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      家蠅取食粗纖維后β-葡萄糖苷酶活性與基因表達(dá)量的變化

      2013-06-11 10:28:46吳建偉
      關(guān)鍵詞:家蠅糖苷酶幼蟲(chóng)

      張 姝,胡 蓉,吳建偉,國(guó) 果,付 萍

      (貴陽(yáng)醫(yī)學(xué)院人體寄生蟲(chóng)學(xué)教研室,貴陽(yáng) 550004)

      β-葡萄糖苷酶(β-Glucosidase,EC,3.2.1.21)是纖維素酶重要組成部分,能催化水解芳香基或烴基與糖基原子團(tuán)之間的糖苷鍵生成葡萄糖,可以消除纖維二糖對(duì)纖維素酶的負(fù)反饋?zhàn)饔?,在農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的降解、利用過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用(Anish et al.,2010;James et al.,2010)。關(guān)于昆蟲(chóng)利用自身β-葡萄糖苷酶降解環(huán)境中纖維素以獲得生存所需能量的研究,國(guó)內(nèi)外已有大量的報(bào)道。研究對(duì)象多以等翅目的白蟻(Nathan et al.,2011;曾文慧等,2012;Tokuda et al.,2012;劉瑞嫻等,2012)、鞘翅目的天牛和象鼻蟲(chóng)(殷幼平等,2000;Yapi et al.,2004;Wei et al.,2006;索風(fēng)梅等,2007)、鱗翅目的草地貪衣蛾(Marana et al.,2004)等為主。但對(duì)于分布廣泛,繁殖力超強(qiáng),雜食類的家蠅Musca domestica卻未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。家蠅是生態(tài)系統(tǒng)中的分解者,在一定條件下,蠅蛆能夠食用高粱秸稈、稻草秸稈等農(nóng)副產(chǎn)品下腳料為自身提供能量。本研究以家蠅為研究對(duì)象,用粗纖維含量不同飼料進(jìn)行喂養(yǎng),觀察家蠅不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的β-葡萄糖苷酶mRNA 表達(dá)水平和酶活性變化,探討食物中粗纖維含量對(duì)β-葡萄糖苷酶的影響。為揭示家蠅對(duì)自然界纖維素的生物轉(zhuǎn)化作用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 材料

      1.1.1 實(shí)驗(yàn)昆蟲(chóng)

      家蠅由貴陽(yáng)醫(yī)學(xué)院人體寄生蟲(chóng)學(xué)教研室保存。養(yǎng)蠅房恒溫25℃,光周期12L∶12D,將家蠅分為3組,對(duì)照組以麥麩喂養(yǎng),粗纖維含量為30%,實(shí)驗(yàn)組1 用等量的高粱秸稈代替麥麩,粗纖維含量為40%,實(shí)驗(yàn)組2 等量稻草秸稈替代麥麩,粗纖維含量為50%。

      1.1.2 主要試劑

      水楊苷(Sigma),非干擾型蛋白濃度檢測(cè)試劑盒(上海生工生物工程有限公司),3,5-二硝基水楊酸(DNSA,Genview),總RNA 提取試劑盒Trizol(Invitrogen),Prime Script?One Step RT-PCR Kit、DNA maker、反轉(zhuǎn)錄試劑盒、SYBR?Premix Ex TaqTMⅡ、pMDTM18-T(TaKaRa)。

      1.1.3 主要儀器

      實(shí)時(shí)熒光定量PCR 儀(ABI7300),凝膠成像系統(tǒng)(美國(guó)Bio-rad),CT15RE 高速冷凍離心機(jī)(HITACHI),752N 紫外分光光度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司),μ-Quant 酶標(biāo)儀(美國(guó)Bio-Tek)。

      1.2 方法

      1.2.1 飼料殘?jiān)写掷w維含量測(cè)定

      按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5009.10-2003 方法,檢測(cè)對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2三種飼料殘?jiān)写掷w維含量,同時(shí)對(duì)比飼養(yǎng)后家蠅3齡幼蟲(chóng)個(gè)體體重、體長(zhǎng)以及幼蟲(chóng)主要成分。家蠅幼蟲(chóng)中粗脂肪、粗蛋白、粗纖維、水分、灰分和碳水化合物的含量檢測(cè)委托貴州師范大學(xué)分析測(cè)試中心(計(jì)量認(rèn)證許可證:2009240425Z)依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5009.3;.4;.5;.6;.10-2003 進(jìn)行檢測(cè)。

      1.2.2 家蠅樣品的采集

      在對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2 中,按照文獻(xiàn)方法(張姝等,2013),分別在家蠅不同發(fā)育階段(卵、1齡幼蟲(chóng)、2齡幼蟲(chóng)、3齡幼蟲(chóng)、蛹、成蟲(chóng))取樣,待用。

      1.2.3 家蠅樣品總RNA 提取

      將家蠅不同樣品采用Trizol 法提取樣品的總RNA,用酶標(biāo)儀對(duì)提取的RNA 進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算OD260nm/OD280nm比值和RNA 濃度。總RNA 用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)RNA 的完整性。采用DL2000 DNA maker 作為指示。

      1.2.4 反轉(zhuǎn)錄cDNA

      按照TaKaRa 試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作,反應(yīng)體系為:1 μg 總RNA,2μL 5×gDNA Eraser Buffer,1μL gDNA Eraser,用RNase Free ddH2O 定容至10μL,42℃2 min 后,加入4μL 5×Prime Script Buffer 2(for Real Time),1μL Prime Script RT Enzyme Mix,1μL RT Primer Mix,4μL RNase Free ddH2O,37℃15 min,85℃5 s,-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

      1.2.5 RT-PCR

      引物參照GenBank 上已發(fā)表的序列,采用primer 5 設(shè)計(jì)引物(跨內(nèi)含子),引物序列見(jiàn)表1。引物委托上海生工公司合成。50μL反應(yīng)體系為:2μL Prime Script 1 step Enzyme Mix,25μL 2×1 step Buffer,1μL目的基因的上、下游引物,2μL Template RNA,19μL RNase Free ddH2O,ddH2O代替RNA 模板作為陰性對(duì)照。反應(yīng)條件:50℃30 min;94℃2 min;94℃30sec,58℃30sec,72℃1 min,30個(gè)循環(huán),終止延伸。擴(kuò)增結(jié)束后,將5μL PCR 產(chǎn)物用1%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè)和鑒定,用100bp DNA maker 作為指示。并用DNA凝膠回收試劑盒回收純化后。連接到pMDTM18-T,然后轉(zhuǎn)化E.coli DH5α 感受態(tài)細(xì)胞。進(jìn)行藍(lán)斑篩選,挑取陽(yáng)性克隆接種于LB 液體培養(yǎng)基,過(guò)夜培養(yǎng)后用質(zhì)粒提取試劑盒抽提質(zhì)粒DNA,將質(zhì)粒送上海生工測(cè)序。

      1.2.6 實(shí)時(shí)熒光定量PCR

      25μL PCR反應(yīng)體系:目的基因的上下游引物各1μL,cDNA 模板2μL,SYBR Premix EX TaqTMⅡ(2X)12.5μL,RNase Free ddH2O 8μL,ROX Reference Dye(50×)0.5μL。反應(yīng)條件為:95℃30 s,95℃5 s,60℃30sec,40個(gè)循環(huán)。每一個(gè)樣品3個(gè)技術(shù)重復(fù),每組做3個(gè)生物重復(fù)。每次PCR反應(yīng)均設(shè)置陰性對(duì)照(ddH2O代替cDNA 模板)。采用比較2-△△CT法,對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行相對(duì)定量分析。

      表1 PCR 的引物Table 1 The primers of PCR

      1.2.7 DNSA 法檢測(cè)β-葡萄糖苷酶活性

      1.2.7.1 粗酶液的制備

      按0.15 g 樣品加入1mL 0.1 M 醋酸-醋酸鈉緩沖液(pH=5.6),冰浴研磨,在12 000 rpm,4℃,離心10 min,取上清液即為纖維素酶的粗酶液,置于-80℃冰箱中待用。

      1.2.7.2 粗酶液蛋白定量

      采用BCA 蛋白濃度測(cè)定法進(jìn)行測(cè)定(Smith et al.,1985)。取10μL 家蠅粗酶液和6種不同濃度的蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液加入2mL 的BCA 工作液,在480 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定其吸收值,計(jì)算出粗酶液的蛋白濃度。

      1.2.7.3 DNSA 法檢測(cè)家蠅β-葡萄糖苷酶酶活性

      采用DNSA 法測(cè)定(Miller,1959),在離心管中分別加入1% 水楊苷0.3mL 后加入粗酶液0.1mL,混勻后在50℃水浴條件下反應(yīng)60 min,立即加入0.3mL DNSA 顯色劑終止反應(yīng),在沸水浴顯色5 min,冷卻至室溫后,用0.1 M 醋酸-醋酸鈉緩沖液定容至5mL。于紫外分光光度計(jì)測(cè)OD540值,每一個(gè)樣品3個(gè)生物重復(fù),每組3個(gè)重復(fù)。每次酶活性實(shí)驗(yàn)均設(shè)陰性對(duì)照(以緩沖液代替粗酶液)。從葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算葡萄糖含量。在pH 5.6、50℃反應(yīng)60 min 的條件下,以每分鐘產(chǎn)生1 umoL 葡萄糖所需的酶量定義為1個(gè)酶活性單位(IU)。纖維素酶活性大小用比活力(Willis et al.,2010),即每mg 蛋白中的酶單位數(shù)量來(lái)表示。纖維素酶比活力(IU/mg)=(m×5.56)/(V×C×t)。m:產(chǎn)生的葡萄糖含量(mg);C:粗酶液蛋白濃度(mg/mL);V:反應(yīng)液中加入的粗酶液體積(mL);t:反應(yīng)時(shí)間(min)。

      1.2.8 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

      用SPSS11.5 軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,組間比較用q 檢驗(yàn),P<0.05 為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 飼料殘?jiān)写掷w維含量測(cè)定

      飼料殘?jiān)写掷w維測(cè)定結(jié)果顯示,對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2 粗纖維含量為12.93±0.85%和16.4±0.41%,17.43±0.28%。對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2 的粗纖維降解效率分別為29.569±0.02%,39.59±0.009 %,49.65±0.41%。

      2.2 家蠅幼蟲(chóng)的基本情況

      由表2 可見(jiàn),對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組飼養(yǎng)的家蠅3齡幼蟲(chóng)平均體重分別為26.7±1.2 mg、25.0±0.6 mg和26.3±0.8 mg,平均體長(zhǎng)分別為11.7±0.7 mm、11.5±0.6 mm和12.1±0.7 mm,3 組間幼蟲(chóng)平均體重和體長(zhǎng)兩兩比較無(wú)顯著差異(P>0.05)。3 組家蠅3齡幼蟲(chóng)主要成分檢測(cè)情況見(jiàn)表2,實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2 的家蠅幼蟲(chóng)所含的粗蛋白、粗脂肪和粗纖維含量都接近或大于麥麩飼養(yǎng)的家蠅幼蟲(chóng)。

      表2 家蠅3齡幼蟲(chóng)主要成分比例Table 2 The main component ratio of the 3rd instar larvae from Musca domestica

      2.3 RT-PCR 產(chǎn)物

      將5 μLPCR 產(chǎn)物進(jìn)行1.0%瓊脂糖凝膠電泳。結(jié)果表明,各模版擴(kuò)增的內(nèi)參基因GAPDH片段亮度相近,在209 bp 出現(xiàn)特異性條帶,與理論值一致,測(cè)序得到的核苷酸序列,與目標(biāo)序列一致。陰性對(duì)照無(wú)擴(kuò)增條帶出現(xiàn)。3 組各生長(zhǎng)發(fā)育階段的家蠅β-葡萄糖苷酶基因在188 bp 處均出現(xiàn)了特異條帶(圖1),大小與理論值一致,各條帶亮度存在差異。條帶亮度明暗順序?yàn)?卵<1齡幼蟲(chóng)<2齡幼蟲(chóng)<齡幼蟲(chóng)<蛹<雌蠅≤雄蠅。陰性對(duì)照無(wú)擴(kuò)增條帶出現(xiàn)。

      2.4 家蠅β-葡萄糖苷酶基因mRNA 表達(dá)水平

      以GAPDH 基因作為內(nèi)參,采用2-ΔΔCT法對(duì)不同組家蠅β-葡萄糖苷酶基因在家蠅各生長(zhǎng)發(fā)育階段的表達(dá)差異進(jìn)行分析(圖7)。在家蠅的6個(gè)生長(zhǎng)階段中家蠅β-葡萄糖苷酶基因均有表達(dá),表達(dá)量呈逐步增強(qiáng)趨勢(shì)(P<0.05),其中對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2 在成蟲(chóng)期表達(dá)水平最高,較卵期分別上調(diào)了約19倍,22倍,25倍。在不同粗纖維含量3個(gè)組中,家蠅β-葡萄糖苷酶基因表達(dá)量?jī)蓛杀容^有顯著差異(P<0.05),且實(shí)驗(yàn)組2>實(shí)驗(yàn)組1>對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2 在不同生長(zhǎng)時(shí)期mRNA 表達(dá)水平較對(duì)照組分別提高了1.7~2.4倍,3.1~5.0倍。

      2.5 β-葡萄糖苷酶酶活性的變化

      2.5.1 粗酶液蛋白樣品的濃度測(cè)定

      根據(jù)蛋白定量試劑盒說(shuō)明書(shū),讀取不同濃度的蛋白標(biāo)準(zhǔn)品BSA 吸光度值,得到各待測(cè)粗酶液的蛋白濃度(表3)。

      2.5.2 β-葡萄糖苷酶活性檢測(cè)

      通過(guò)DNSA 法檢測(cè)到3個(gè)組在家蠅不同生長(zhǎng)階段均具有降解水楊苷產(chǎn)生葡萄糖的能力,酶活性高低的順序均為1齡幼蟲(chóng)期>2齡幼蟲(chóng)>3齡幼蟲(chóng)>蛹期>卵期>成蟲(chóng)期。β-葡萄糖苷酶活性見(jiàn)圖10。如圖所示,實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2 在個(gè)體發(fā)育的不同階段β-葡萄糖苷酶活力較對(duì)照組都有提高趨勢(shì),其中實(shí)驗(yàn)組2 的β-葡萄糖苷酶活力最高,酶活性水平較對(duì)照組提高了1.19~2.25倍。實(shí)驗(yàn)組1 的酶活性水平較對(duì)照組提高了1.04~1.37倍。

      3 結(jié)論與討論

      表3 粗酶液蛋白濃度(mg/mL)Tab 3 The protein content of crude enzyme solution

      圖3 家蠅個(gè)體發(fā)育不同階段β-葡萄糖苷酶活性Fig.3 BG activity from Musca domestica in different development stage

      我國(guó)有豐富的秸稈資源,年產(chǎn)量可達(dá)7 億多噸,居世界之首(梁榕旺和徐淑莉,2011)。這類物質(zhì)多處于植物成熟后階段,粗纖維含量很高,在31%至55%之間,受其細(xì)胞壁成分木質(zhì)化的限制,因而秸稈在直接利用上受到了限制(Tawfik and Salem,2012;劉強(qiáng),2010)。因此利用昆蟲(chóng)對(duì)農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品進(jìn)行資源化處理已經(jīng)成為當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要思路(張文慶等,2008)。采用農(nóng)作物副產(chǎn)物秸稈養(yǎng)殖昆蟲(chóng),首先是變廢為寶,將垃圾變成動(dòng)物蛋白飼料,以促進(jìn)其它經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育,其次是改善農(nóng)業(yè)環(huán)境,把對(duì)人和環(huán)境的危害,降低到最低甚至為零。如水虻科的黑水虻,擬步甲科的黃粉蟲(chóng)都已被確定為一種重要的飼用資源昆蟲(chóng),在動(dòng)物蛋白飼料生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化農(nóng)業(yè)廢棄物方面得到應(yīng)用和推廣(柴志強(qiáng)等,2012;黃詳財(cái),2008)。家蠅為最常見(jiàn)的昆蟲(chóng)之一,也具有強(qiáng)大的生態(tài)轉(zhuǎn)化的作用,可將生活垃圾、麥麩、谷糠、發(fā)酵的農(nóng)作物秸稈等快速轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì),被國(guó)際上列為新型蛋白資源昆蟲(chóng)之首(Moon et al.,2001;Yadav and Garg,2011;Zhang et al.,2012)。

      β-葡萄糖苷酶又稱β-D-葡萄糖苷水解酶,屬于纖維素酶類,其作為纖維素酶系中關(guān)鍵的限速酶,是調(diào)控昆蟲(chóng)降解纖維素能力的重要因素。目前對(duì)β-葡萄糖苷酶研究多集中在對(duì)酶活性和體外的克隆表達(dá)的研究(Zhang et al.,2012.;Tokuda et al.,2012;Uchima et al.,2011;Ferreira et al.,2001),尚未見(jiàn)對(duì)昆蟲(chóng)在不同發(fā)育階段、不同生理狀態(tài)下β-葡萄糖苷酶基因表達(dá)水平和酶活性的變化趨勢(shì)報(bào)道。因此本實(shí)驗(yàn)借助實(shí)時(shí)熒光定量PCR 技術(shù),分析不同生長(zhǎng)發(fā)育階段、不同食物環(huán)境下家蠅β-葡萄糖苷酶表達(dá)特點(diǎn)和變化趨勢(shì),揭示家蠅在不同生理狀態(tài)下對(duì)食物中纖維素的利用情況,為降解纖維素的調(diào)控因素提供了一些實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

      本研究以不同粗纖維含量的飼料喂養(yǎng)家蠅,結(jié)果顯示粗纖維含量的變化對(duì)家蠅的生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)影響,家蠅身體狀況和品質(zhì)與常規(guī)麥麩飼料喂養(yǎng)無(wú)差異(P>0.05)。在誘導(dǎo)后和正常生長(zhǎng)條件下,均有β-葡萄糖苷酶在家蠅體內(nèi)廣泛存在,其隨著飼料中粗纖維含量增加表達(dá)水平也隨之增加。在粗纖維含量為40%,家蠅降解粗纖維效率提高到39.59±0.009 %,家蠅β-葡萄糖苷酶基因表達(dá)較對(duì)照組提高了1.7~2.4倍;在粗纖維增加到50%,家蠅降解粗纖維效率提高到49.65±0.41%,家蠅β-葡萄糖苷酶表達(dá)增加較對(duì)照組提高了3.1~5.0倍。采用DNSA 法對(duì)家蠅β-葡萄糖苷酶活性的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),3個(gè)組在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段都具有β-葡萄糖苷酶活性,β-葡萄糖苷酶活性大小的順序與家蠅β-葡萄糖苷酶基因mRNA的表達(dá)水平是一致的。因此推測(cè)家蠅在復(fù)雜生存環(huán)境條件中,是通過(guò)提高自身β-葡萄糖苷酶表達(dá)得以補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)和能量來(lái)源,以維持機(jī)體的正常生長(zhǎng)和發(fā)育。這與黃詳財(cái)?shù)膱?bào)道相似(黃詳財(cái),2008)。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)β-葡萄糖苷酶活性的變化沒(méi)有其mRNA 的變化顯著,推測(cè)是由于基因的表達(dá)包含轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)層次,它們?cè)诎l(fā)生的時(shí)間、位點(diǎn)存在著時(shí)空差異,而轉(zhuǎn)錄后又有轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的降解、翻譯以及翻譯后加工、修飾等好幾個(gè)層面,比基因轉(zhuǎn)錄更加復(fù)雜,因此轉(zhuǎn)錄水平與蛋白表達(dá)水平并不完全一致。

      家蠅個(gè)體發(fā)育不同階段β-葡萄糖苷酶基因表達(dá)及其活性檢測(cè)結(jié)果提示發(fā)育過(guò)程中β-葡萄糖苷酶基因表達(dá)可能與家蠅維持正常生理功能有關(guān)。β-葡萄糖苷酶基因在家蠅卵期缺乏轉(zhuǎn)錄活性,考慮其表達(dá)產(chǎn)物是母源性轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,所檢測(cè)到的可能是母體的遺留,故呈低水平表達(dá)。幼蟲(chóng)期是家蠅迅速生長(zhǎng)的時(shí)期,生長(zhǎng)代謝較為旺盛,需要更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供其生長(zhǎng)發(fā)育,因此β-葡萄糖苷酶作為降解纖維素、提供能量最為重要的效應(yīng)分子,其表達(dá)的水平也呈現(xiàn)上調(diào)趨勢(shì),蛹期盡管是相對(duì)靜止的蟲(chóng)態(tài),但為了適應(yīng)破蛹后復(fù)雜環(huán)境,仍然延續(xù)了幼蟲(chóng)期β-葡萄糖苷酶活性的增長(zhǎng)。β-葡萄糖苷酶在成蟲(chóng)期達(dá)到最大轉(zhuǎn)錄活性,可能由于家蠅的不斷生長(zhǎng)發(fā)育,其降解纖維素系統(tǒng)也在逐漸完善,另一方面這個(gè)時(shí)期也是家蠅活動(dòng)范圍最大的時(shí)期,它們的新陳代謝以及生長(zhǎng)發(fā)育都受到周圍環(huán)境的直接影響,需要盡可能的利用環(huán)境中的纖維素以提供必須的營(yíng)養(yǎng)。這與研究人員報(bào)道(黃詳財(cái),2008),不同齡期的黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)體內(nèi)的纖維素酶活性隨著齡期的延長(zhǎng)逐步提高相一致。由此可見(jiàn),家蠅β-葡萄糖苷酶活性的高低與其個(gè)體發(fā)育有著密切的關(guān)系。

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