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  本文關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)方法在昆蟲嗅覺基因識(shí)別的應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《華中農(nóng)業(yè)大學(xué)》 2015年

生物信息學(xué)方法在昆蟲嗅覺基因識(shí)別的應(yīng)用研究

曹德盼  

【摘要】：昆蟲在自然界中數(shù)量的繁盛在某種程度上歸功于它們生存和生殖過程中至關(guān)重要的生理功能——高度靈敏的嗅覺系統(tǒng)。昆蟲利用這個(gè)靈敏的嗅覺系統(tǒng)在自然界成千上萬(wàn)種氣味中辨別出自己傾向或者偏愛的氣味成分,從而引起特定的生理和行為反應(yīng),如定位寄主食物和棲息場(chǎng)所、探求配偶、交配并產(chǎn)卵、躲避天敵等。研究昆蟲的嗅覺系統(tǒng),有助于闡明昆蟲個(gè)體間、不同昆蟲物種間的化學(xué)通訊機(jī)制,了解昆蟲對(duì)寄主的識(shí)別、選擇機(jī)制,為高效的昆蟲行為調(diào)節(jié)劑研發(fā)提供理論基礎(chǔ),為高特異性昆蟲誘集劑、驅(qū)避劑的開發(fā)提供可靠的靶標(biāo)位點(diǎn)。限制昆蟲嗅覺系統(tǒng)研究的一大難點(diǎn)是嗅覺基因的高度分異性。嗅覺基因極低的相似性使得同源克隆、探針調(diào)取等傳統(tǒng)方法無(wú)法獲取新的基因序列;而嗅覺基因較低的表達(dá)量限制了篩選c DNA文庫(kù)等手段的效率。因此,發(fā)展高靈敏度、高通量的嗅覺基因識(shí)別方法,對(duì)于推動(dòng)昆蟲嗅覺的研究具有重要的意義。NGS測(cè)序(Next Generation Sequencing,NGS)技術(shù)的誕生,為非模式生物的研究提供了巨大的機(jī)遇。測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步、測(cè)序成本的降低使得對(duì)非模式生物的組學(xué)研究成為可能,基因組、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序已經(jīng)成為技術(shù)可行、成本可接受的研究手段。然而NGS測(cè)序產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)無(wú)法使用傳統(tǒng)的處理方式研究和利用。本研究建立了一套適用于昆蟲的生物信息學(xué)分析流程,用以從昆蟲基因組、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中識(shí)別嗅覺相關(guān)基因。通過應(yīng)用該分析流程,本文分析鑒定了數(shù)種昆蟲的嗅覺基因家族,并對(duì)一些近緣物種的基因進(jìn)行了進(jìn)化分析。主要研究結(jié)果包括:1.通過挖掘棉蚜基因組數(shù)據(jù),人工拼接潛在的外顯子序列,鑒定得到45條假定Ago OR序列模型,其中22條序列編碼擁有完整的開放閱讀框,9條屬假基因。通過序列比較,我們發(fā)現(xiàn)Ago OR與Ap OR擁有較高的相似性,其平均值為54.76%;有26個(gè)Ago OR序列擁有與其相似度超過50%的Ap OR序列;系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)了16個(gè)蚜蟲同源基因簇,其中一些同源基因簇的物種間相似度超過70%;除高相似度序列外,還發(fā)現(xiàn)了5個(gè)Ago OR特異延伸簇,其序列相似度均低于50%。通過比較棉蚜和豌豆蚜嗅覺受體基因的外顯子/內(nèi)含子結(jié)構(gòu),共發(fā)現(xiàn)5個(gè)共有的保守內(nèi)含子剪切位點(diǎn)。對(duì)離子型受體IR的挖掘構(gòu)建出13個(gè)Ago IR基因模型,其中11條具有完整的開放閱讀框;所有Ago IR均具備完整的谷氨酸受體家族S1、S2、PORE結(jié)構(gòu)域,但均不具備完整的α氨基識(shí)別位點(diǎn)。對(duì)Ago OR、Ago IR的時(shí)空表達(dá)差異研究表明,Ago OR基因均表達(dá)在嗅覺器官集中的頭部,在非嗅覺器官表達(dá)量極低;而棉蚜IR基因除嗅覺組織外,在足和胸腹中也有表達(dá)。2.對(duì)二化螟Chilo suppressalis(Walker)成蟲觸角轉(zhuǎn)錄組的分析共識(shí)別出Csup OR基因47個(gè)、假定Csup IR基因20個(gè)、假定Csup OBP基因26個(gè)、假定Csup CSP基因21個(gè)。其中23條Csup OR序列為全長(zhǎng)序列;6個(gè)嗅覺受體基因?qū)儆诙孕畔⑺厥荏w。20個(gè)假定Csup IR基因中包含13條全長(zhǎng)序列;13個(gè)Csup IR發(fā)現(xiàn)了相對(duì)應(yīng)的Dmel/Bmor/Slit IR同源物;5個(gè)Csup IR序列被認(rèn)為是二化螟特異的基因。26個(gè)假定Csup OBP中的22個(gè)擁有典型的6個(gè)保守半胱氨酸模式,剩余4個(gè)屬于minus-C subgroup,其第二個(gè)半胱氨酸位點(diǎn)被賴氨酸殘基取代。21條假定Csup CSP中的18條序列具有完整的開放閱讀框和信號(hào)肽,全部假定Csup CSP基因擁有保守的4個(gè)半胱氨酸模式和6個(gè)α螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)。3.在小菜蛾成蟲觸角轉(zhuǎn)錄組中共鑒定出110個(gè)嗅覺相關(guān)基因,含53個(gè)Pxyl OR基因、16個(gè)假定Pxyl IR基因、24個(gè)假定Pxyl OBP基因、15個(gè)假定Pxyl CSP基因和2個(gè)假定SNMP基因。53個(gè)假定Pxyl OR中的23個(gè)擁有完整的開放閱讀框;7個(gè)Pxyl OR基因被認(rèn)定為小菜蛾的性信息素受體,并在系統(tǒng)發(fā)生樹中形成小菜蛾特異簇。16條假定Pxyl IR基因中,5個(gè)unigene具有完整的開放閱讀框,9個(gè)unigene經(jīng)TMHMM2.0鑒定具有3個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域。24個(gè)假定氣味結(jié)合蛋白基因中,包含3個(gè)PBP、3個(gè)GOBP、18個(gè)普通OBP,其中19個(gè)Pxyl OBP基因具有完整ORF,22個(gè)Pxyl OBP具有信號(hào)肽。4.在近緣物種美洲棉鈴蟲與阿根廷棉鈴蟲觸角轉(zhuǎn)錄組中,分別發(fā)現(xiàn)了62、60個(gè)假定嗅覺受體基因,18、17個(gè)假定離子型受體基因和各38個(gè)假定氣味結(jié)合蛋白基因。這些基因經(jīng)與棉鈴蟲、煙青蟲、二化螟嗅覺基因聯(lián)合分析,共發(fā)現(xiàn)直系同源嗅覺受體17組;同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一批僅在鈴夜蛾屬中存在的基因,這些獨(dú)有的基因可能與鈴夜蛾屬物種生境中特有的化學(xué)物質(zhì)相關(guān)。5.應(yīng)用phylogenomics方法對(duì)美洲棉鈴蟲、阿根廷棉鈴蟲、棉鈴蟲、煙青蟲觸角轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行分析,共發(fā)現(xiàn)直系同源基因簇1670個(gè),其功能主要集中于cellular process、metabolic process、single-organism process等維持生理活動(dòng)相關(guān)的過程。對(duì)這1670個(gè)OG的達(dá)爾文選擇分析顯示,379個(gè)OG在達(dá)爾文選擇選擇位點(diǎn)分析中表現(xiàn)出承受正選擇壓力;這些基因編碼的蛋白質(zhì)主要構(gòu)成細(xì)胞與細(xì)胞器,執(zhí)行結(jié)合活性、催化反應(yīng)及轉(zhuǎn)運(yùn)等相關(guān)功能,并在生物過程調(diào)節(jié)、著色、定位、刺激反饋等生理過程中呈明顯的富集趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S433;Q811.4
【目錄】：

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【參考文獻(xiàn)】

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3 李光武;任振華;劉巧瓊;徐金勇;孫偉;左佳佳;楊愛紅;;嗅覺系統(tǒng)腦靶向嗅質(zhì)及其神經(jīng)機(jī)制的研究[A];中國(guó)解剖學(xué)會(huì)2011年年會(huì)論文文摘匯編[C];2011年

4 魏永祥;韓德民;;嗅覺味覺的研究進(jìn)展[A];第二屆全國(guó)變應(yīng)性鼻炎診療技術(shù)學(xué)習(xí)班講義匯編[C];2007年

5 朱瑩瑩;倪道鳳;許彩民;;老年癡呆大鼠嗅覺系統(tǒng)免疫組化及凋亡的檢測(cè)[A];中華醫(yī)學(xué)會(huì)第十次全國(guó)耳鼻咽喉-頭頸外科學(xué)術(shù)會(huì)議論文匯編（下）[C];2007年

6 杜瑩;王如彬;陸啟韶;;嗅球網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)模型的放電序列分析[A];第十三屆全國(guó)非線性振動(dòng)暨第十屆全國(guó)非線性動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集[C];2011年

7 李光武;任振華;劉巧瓊;徐金勇;孫偉;左佳佳;蔡榮鳳;楊愛紅;楊天鵬;許永成;汪莉;;嗅覺通路與腦功能神經(jīng)藥理學(xué)機(jī)制研究概述[A];華東六省一市第22屆解剖與組織胚胎學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)暨山東解剖學(xué)會(huì)成立60周年紀(jì)念大會(huì)論文匯編[C];2013年

8 杜瑩;王如彬;;嗅覺神經(jīng)元模型的同步放電序列分析[A];第十四屆全國(guó)非線性振動(dòng)暨第十一屆全國(guó)非線性動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集與會(huì)議議程[C];2013年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 安然 本報(bào)駐京記者 李虎軍;[N];南方周末;2004年

2 李荔;[N];北京科技報(bào);2010年

3 王小龍;[N];科技日?qǐng)?bào);2013年

4 本報(bào)記者 呂媛 童光來 李嬋 實(shí)習(xí)記者 劉茵;[N];北京科技報(bào);2004年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 曹德盼;生物信息學(xué)方法在昆蟲嗅覺基因識(shí)別的應(yīng)用研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2015年

2 許智祥;糖原合酶激酶3β在嗅覺系統(tǒng)中功能的研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）;2013年

3 朱瑩瑩;擬老年癡呆大鼠模型嗅覺系統(tǒng)相關(guān)改變的研究[D];中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué);2009年

4 龔蓉;膜上鳥苷酸環(huán)化酶在大腦和在嗅覺系統(tǒng)中的作用[D];北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院;2011年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 季銘;基于鼻粘膜色譜效應(yīng)的雙腔室仿生嗅覺系統(tǒng)研究[D];浙江工商大學(xué);2015年

2 楊如乃;嗅覺系統(tǒng)模型及嗅覺腦電信號(hào)提取方法的研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

3 王莉;外周輸入和離心調(diào)控對(duì)嗅覺系統(tǒng)功能活動(dòng)的影響[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）;2014年

4 楊新令;嗅覺系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究及其在人工嗅覺與虹膜識(shí)別中的應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2006年

5 王光大;基于數(shù)字人腦理論的人工嗅覺系統(tǒng)研究[D];燕山大學(xué);2006年

6 汪樂;嗅覺系統(tǒng)神經(jīng)模型的研究與應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2005年

7 周立業(yè);基于人工嗅覺的裝備故障信號(hào)分析方法研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

8 邱旸;嗅覺系統(tǒng)神經(jīng)發(fā)生過程的機(jī)制研究[D];第二軍醫(yī)大學(xué);2010年

9 于鵬;人工嗅覺系統(tǒng)檢測(cè)室內(nèi)污染混合氣體的研究[D];浙江大學(xué);2003年

10 孫海;人工嗅覺信號(hào)識(shí)別方法研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

  本文關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)方法在昆蟲嗅覺基因識(shí)別的應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：167080