune response of L. striatellus to RSV infection, and provided a new insight into further elucidating the molecular mechanisms of complex pathogen-host interactions and integrative pest management.     

siRNA对鸡胚成纤维细胞中GAPDH基因表达的抑制作用

RNA干扰(RNA interference,RNAi)是通过短双链RNA(small interference RNA,siRNA)介导的特异性抑制相应基因表达的新技术。作为研究基因功能的有效手段,该技术已在线虫、果蝇、斑马鱼和鼠等动物中进行了应用。本研究利用体外转录合成的短双链干扰RNA(siRNA),针对鸡的管家基因3-磷酸甘油醛脱氢酶基因(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH),在鸡胚成纤维细胞中对其表达进行干扰。结果显示siGAPDH能有效阻断GAPDH基因在鸡胚成纤维细胞中的表达,而不相关的siRNA则对该基因的表达没有影响,证明在鸡细胞中也存在RNA干扰现象,为利用RNAi技术对鸡的基因功能研究奠定了一定基础。     

RNA干扰研究现状

RNA干扰(RNAi)是指生物体内利用双链RNA(dsRNA)诱导同源靶基因的mRNA特异性降解,从而导致转录后基因沉默的现象。其在抵抗病毒感染、抑制转座子活动、调控内源性基因表达等方面发挥重要作用。RNAi以其高特异性、高效性等显著优势将成为研究基因功能的全新手段。简要概括RNAi作用机制和siRNA技术的原理,同时也讨论了RNAi技术在其他领域,如在基因信号通路研究、高通量研究基因功能、基因治疗如肿瘤研究和疾病治疗等方面的应用。     

海马齿根系响应盐胁迫的转录组分析

【目的】对盐胁迫下海马齿根系进行转录组测序分析,挖掘海马齿根系耐盐相关基因,为揭示海马齿耐盐的分子机制提供参考。【方法】利用Illumina测序技术对0 mmol/L NaCl （对照组）和400 mmol/L NaCl胁迫处理（盐胁迫处理组）下的海马齿根系进行转录组测序分析,从中筛选出差异表达基因,选取13个基因进行实时荧光定量PCR （qRTPCR）检测,以验证转录组数据的可靠性。【结果】在海马齿根系转录组中共鉴定出305145个转录本,平均长度为622 bp,其中,对照组有146177个长度>300 bp的转录本,盐胁迫处理组有72173个长度>300 bp的转录本;共有65535条Unigenes在Nr、GO、Swiss-Prot、COG和KEGG五大数据库注释成功,占Unigenes总数的52.36%。对照组和盐胁迫处理组共有65535个差异Unigenes,其中,有182个热休克蛋白基因。对照组和盐胁迫处理组间共有24042个差异表达基因,从中选取13个基因进行qRT-PCR检测,结果显示,9个基因表达上调,其余4个基因表达下调,与转录组测序结果一致。24042个差异表达基因中,共有10106个显著差异基因富集到129条代谢通路,其中富集程度排名前10的代谢途径为核糖体、次级代谢生物合成、RNA转运、内吞作用、剪接体、甘油磷脂代谢、内质网加工、吞噬、醚脂类代谢和植物-病原体相互作用,参与盐胁迫相关的硫代谢、脯氨酸积累、活性氧（ROS）代谢、与盐胁迫相关的钙信号通路和过氧化氢代谢等途径的差异基因上调。【结论】在盐胁迫下海马齿差异表达基因如小分子量热激蛋白基因、抗氧化酶相关基因及与离子交换相关基因发挥了重要调控作用。