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昆虫很多重要的行为过程如躲避天敌、定位寄主、觅食、寻找配偶、选择产卵位点以及调节种群密度等,都与其高度灵敏的嗅觉系统密不可分,其中触角是昆虫最重要的嗅觉器官,分布有大量的嗅觉感器。昆虫的嗅觉过程在外周水平上概括为:环境中的疏水性气味分子首先通过感器壁上的微孔扩散进入感器腔,然后由气味结合蛋白(Odorant binding protein,OBP)选择性结合并运送至嗅觉感受神经元(Olfactory sensory neuron,OSN)树突表面上的特定嗅觉受体(Olfactory receptor,OR)部位,此处气味分子激活受体并进一步启动级联反应,最终完成化学信号到电信号的转换。上述过程涉及多种蛋白的参与,主要包括气味结合蛋白、化学感受蛋白(Chemosensory protein,CSP)、气味受体和气味降解酶(Odorant degrading enzyme,ODE)等。德国小蠊(Blattella germanica)属蜚蠊目 Blattaria、姬蠊科 Blattidae、小蠊属 Blattella,是世界性卫生害虫,对其嗅觉相关基因进行鉴定并进一步研究其分子机制,不仅有助于阐明昆虫化感基因的进化,也可为基于嗅觉调控的环境友好型防治新技术的设计和开发提供理论指导,但迄今仅见一篇有关德国小蠊几个化感相关基因鉴定的报道。本文基于德国小蠊触角的转录组测序,综合利用分子生物学与生物信息学技术,对化感相关基因进行了大批量鉴定,共得到82个相关基因,其中71个是首次报道。在基因鉴定的基础上,进一步利用RT-PCR和qPCR等方法,检测了这些化感基因在mRNA水平上的组织及性别表达特点,获得了一批触角特异或高表达基因,为后续研究这些基因的功能及明确德国小蠊的嗅觉机制奠定了基础;此外还发现,一半以上的化感相关基因在尾须中有表达,暗示尾须可能具有化感功能。主要结果如下:1.德国小蠊触角转录组测序及生物信息学分析通过Illumina HiSeqrM2000高通量测序平台测序了德国小蠊的触角转录组,获得转录组碱基数总量约4.81GB,测序拼接后得到47,925个Unigene,其中19,099个Unigene能够成功比对上已报道物种的相应基因。在这19,099个成功比对的Unigene中,比对比例最高的是赤拟谷盗(Triboloum castaneum)为14.08%,随后依次是体虱(Pediculus humanus corporis)12.16%,苜蓿切叶蜂(Megachile rotundata)6.19%,丽蝇蛹集金小蜂(Nasonia vitripennis5.24%,豌豆蚜(Acyrthosiphon pisum)4.60%。利用BLAST2GO对Unigene进行GO功能注释,结果有9,491个Unigene可以进行GO分类,其中累计归到生物学过程(biological process)不同亚类的共有37,299个基因次,占比前两位的亚类是细胞代谢过程(占比62.05%)和生物体代谢过程(49.76%);归到细胞组分(cellular component)不同亚类的共有21,080个基因次,占比前两位的亚类是细胞(46.98%)和细胞组成(46.98%);归到分子功能(molecularfunction)不同亚类的共有11,959个基因次,占比前两位的亚类是结合(50.52%)和催化活性(50.15%)。大量基因的获得为研究德国小蠊的化学感受及其他生理过程的分子机理奠定了重要基础。2.德国小蠊化学感受相关基因的鉴定和序列分析基于德国小蠊触角转录组的数据,通过Blastx同源比对搜索,共鉴定出82个化学感受相关基因,包括48个气味结合蛋白(OBP)基因、9个化学感受蛋白(CSP)基因、6个感受神经元膜蛋白(sensory neuron membrane protein,SNMP)基因、5个气味受体(OR)基因、5个离子型受体(ionotropic receptor,IR)基因和9个味觉受体(gustatory receptor,GR)基因,其中有71个基因(包括42个OBP、5个CSP、6个SNMP、4个OR、5个IIR和9个GR)为本文首次报道。在德国小蠊中,Plus-COBP数量占所有OBP基因总数的40%,该比例远高于黑腹果蝇的24%(12个)、家蚕的11%(5个)以及赤拟谷盗的2%(1个),表明Plus-COBP在OBP总数量的占比并非随物种进化程度的增高而增高。3.德国小蠊化学感受相关基因的表达谱研究表达谱分析可以为基因功能提供重要线索。利用RT-PCR进行组织表达谱分析发现:1)48个OBP基因中,只有OBP13为触角特异表达;OBP6、15和28为触角高表达;11个OBP基因(OBP4-5、7、25-26、34-36、39-40和42)仅仅在触角、头(或触角、尾须)中表达;10个OBP基因(OBP3、16、20、27、32、38、41、43和45-46)在所有被测组织中都有表达。2)9个CSP基因中,只有CSP9表现出一定的触角特异性;CSP1和CSP3在除头、胸外的所有组织中表达;其他6个基因则在所有被测组织中都有表达;3)6个SNMP基因中,SNMP1b和SNMP1c仅在触角表达;SNMP1a在所有检测组织中都有较高表达。4)5个OR基因中,Orco(O1)为触角特异表达;OR2为触角高表达;另3个OR基因为多种组织表达。5)5个IR基因中,IR1,IR3和IR5为触角显著高表达,而IR4几乎在所有组织中都有表达。6)多于一半的的化感基因在尾须中表达,暗示尾须除具有机械感受外功能外,可能还具有化感功能。7)进一步对8个基因的qPCR分析发现,所测基因均表现为明显的雌虫触角高表达特点。嗅觉组织特异或高表达基因的鉴定,为进一步的功能研究并揭示德国小蠊的嗅觉机制奠定了重要基础。