棉铃虫性染色体的剂量补偿模式和机制研究

摘要

剂量补偿(dosage compensation，DC)机制用于平衡雌雄性染色体连锁基因编码的产物剂量，多见于两性真核生物中。不同物种性染色体的剂量补偿方式主要通过异配染色体(XY或ZW)的上调或同配染色体（XX或ZZ）下调来实现。对剂量补偿的研究有助于阐明性染色体基因的调控机制和物种的性别调控网络。棉铃虫Helicoverpa armigera作为鳞翅目重要农业害虫，研究性染色体的剂量补偿模式及机制可为害虫的绿色防控提供理论依据。 本研究首先在全转录组水平和单个基因水平分析了常染色体和Z染色体基因表达量的性别差异，确定了棉铃虫性染色体剂量补偿模式;其次通过基因克隆和序列分析鉴定了棉铃虫雄性特异性致死(male-specific lethal，MSL)复合体基因，结合时空表达分析明确了棉铃虫剂量补偿机制的关键基因Hamsl1;最后通过RNA干扰Hamsl1探索了该基因对棉铃虫性染色体剂量补偿的调控。获得的主要结果如下: 1.棉铃虫性染色体剂量补偿模式的确定 将家蚕基因组与棉铃虫转录组进行染色体序列的同源分析，共鉴定出9199个棉铃虫常染色体基因和549个棉铃虫Z染色体基因。过滤偏低的FPKM值（如=0）及性别偏性基因后，对余下的棉铃虫常染色体基因和Z染色体基因的平均表达量及其性别差异进行了统计分析，明确棉铃虫通过雄性两条Z染色体基因表达量的下调和雌性单条Z染色体基因表达量的上调实现Z染色体完全剂量补偿，即Z≈ZZ＜AA。通过在棉铃虫成虫不同组织中15个Z染色体基因表达量的性别差异分析，发现基因与基因之间的剂量补偿类型存在差异，但整体表现为完全剂量补偿。 2.棉铃虫MSL复合体基因的鉴定 通过同源序列比对和基因克隆，成功获得棉铃虫MSL复合体的五个基因。基因结构分析发现Hamsl1具有两个剪接体，属内含子滞留型。通过结构域预测分析，发现棉铃虫MSL复合体的5个蛋白均含有黑腹果蝇MSL复合体参与剂量补偿调控的结构域。将MSL复合体基因在不同目的昆虫物种中进行序列比对，发现棉铃虫与家蚕的序列相似性最高。对昆虫已公开的MSL复合体的5个基因分别进行了系统发生分析，结果表明Hamsl1，Hamsl2，Hamsl3，Hamof(males absent on the first)基因在昆虫中具有较高的同源性。 3.棉铃虫关键MSL复合体基因的筛选及其对性染色体剂量补偿的调控 时空表达分析表明HaMSL复合体基因在转录水平具有时空特异性和性别特异性。结合MSL复合体的鉴定，确定Hamsl1基因为棉铃虫剂量补偿关键基因。在棉铃虫3龄幼虫RNA干扰Hamsl1，干扰效率为36.01％～64.27％，并未发生干扰试虫致死现象。qPCR分析Hamsl1对棉铃虫单个Z染色体基因的影响，发现在雄性试虫中，检测的15个Z染色体基因在雌雄试虫中均有11个基因表达量下调，整体下调幅度为30％～40％。转录组测序结果表明敲减Hamsl1基因使Z染色体基因表达量显著下调，整体下调幅度同样为30％～40％。干扰实验结果表明Hamsl1基因通过正向促进雌雄Z染色体基因转录，调控棉铃虫Z染色体剂量补偿。