玉带凤蝶不同发育期（幼虫,蛹,成虫）的比较转录组分析

摘要

玉带凤蝶（Papilio polytes）是我国常见一种中、大型凤蝶，隶属于鳞翅目、凤蝶科、凤蝶亚科。它是典型的全变态昆虫，其一生要经历卵、幼虫、蛹、成虫四个完全不同的发育阶段。目前，对玉带凤蝶的研究主要集中在系统分类学和行为学方面的研究，而关于其个体发育过程分子生物学机理的研究还未见报道。 近年来，基于转录组学研究为代表的新一代测序和分析技术己经成为生物类群遗传学、发育生物学以及进化生物学领域的重要研究手段。其中，转录组学研究可以揭示生物体在其不同发育时期有关基因的表达水平差异，从而为一些特定生物类群（如全变态昆虫等）个体发育过程中的分子生物学机理提供了重要的分子生物学资料和证据。 本研究利用HiSeq500测序平台对玉带凤蝶3个不同个体发育期（幼虫、蛹、成虫）的9个生物体样本（每个个体发育期3个样本）进行转录组测序。对得到的序列数据进行初步的分析及相关软件处理后，再对幼虫和蛹，蛹和成虫以及幼虫和成虫之间的转录组进行了基因的差异表达分析以及功能富集分析，以期比较以玉带凤蝶为代表的蝶类在不同个体发育时期的基因表达类型和表达特征，同时结合其他相关昆虫类群的有关研究成果，进一步探讨全变态昆虫个体发育过程中的分子生物学动态变化规律。 所得的主要结果如下： 玉带凤蝶幼虫、蛹和成虫测序获得的总的数据量为403998612条序列，通过处理后，最终得到的总的有效读序为398133968条序列。通过与玉带凤蝶基因组的比对，共发现58.19%到67.11%的序列可比对到参考基因组上。 玉带凤蝶在幼虫和蛹阶段共发现1723个差异表达基因，1280（74.3%）在幼虫中上调，443（25.7%）基因在幼虫中下调。蛹和成虫之间，共发现1162个基因表达水平有显著差异，其中成虫相比于蛹的上调基因有873（75.1%）个，下调的有289（24.9%）个，上调基因的数目大约为下调基因的3倍。在幼虫与成虫阶段中，总共发现891个差异表达基因，成虫相比于幼虫，上调基因有359（40.3%）个，下调基因有532（59.7%）个。总体而言，在个体发育不同阶段，蛹期与幼虫和成虫期相比，上调基因较多；而幼虫与成虫期相比则差异不大。 另外，不同个体发育阶段差异表达基因的比较分析得到每个比较组排序前10的显著差异表达基因及其可能相关功能。在从幼虫到蛹的转变过程中，膜丙氨酰氨肽酶和与钠-依赖性营养氨基酸转运体的相关基因在幼虫中高表达，细胞周期依赖的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶相关基因在蛹期高表达。在从蛹到成虫的转变过程中，视黄醇结合蛋白基因和丝氨酸蛋白酶相关基因在成虫中显著上调，而保幼激素抑制蛋白相关基因在蛹期显著高表达。幼虫和成虫期相比，昆虫表皮蛋白相关基因在幼虫阶段表达上调，而肌钙蛋白C基因在成虫中明显上调。总之，这些差异表达基因主要与昆虫的消化、免疫、发育繁殖、防御和飞行等功能有关。 GO（基因本体）分析表明，三个比较组共有1241个（P-A:345个；P-L:609个；L-A:287个）差异基因得到归类注释，涉及生物学过程、细胞组分及分子功能3大类共67个小类。其中，生物学过程有24个类别，细胞组分有24个类别，分子功能有19个类别。在生物学过程类别中，细胞过程相关的所占比例最多；在细胞组分类别中，细胞所占比例最多；在分子功能类别中，结构绑定功能和催化活性功能相关的所占比例最多。值得一提的是，上述24个生物学过程类别中，还包含了一些与发育生殖相关过程相关的关键基因。这些富集的生物学功能基因可能在全变态昆虫的生长发育过程中起着关键作用。 KEGG通路（KEGG pathway）分析显示，3个比较组中存在1635个（P-A:511个；P-L:816个；L-A:308个）差异表达基因，共涉及213个通路。其中，有5种主要的通路存在着显著富集现象，包括：代谢途径、有机体系统、遗传信息加工过程、细胞过程以及环境信息加工过程等。例如，细胞外基质受体相互作用通路（ECM）和CYP450通路，保幼激素、脂肪酸代谢通路，以及参与昆虫昼夜节律调控、核酸复制与转录的相关基因在这些代谢通路都发生了显著富集。这些基因参与的代谢途径在全变态昆虫的生长发育的调控方面可能扮演了关键角色。

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