基本信息
- 项目名称：
- 葱蝇HSP23基因的克隆及在滞育时期
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 昆虫滞育的研究历史悠久，但在分子水平上揭示昆虫滞育的奥秘还是一个相对新的学科领域。它为在国际上首次建立一个冬滞育和夏滞育比较研究的模式动物系统做基础工作。这对认知hsp23基因在昆虫滞育及其调控的分子机理具有重要的科学意义；为昆虫的活体储藏提供理论和技术依据；对害虫监测和控制、农业和医学基因工程也具有重要的理论和应用价值。
- 详细介绍：
- 滞育是昆虫及其近缘节肢动物在特定发育期发育停滞、不食不动、新陈代谢降低的一个生理现象。通过滞育昆虫克服超常低温、高温和干旱气候，以度过不良季节，保持种群同步发育，增大雌雄个体间的交配机率，利用季节性的资源。涉及昆虫滞育的行为和生理变化是与特定的基因表达相关的，其中，激素的调节起着重要作用。昆虫滞育不仅仅关闭一系列基因的表达，它启动一套新基因的表达，是一个独特的发育和生理过程。因此，研究关于昆虫滞育基因的表达对深入理解昆虫滞育及其调控的分子机理有着重要的作用，而涉及昆虫滞育方面的基因主要是热激蛋白(heat-shock proteins，HSP)：sHSP、 HSP60、 HSP70和HSP90。 热激蛋白(heat-shock proteins，HSP)具有高度保守的氨基酸序列，它们存在于生物体中，具有复杂的细胞生理调节的功能，具有分子伴侣作用，包括蛋白质折叠，蛋白质转运等生物学功能。根据分子量的不同，HSP家族主要包括：HSP90家族(85~90 kDa)，HSP70家族(68~73 kDa)和sHSP家族(12~47 kDa)。 sHSP的分子量在12~47 kDa，主要结构是由C端域和N端域两个部分组成，C端域含有一个相当保守的α晶体蛋白(α-crystallin)结构域。对sHSP的研究，已经深入到它在生物体内作为分子伴侣、诱导生物体耐热性和稳定细胞骨架等生物学功能水平上。然而，关于生物体的sHSP在环境压力、细胞骨架、蛋白质多肽的折叠和转运、不同组织细胞中发育和表达等方面的研究，也只在秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)、黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)、非洲爪蟾(Xenopus laevis)、小鼠(Mus musculus)和人类等几种模式生物体中进行研究。 葱蝇（Delia antique）能作为进行滞育专化基因的比较研究的理想模式种，是因为它的滞育（包括冬滞育和夏滞育）生物学特性已研究清楚，可在实验室进行大规模饲养，在系统发育上与黑腹果蝇近缘。同时，在葱蝇滞育专化基因的研究中，HSP90和HSP70基因已被研究过，这为本研究HSP23基因提供参考。在对昆虫红尾肉蝇（Sarcophaga. crassipalpis）的HSP23基因研究中发现：在正常滞育状态下，红尾肉蝇HSP23基因是抬高表达的，它对红尾肉蝇越冬起着重要作用。然而，在丝光绿蝇（Lucilia sericata）滞育时期中HSP23基因却并不抬高表达。这说明HSP23基因并不一定在昆虫滞育期间都抬高表达。但要充分说明HSP23基因在昆虫滞育期的表达情况，则需要研究更多的不同滞育类型的昆虫。目前，还没有对HSP23基因在昆虫夏滞育时期的表达进行研究，更没有对HSP23基因在冬滞育和夏滞育进行比较研究。 本研究采用RACE-PCR的方法克隆了葱蝇HSP23基因（DaHSP23），并对该基因进行系统进化分析，该基因序列和氨基酸序列都登录到GenBank，登录号分别为HQ392521.1和ADX36150。同时采用实时定量PCR进行了该基因在葱蝇滞育时期的功能研究。克隆到的葱蝇HSP23基因全长cDNA序列为904bp，开放阅读框为133-693，共编码186个氨基酸，推测蛋白分子量为20.9 kDa，等电点为6.42。进行多序列分析发现，该基因与其它双翅目昆虫的HSP有超过68%的相似度。葱蝇HSP23基因的mRNA在冬滞育和夏滞育时期都是抬高表达，在冬滞育和夏滞育后期时，其表达量却降低。这些结果表明：葱蝇HSP23基因在滞育时期的抬高表达，对葱蝇越冬或者避暑起着重要作用。
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撰写目的和基本思路
- 小热激蛋白（sHSP）家族是一类非常保守的基因家族，它能够在一定程度上反映出物种自然进化关系和规律。一些研究表明小热激蛋白23（HSP23）在滞育时期抬高表达，例如：红尾肉蝇和葱蝇本研究）等等。在其它一些研究中，HSP23并没有在滞育时期抬高表达，金色果蝇丝光绿蝇和舞毒蛾因此，HSP23在滞育时期抬高表达并不是滞育昆虫中共同特点，才能得到小热激蛋白基因家族的变化规律
科学性、先进性及独特之处
- 本项目以葱蝇为模式种，克隆与昆虫滞育时期有关的hsp23基因。通过运用Northern杂交及定量PCR技术研究hsp23基因在葱蝇滞育不同阶段表达关系，这对认知hsp23基因在昆虫滞育及其调控的分子机理具有重要的科学意义。
应用价值和现实意义
- 为昆虫的活体储藏提供理论和技术依据；对害虫监测和控制、农业和医学基因工程也具有重要的理论和应用价值。
学术论文摘要
- 滞育是昆虫及其近缘节肢动物在特定发育期发育停滞、不食不动、新陈代谢降低的一个生理现象。通过滞育昆虫克服超常低温、高温和干旱气候，以度过不良季节，保持种群同步发育，增大雌雄个体间的交配机率，利用季节性的资源。涉及昆虫滞育的行为和生理变化是与特定的基因表达相关的，其中，激素的调节起着重要作用。昆虫滞育不仅仅关闭一系列基因的表达，它启动一套新基因的表达，是一个独特的发育和生理过程。因此，研究关于昆虫滞育基因的表达对深入理解昆虫滞育及其调控的分子机理有着重要的作用，而涉及昆虫滞育方面的基因主要是热激蛋白(heat-shock proteins，HSP)：sHSP、 HSP60、 HSP70和HSP90。
获奖情况
- 在重庆师范大学第十三届研究生学术活动月中，获得校一等奖
鉴定结果
- 克隆到的葱蝇HSP23基因全长cDNA序列为904bp，共编码186个氨基酸，蛋白分子量为20.9 kDa，等电点为6.42。滞育时期的抬高表达，对葱蝇越冬或者避暑起着重要作用。
参考文献
- Denlinger, D. L. Regulation of diapause[J]. Ann Rev Entomol. 2002, 47: 93-122. Nomura, M. & Ishikawa, Y. Dynamia changes in cold hardiness, high-temperature tolerance and trehalose content in the onion maggot, Delia antiqua (Diptera: Anthomyiidae), associated with the summer and WD diapause[J]. Appl Entomol Zool, 2001, 36: 443-449. Kimura, Y. & Masaki, S. Effect of light period on dark-time measurement for diapause induction in Mamestra brassicae[J]. J Insect Physiol, 1992, 38: 681-686. Chen B., Kayukawa T., Jiang H, et al. DaTrypsin, a novel clip-domain serine proteinase gene upregulated during winter and summer diapause of the onion maggot, Delia antiqua[J].Gene, 2004, 347:115-123. Kayukawa T., Chen B., Hoshizaki S., et al. Upregulation of a desaturase is associated with the enhancement of cold hardiness in the onion maggot, Delia.antiqua[J]. Inset Bioch Mol Biol, 2007, 37: 1160-1167.
同类课题研究水平概述
- 滞育是昆虫及其近缘节肢动物在特定发育期发育停滞、不食不动、新陈代谢降低的一个生理现象。通过滞育昆虫克服超常低温、高温和干旱气候，以度过不良季节，保持种群同步发育，增大雌雄个体间的交配机率，利用季节性的资源。昆虫滞育可发生在卵、幼虫、蛹和成虫期。除卵期滞育外，其它虫期的滞育主要分为冬滞育和夏滞育，它们具有相似但又有不同的生理和遗传机制。短日照和低温诱导昆虫进入冬滞育，长日照和高温诱导昆虫进入夏滞育。 目前仅知葱蝇（Delia antique）和甘蓝夜蛾（Mamestra brassicae）等很少几个种能进行两种滞育专化基因的比较研究。葱蝇是世界性重要地下害虫；这两个种滞育都发生在蛹期头外翻后的同一发育点；它的滞育生物学特性已研究清楚；可在实验室大规模饲养；在系统发育上与黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）近缘。这使得它成为这两种滞育专化基因比较研究的理想模式种。 目前，关于葱蝇HSP23基因还从未被系统地研究过，更没有对这个基因在葱蝇的非滞育、冬滞育和夏滞育时期的系统比较研究。本项目以葱蝇为模式种，主要以克隆HSP23基因的cDNA序列，并采用实时定量PCR技术来研究，在葱蝇滞育不同时期，HSP23基因的表达和规律，以及它的基本特性和进化。这对认知HSP23基因在昆虫滞育及其调控的分子机理具有重要的科学意义；对害虫监测和控制、农业和医学基因工程也具有重要的理论和应用价值。
