劉 寧,張統(tǒng)書,李忠洲,段立佳,李帥強(qiáng),董 輝*,叢 斌*
滯育及不同蟲態(tài)下亞洲玉米螟內(nèi)參基因的篩選
劉 寧1,張統(tǒng)書1,李忠洲2,段立佳1,李帥強(qiáng)1,董 輝1*,叢 斌1*
(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,沈陽 110161;2.撫順出入境檢驗(yàn)檢疫局,撫順113006)
篩選出滯育狀態(tài)下以及不同蟲態(tài)下亞洲玉米螟Ostriniafurnacalis(Guenée)的實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-qPCR)最穩(wěn)定內(nèi)參基因,本結(jié)果為研究不同蟲態(tài)及滯育1個(gè)月,滯育2個(gè)月,滯育3個(gè)月和滯育4個(gè)月的亞洲玉米螟目的基因表達(dá)水平提供參考依據(jù)。本文以不同蟲態(tài)及滯育狀態(tài)下的亞洲玉米螟為試驗(yàn)材料,應(yīng)用RT-qPCR技術(shù)檢測(cè)β-actin,18SrRNA,EF1-α和RPS3共4個(gè)候選內(nèi)參基因的表達(dá)穩(wěn)定性水平,結(jié)合geNorm,Normfinder,BestKeeper和RefFinder軟件分析各候選內(nèi)參基因在不同處理下的表達(dá)穩(wěn)定性。結(jié)果表明,在亞洲玉米螟不同蟲態(tài)中,4個(gè)候選內(nèi)參基因的穩(wěn)定性大小排序?yàn)?8SrRNA>EF1-α>β-actin>RPS3;滯育1個(gè)月,滯育2個(gè)月,滯育3個(gè)月和滯育4個(gè)月的亞洲玉米螟,穩(wěn)定性大小排序?yàn)棣?actin>EF1-α>18SrRNA>RPS3。18SrRNA和β-actin可分別作為不同蟲態(tài)和滯育狀態(tài)下的亞洲玉米螟基因表達(dá)水平分析試驗(yàn)中的內(nèi)參基因。
亞洲玉米螟;內(nèi)參基因;RT-qPCR;18SrRNA;β-actin
實(shí)時(shí)熒光定量逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(real-time quantitative reverse transcription-PCR,RT-qPCR)是一種檢測(cè)mRNA表達(dá)豐度的可靠技術(shù),該技術(shù)憑借其高靈敏度,運(yùn)算精度與適用范圍廣等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用(Iktenetal., 2016;Normannetal., 2016)。然而,RNA的產(chǎn)量,完整性及其質(zhì)量,酶的活性和PCR擴(kuò)增效率等方面的差異性變化均可對(duì)目的基因特異性表達(dá)的真實(shí)CT值造成影響(崔淼等,2014;Yangetal., 2016)。因此,進(jìn)行RT-qPCR試驗(yàn)時(shí)選擇較為穩(wěn)定表達(dá)的管家基因作為內(nèi)參基因?qū)δ康幕虮磉_(dá)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化與校正是至關(guān)重要的(Lordetal., 2010;Silvaetal., 2016)。在很多研究中,參與基本細(xì)胞流過程的傳統(tǒng)管家基因通常作為內(nèi)參基因,例如肌動(dòng)蛋白(Actin)、微管蛋白(Tubulin)、延伸因子(EF1-a)和3-磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)等(王佳等,2014;潘暢等,2016)。一個(gè)理想的內(nèi)參基因在不同試驗(yàn)條件下,不同組織類型和各發(fā)育階段中均穩(wěn)定表達(dá)(Lietal., 2016; Youetal., 2016)。然而,大量研究結(jié)果表明,這些被廣泛使用的管家基因在不同試驗(yàn)條件下,其表達(dá)量具有顯著差異性(Sunetal., 2016;Wrzesińskaetal., 2016)。故選擇內(nèi)參基因時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的分析與評(píng)估(Wieczoreketal., 2013)。近幾年來,geNorm(Vandesompeleetal., 2002),BestKeeper(Pfaffletal., 2004),NormFinder(Andersenetal., 2004)和RefFinder(Xieetal., 2011)軟件廣泛應(yīng)用于內(nèi)參基因的篩選與評(píng)估分析中(肖翠等,2012)。geNorm對(duì)所有內(nèi)參基因進(jìn)行表達(dá)穩(wěn)定性評(píng)估(M值),其中M<1.5的內(nèi)參基因被認(rèn)為較穩(wěn)定(Ongetal., 2016)。NormFinder與geNorm工作原理相同,根據(jù)穩(wěn)定度篩選出最優(yōu)的一個(gè)內(nèi)參基因。BestKeeper在變異分析的基礎(chǔ)之上對(duì)內(nèi)參基因進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估,標(biāo)準(zhǔn)誤(SD)或者變異系數(shù)(CV)越小,則認(rèn)為該基因穩(wěn)定性越強(qiáng)。RefFinder是一個(gè)在線綜合分析軟件,整合了geNorm,BestKeeper,NormFinder和Delta CT方法,計(jì)算出穩(wěn)定性等級(jí)的平均值,穩(wěn)定性平均等級(jí)指數(shù)越小越穩(wěn)定。近來,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者均用上述分析方法對(duì)多種昆蟲的內(nèi)參基因穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估與篩選(陳芳等,2014),例如二斑葉螨Tetranychusurticae(周興隆等,2015),絲光綠蠅Luciliasericata(Bagnalletal., 2010),褐飛虱Nilaparvatalugens(Yuanetal., 2014),棉鈴蟲Helicoverpaarmigera(Zhangetal., 2015)等。
亞洲玉米螟是我國(guó)玉米種植上的常發(fā)性害蟲,以老熟幼蟲形態(tài)滯育越冬,在翌年作為蟲源造成嚴(yán)重危害。結(jié)合分子、基因等研究方法,探索亞洲玉米螟發(fā)生發(fā)展機(jī)制具有良好的研究前景,利用RT-qPCR技術(shù)對(duì)亞洲玉米螟基因表達(dá)(郭建青,2013;陳鵬等,2014)分析研究已有報(bào)道,但對(duì)內(nèi)參基因的篩選仍未空白。為確保目的基因表達(dá)水平的準(zhǔn)確性,需引入內(nèi)參基因作為參照。本研究選取了不同蟲態(tài)(卵、幼蟲、蛹和成蟲)及不同滯育狀態(tài)下(滯育1個(gè)月,滯育2個(gè)月,滯育3個(gè)月和滯育4個(gè)月)的亞洲玉米螟共8份試驗(yàn)材料,利用RT-qPCR技術(shù)檢測(cè)了β-actin,18SrRNA,EF1-α和RPS3共4個(gè)內(nèi)參基因在不同蟲態(tài)以及不同滯育狀態(tài)下的亞洲玉米螟中表達(dá)水平,并應(yīng)用geNorm,Normfinder,BestKeeper和RefFinder軟件分析了各候選內(nèi)參基因的表達(dá)穩(wěn)定性,篩選出最適的內(nèi)參基因,在亞洲玉米螟后續(xù)的相關(guān)基因表達(dá)的研究中,為其選擇合適的內(nèi)參基因提供參考依據(jù)。
1.1 試驗(yàn)材料
1.1.1 供試蟲源
不同滯育狀態(tài)下試蟲:于2016年10月至2017年1月期間滯育1個(gè)月,滯育2個(gè)月,滯育3個(gè)月和滯育4個(gè)月的亞洲玉米螟,從沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田剖桿采集,每次試驗(yàn)選擇3頭大小一致的幼蟲,用于分析不同滯育狀態(tài)下候選內(nèi)參基因的穩(wěn)定性(3次生物學(xué)重復(fù))。
不同蟲態(tài)試蟲:沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)飼養(yǎng),溫度為26℃±1℃,相對(duì)濕度為75%±5%,光周期為16 L∶8 D。分別收集亞洲玉米螟卵(產(chǎn)卵后12 h)、幼蟲(5th)、蛹(化蛹后1 d)及成蟲(羽化后3 d)用于分析不同蟲態(tài)候選內(nèi)參基因的穩(wěn)定性(3次生物學(xué)重復(fù))。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 亞洲玉米螟總RNA的提取及檢測(cè)
按照Trizol說明書提取各個(gè)處理的亞洲玉米螟總RNA。利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)總RNA完整性,并用Thermo公司的核酸蛋白檢測(cè)儀NanoDrop2000檢測(cè)總RNA濃度與純度(所有樣本RNA均滿足條件:A260/230>2.0,2.0>A280/260>1.8)。參照PrimeScriptTMRT reagent Kit with gDNA Eraser(Perfect Real Time)試劑盒說明反轉(zhuǎn)錄合成cDNA第一鏈。
1.2.2 亞洲玉米螟候選內(nèi)參基因表達(dá)引物設(shè)計(jì)
根據(jù)Gene bank(http:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫內(nèi)亞洲玉米螟相關(guān)信息,篩選出4個(gè)候選內(nèi)參基因β-actin(KT366041.1),18SrRNA(GU205787.1),EF1-α(KC966937.1),RPS3(EU275206.2)。通過Primer Premier 5.0軟件設(shè)了計(jì)實(shí)時(shí)熒光定量PCR(Quantitative Real-Time PCR,RT-qPCR)特異性引物,引物均由上海生物工程有限公司合成(表1)。
表1 RT-qPCR引物序列Table 1 Primer pairs used for PCR
1.2.3 候選內(nèi)參基因的表達(dá)量檢測(cè)
利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù),采用SYBR GreenⅡ染料法,在Bio-Rad CFX96 PCR儀上進(jìn)行擴(kuò)增、熔解曲線的分析,總反應(yīng)體系20 μL,包括2×SYBR Premix Ex TaqⅡ10 μL,上下游引物各0.8 μL,去除RNA酶ddH2O 7.6 μL,cDNA模板0.8 μL。每個(gè)反應(yīng)設(shè)3個(gè)復(fù)孔,擴(kuò)增程序采用兩步法:95℃預(yù)變性30 s;然后95℃變性10 s,60℃退火延伸40 s,共40個(gè)循環(huán)。
1.2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制
將cDNA原液依次稀釋5、52、53、54、55、56倍作為模板。按照1.2.4反映體系及程序進(jìn)行RT-qPCR反應(yīng)。并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)各引物的擴(kuò)增效率進(jìn)行分析。
1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
利用軟件geNorm(Vandesompeleetal., 2002),BestKeeper(Pfaffletal., 2004),Normfinder(Andersenetal., 2004)軟件及在線軟件RefFinder評(píng)估與分析亞洲玉米螟各候選內(nèi)參基因表達(dá)穩(wěn)定性。
2.1 亞洲玉米螟內(nèi)參基因引物特異性驗(yàn)證
以亞洲玉米螟cDNA為模板進(jìn)行普通PCR擴(kuò)增,所得擴(kuò)增產(chǎn)物長(zhǎng)度與預(yù)期一致。進(jìn)一步對(duì)4個(gè)內(nèi)參基因進(jìn)行RT-qPCR反應(yīng),所有內(nèi)參基因的溶解曲線均為單一峰,表明引物無非特異性擴(kuò)增現(xiàn)象,故RT-qPCR的結(jié)果真實(shí)可靠。
2.2 亞洲玉米螟內(nèi)參基因的CT值分析
比較不同蟲態(tài)及滯育狀態(tài)下亞洲玉米螟4個(gè)內(nèi)參基因的CT值,它們的表達(dá)水平均存在一定的變化(圖1),該結(jié)果說明,不同蟲態(tài)及不同滯育狀態(tài)可能影響這些候選內(nèi)參基因的表達(dá)量。不同蟲態(tài)的亞洲玉米螟四個(gè)候選內(nèi)參基因β-actin、18SrRNA、RPS3和EF1-α的CT值變化范圍分別為22.11-25.95、12.11-16.46、22.44-28.51和30.35-33.39,EF1-α的CT值變異程度最小(ΔCT=3.04;CV=0.030),RPS3的CT值變異程度最大(ΔCT=6.03;CV=0.081)(圖1 A);不同滯育狀態(tài)下的亞洲玉米螟中4個(gè)候選內(nèi)參基因β-actin、18SrRNA、RPS3和EF1-α的Ct值變化范圍分別為26.03-26.80、15.41-16.33、24.59-28.63和31.18-33.18,β-actin的CT值變異程度最小(ΔCT=0.77;CV=0.011),RPS3的Ct值變異程度最大(ΔCT=2.00;CV=0.067)(圖1 B)。
圖1 不同蟲態(tài)(A)及滯育狀態(tài)下(B)亞洲玉米螟4個(gè)候選內(nèi)參基因CT值的比較 Fig.1 CT values of four candidate reference genes in different stages (A) and different diapause stages,i.e.,collected from October to January (B) of Ostrina furnacalis
2.3 候選內(nèi)參基因的穩(wěn)定性評(píng)估
2.3.1 geNorm軟件評(píng)估結(jié)果
應(yīng)用genorm軟件評(píng)估4個(gè)候選內(nèi)參基因β-actin、18SrRNA、RPS3和EF1-α的表達(dá)穩(wěn)定度M值,并由大到小進(jìn)行排序,亞洲玉米螟不同蟲態(tài)為RPS3(1.201)>EF1-α(0.993)>β-actin(0.974)>18SrRNA(0.875)(圖2 A);不同滯育狀態(tài)的亞洲玉米螟為RPS3(1.572)>18SrRNA(1.244)>β-actin(1.010)>EF1-α(0.966)(圖2 B),該結(jié)果表明,18SrRNA在不同蟲態(tài)中表達(dá)最穩(wěn)定,EF1-α在不同滯育狀態(tài)下表達(dá)最穩(wěn)定。
圖2 應(yīng)用geNorm軟件分析不同蟲態(tài)(A)及不同滯育狀態(tài)亞洲玉米螟(B)各內(nèi)參的表達(dá)穩(wěn)定度值(M)Fig.2 Expression stability values (M) of reference genes in different stages (A) and different diapause stages,i.e.,collected from October to January (B) of Ostrina furnacalis analyzed by geNorm
2.3.2 Normfinder軟件評(píng)估結(jié)果
應(yīng)用Normfinder軟件評(píng)估4個(gè)候選內(nèi)參基因β-actin、18SrRNA、RPS3和EF1-α的表達(dá)穩(wěn)定度,候選內(nèi)參基因在亞洲不同蟲態(tài)玉米螟中的穩(wěn)定度排序?yàn)椋?8SrRNA(0.348)>β-actin(0.423)>EF1-α(0.489)>RPS3(0.569);不同滯育狀態(tài)的亞洲玉米螟為:EF1-α(0.177)>β-actin(0.379)>18SrRNA(0.581)>RPS3(0.782)。在不同蟲態(tài)中,18SrRNA表達(dá)最穩(wěn)定,在不同月份下,EF1-a為最優(yōu)內(nèi)參基因,與geNorm軟件分析結(jié)果一致(表2)。
2.3.3 BestKeeper軟件評(píng)估結(jié)果
應(yīng)用BestKeeper軟件評(píng)估4個(gè)候選內(nèi)參基因結(jié)果顯示SD值(表3),亞洲玉米螟不同蟲態(tài),EF1-α<β-actin<18SrRNA 2.3.4 綜合評(píng)估結(jié)果 綜合上述3種軟件及在線軟件RefFinder的評(píng)估結(jié)果表明,不同蟲態(tài)中選擇18SrRNA為最優(yōu)內(nèi)參基因(表4),不同月份滯育下選擇β-actin為最優(yōu)內(nèi)參基因(表5)。 表2 應(yīng)用NormFinder軟件分析亞洲玉米螟內(nèi)參基因的表達(dá)穩(wěn)定性Table 2 Expression stability of reference genes of Ostrinia furnacalis by NormFinder 亞洲玉米螟Ostriniafurnacalis(Guenée)做為玉米上的主要害蟲,多年來一直有大量報(bào)道,RT-qPCR技術(shù)在亞洲玉米螟目的基因表達(dá)分析研究中得到了廣泛應(yīng)用(郭建青,2013;陳鵬等,2014)。為了明確亞洲玉米螟目的基因的表達(dá)水平,必須引入內(nèi)參基因?qū)δ康幕蜻M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,由于,目的基因表達(dá)量會(huì)受內(nèi)外界的多種因素影響,如RNA完整性及反轉(zhuǎn)錄效率等(Pfaffletal., 2004;Wrzesińskaetal., 2016)。也有研究表明,在柑橘大實(shí)蠅中,RPL32在不同發(fā)育階段和不同溫度處理中表達(dá)最穩(wěn)定,在不同溫度下和一個(gè)γ輻射處理下理想表達(dá)的基因是GAPDH,G6PDH和RPL32(Lüetal., 2014);β-actin在感染細(xì)菌的蜜蜂中表達(dá)穩(wěn)定,而在感染真菌的赤擬谷盜中不穩(wěn)定表達(dá)(Lordetal., 2010);β-actin和18SrRNA在蝗蟲發(fā)育階段中穩(wěn)定表達(dá),然而,在抵低壓缺氧條件下表達(dá)水平發(fā)生改變(Zhaoetal., 2012)。周曉慧(2014)研究表明,在碦西茄干旱和鹽脅迫條件下EF1-α和GAPDH表達(dá)穩(wěn)定性最好,TUA和18SrRNA在碦西茄不同組織中表達(dá)最穩(wěn)定。因此篩選出在特定試驗(yàn)條件下表達(dá)穩(wěn)定性好的內(nèi)參基因是非常關(guān)鍵的。 表3 應(yīng)用BestKeeper軟件分析亞洲玉米螟內(nèi)參基因的表達(dá)穩(wěn)定性Table 3 Expression stability of reference genes of Ostrinia furnacalis by BsetKeeper 表4 4個(gè)候選內(nèi)參基因不同蟲態(tài)的穩(wěn)定性等級(jí)排序Table 4 Overall stability rank of four candidate reference genes of different stages 表5 4個(gè)內(nèi)參基因不同滯育狀態(tài)的表達(dá)穩(wěn)定性Table 5 Overall stability rank of four candidate reference genes of different diapause stages 在本試驗(yàn)中,選擇了4個(gè)亞洲玉米螟候選內(nèi)參基因。根據(jù)geNorm、NormFinder、BestKeeper及RefFinder軟件綜合評(píng)估了4個(gè)候選內(nèi)參基因的穩(wěn)定性。在不同蟲態(tài)的亞洲玉米螟試驗(yàn)中,4個(gè)候選內(nèi)參基因穩(wěn)定性等級(jí)綜合排名為,18SrRNA(rank=1.32)>EF1-α(rank=1.73)>β-actin(rank=2.21)>RPS3(rank=4.00),18SrRNA是表達(dá)穩(wěn)定性最好的基因,其次是EF1-α,RPS3被認(rèn)為穩(wěn)定性最差。然而,geNorm和Normfinder軟件分析均顯示18SrRNA是表達(dá)穩(wěn)定性最好的基因,M值最小,BestKeeper分析表明EF1-α的SD=0.83<1,其它3個(gè)候選內(nèi)參基因的SD值均大于1,EF1-α穩(wěn)定性最好。在不同滯育狀態(tài)下的亞洲玉米螟試驗(yàn)中,4個(gè)候選內(nèi)參基因穩(wěn)定性等級(jí)綜合排名為β-actin(rank=1.41)>EF1-α(rank=1.73)>18SrRNA(rank=2.06)>RPS3(rank=4.00),β-actin表達(dá)穩(wěn)定性最好,18SrRNA和EF1-α穩(wěn)定性次之,RPS3最不穩(wěn)定。然而,geNorm和Normfinder軟件分析均顯示EF1-α表達(dá)最穩(wěn)定,M值最小,BestKeeper軟件分析僅RPS3的SD值大于1,其余3個(gè)候選內(nèi)參基因SD值均小于1,但β-actin的SD值最小,表達(dá)最穩(wěn)定。geNorm與NormFinder程序算法需要將數(shù)據(jù)CT值轉(zhuǎn)化為Q=2ΔCT值方法,然而BestKeeper軟件直接輸入CT值進(jìn)行計(jì)算分析。3種軟件分析結(jié)果之間的差異可能是由于應(yīng)用不同數(shù)據(jù)分析導(dǎo)致。因此,本文研究結(jié)果需要通過RefFinder軟件進(jìn)行綜合評(píng)估,從而得到綜合排名指數(shù),排名指數(shù)越小,說明該基因越穩(wěn)定。 本文研究結(jié)果表明,亞洲玉米螟不同蟲態(tài)中,18SrRNA表達(dá)穩(wěn)定性最好,RPS3穩(wěn)定性最差;在不同滯育狀態(tài)下,β-actin表達(dá)穩(wěn)定性最好,RPS3穩(wěn)定性最差。這些結(jié)果依據(jù)上述3種不同軟件及在線軟件RefFinder綜合分析得到。因此,在亞洲玉米螟不同蟲態(tài)試驗(yàn)中選擇18SrRNA作內(nèi)參基因;在不同滯育狀態(tài)下,可選擇β-actin作最適內(nèi)參基因。本研究結(jié)果可為亞洲玉米螟生長(zhǎng)發(fā)育及滯育等過程的分子機(jī)理研究提供參考依據(jù)。 References) Andersen CL, Jensen JL, ?rntoft TF.Normalization of real-time quantitative reverse transcription-PCR data: A model-based variance estimation approach to identify genes suited for normalization, applied to bladder and colon cancer data sets [J].CancerResearch, 2004, 64 (15): 5245-5250. 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Ostriniafurnacalis; reference genes; RT-qPCR; 18SrRNA;β-actin 劉寧,張統(tǒng)書,李忠洲,等.滯育及不同蟲態(tài)下亞洲玉米螟內(nèi)參基因的篩選[J].環(huán)境昆蟲學(xué)報(bào),2017,39(3):611-617. 農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201303026);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0300704) 劉寧,女,1991年生,遼寧人,碩士研究生,研究方向?yàn)楹οx生物防治與昆蟲分子生態(tài)學(xué),E-mail:13940434836@139.com *通訊作者Author for correspondence,E-mail: biocontrol@163.com; bin1956@163.com Received: 2017-01-22;接受日期Accepted: 2017-03-19 Q963;S433.4 A 1674-0858(2017)03-0611-073 結(jié)論與討論