基于觸角轉(zhuǎn)錄組解析馴化對家蠶嗅覺系統(tǒng)的影響.pdf

1、昆蟲嗅覺是一種高度特異和敏感的化學檢測系統(tǒng)，可識別環(huán)境中特異的氣味分子，在尋找食物、配偶和產(chǎn)卵地等過程中起著重要作用。觸角是昆蟲最重要的外周嗅覺器官，分布有大量的感受器。觸角感受器內(nèi)有大量的嗅覺蛋白和氣味降解酶，是昆蟲識別氣味分子的重要基礎。昆蟲的嗅覺反應可大致歸納為：外界環(huán)境中親脂性的氣味分子可以通過嗅覺感器的微孔進入親水性的感器淋巴液,經(jīng)感器淋巴液中的氣味結(jié)合蛋白（odorant-binding proteins,OBPs）結(jié)合并運

2、轉(zhuǎn)到位于神經(jīng)元膜上的嗅覺受體（olfactory receptors,ORs），嗅覺反應被激活,隨后這些氣味分子被感器淋巴腔或支持細胞中的氣味降解酶（odorant-degrading enzyme,ODE）降解，以保持嗅覺的靈敏性。
　　約5000年前，家蠶（Bombyx mori）由野桑蠶（B.mandarina）馴化而來，歷經(jīng)長期的人工馴化，家蠶與野桑蠶在行為和生理上都表現(xiàn)出了一定的差異，比如體色和蠶蛾個體的大小等。事實上，

3、除了顯而易見的性狀外，馴化過程也影響了蠶蛾的嗅覺神經(jīng)生理響應，已有研究發(fā)現(xiàn)家蠶對環(huán)境氣味分子的嗅覺反應已大大降低。近年來，家蠶的全基因組測序的完成和大量嗅覺相關蛋白數(shù)據(jù)的公布，為研究馴化對家蠶嗅覺感受影響的分子機制奠定了基礎。本文基于前人研究的基礎上，利用轉(zhuǎn)錄組技術分析家蠶和野桑蠶雌/雄觸角轉(zhuǎn)錄組，鑒定差異表達的嗅覺相關基因，并結(jié)合家野蠶重測序基因組數(shù)據(jù)鑒定受選擇基因的嗅覺基因和分子群體進化，揭示馴化對家蠶嗅覺系統(tǒng)的影響。所得主要結(jié)果如

4、下：
　　1.家蠶和野桑蠶觸角轉(zhuǎn)錄組的比較分析
　　利用RNA-seq方法對家蠶和野桑蠶的成蟲觸角進行轉(zhuǎn)錄組測序，質(zhì)控分析后，我們總共得到轉(zhuǎn)錄組的有效堿基數(shù)為61.2Gb，將其與家蠶參考基因組比對和組裝，共獲得22768基因，其中16904基因有表達信號。其中9個基因在家蠶和野桑蠶中呈極度高的表達水平（FPKM>10000），這些基因主要是編碼嗅覺感知和化學感受的蛋白，如BmPBP1、BmGOBP2和BmABPX都是結(jié)合性信

5、息素的相關氣味結(jié)合蛋白。我們對嗅覺相關基因進行了鑒定，基于前人對嗅覺相關基因在家蠶基因組中的注釋信息，我們在觸角轉(zhuǎn)錄組中新鑒定2個氣味結(jié)合蛋白、7個氣味受體、5個離子受體、一個羧酸酯酶以及一個細胞色素P450。我們對四個樣本的6個比較組差異表達基因進行統(tǒng)計，共獲得2109個。所有差異表達基因GO富集顯示：有大量與嗅覺感知相關的GO term被顯著富集。本研究重點關注了家蠶與野桑蠶同一性別間的差異表達基因，D_FvsW_F和D_MvsW_

6、M比較組的差異表達基因分別為1173和1410個。兩組比較鑒定出嗅覺基因和氣味降解酶差異表達基因分別為30和19個，其中野桑蠶上調(diào)表達的嗅覺基因19個，編碼氣味降解酶的基因有14個。結(jié)果表明家蠶中下調(diào)的嗅覺相關基因要遠遠多于野桑蠶，這可能是家蠶相對野桑蠶嗅覺靈敏度顯著降低的重要原因。
　　2.基于群體基因組數(shù)據(jù)對差異表達的嗅覺基因進化分析
　　基于本實驗室已經(jīng)測序獲得的8個家蠶品系和7個地域野桑蠶高質(zhì)量的重測序基因組數(shù)據(jù)，我

7、們對家蠶與野桑蠶同一性別間呈現(xiàn)差異表達的OBPs和ORs基因進行了群體遺傳分析。利用DnaSP軟件對差異表達嗅覺基因的π、θπ和Tajima’s D等遺傳參數(shù)進行計算，發(fā)現(xiàn)上述嗅覺基因在家蠶中的進化速率低于野桑蠶。利用SIFT軟件對家蠶和野桑蠶特有的非同義突變位點進行耐受性分析，發(fā)現(xiàn)家蠶OR30和OR57的2個多態(tài)性非同義替換分別導致的316氨基酸位點和的220氨基酸位點的突變是有害的。事實上，家蠶OBPs和ORs的非同義突變明顯少于野

8、桑蠶，而在家蠶中卻積累了這些有害突變，這可能是家蠶嗅覺反應降低的另一重要原因。
　　綜上所述，基于家蠶和野桑蠶觸角轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，本研究鑒定了家蠶與野桑蠶桑蠶相同性別間呈差異表達的嗅覺基因和氣味降解酶基因，分別為30和19個，其中野桑蠶上調(diào)表達的嗅覺相關基因要遠多于家蠶，這可能是家蠶嗅覺反應下降的重要原因之一。雖然家蠶OBPs和ORs的非同義突變要少于野桑蠶，但是野桑蠶在野外環(huán)境下為保證嗅覺高度敏感而能夠清除有害突變，家蠶在室內(nèi)環(huán)