家蚕核型多角体病毒基因与抗病育种

2011-11-18 05:50孙波周洪英吴宏丽
湖北农业科学 2011年16期
关键词:育种家蚕抗性

孙波 周洪英 吴宏丽

摘要:家蚕(Bombyx mori L.)对家蚕核型多角体病毒(B. mori Nuclear polyhedrosis virus,BmNPV) 抗性为不完全显性,在常染色体上由主效基因控制,在性染色体上有微效基因的协同作用。抗BmNPV相关基因的研究,为生产上进行防治提供了理论基础。RNA干涉(RNA interference,RNAi)技术被广泛应用于基因功能研究,为BmNPV抗性品种培育提供了新的方法。随着分子标记技术的不断完善和应用,在家蚕抗性品种辅助选育方面也取得了一定的成果,并且有获得家蚕抗性新品种的报道。

关键词:家蚕;家蚕核型多角体病毒;抗性;基因;育种

中图分类号:S884.5+1;Q78;S882.2 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2011)16-3249-04

Gene of Bombyx mori Nuclear Polyhedrosis Virus and Disease Resistance Breeding

SUN Bo,ZHOU Hong-ying,WU Hong-li

(Institute of Industrial Crops, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China)

Abstract: The resistance of Bombyx mori to B. mori Nuclear polyhedrosis virus(BmNPV) was incomplete dominance,and was controlled by major gene on autosome and minor gene in sex chromosomes. The study on correlated gene of BmNPV enriched the theoretical foundation of disease prevention in production. The RNA interference technology was used extensively in research of gene function and provided a new method for breeding of BmNPV resistant variety. As the improving and application of molecular marker, some achievement in assisted selection of B. mori L. was obtained and some new BmNPV resistant varieties were reported.

Key words: Bombyx mori L.; BmNPV; resistance; gene; breeding

家蚕核型多角体病毒(Bombyx mori L. Nuclear polyhedrosis virus,BmNPV)是昆虫病毒史上首先发现的病毒,属于杆状病毒科,包涵体亚科;它引起的家蚕核型多角体病毒病是养蚕业三大病毒病中危害最为严重的一种。该病在世界养蚕国家常呈暴发态势,传染性极强,难以控制,危害最为严重,常造成巨大的经济损失。蚕业界多年来一直在寻找抗病基因,以阐明抗性机理、培育抗性品种,目前在很多领域已取得了一定的进展。

1传统抗BmNPV品种选育

家蚕遗传学试验表明,家蚕对BmNPV的抗性,无论是经创伤感染或经口感染,不同的品种存在着较大的差异[1]。家蚕对BmNPV抗性为不完全显性,在常染色体上由主效基因控制,在性染色体上有微效基因的协同作用存在[2],但抗性主基因至今无法鉴定。

传统的抗BmNPV品种选育,多通过添毒试验,获得具有该病毒抗性基因的品系,然后通过基因转育的方法获得抗性品种;或者通过转基因的方法获得抗性品种。在选育抗BmNPV家蚕品种时,首先找到抗性很强的品种做亲本材料,再将抗性导入经济性状优良的家蚕品种中,同时必须实行多代连续经口接种BmNPV以进行个体和蛾区(系统)选择;配制杂交组合时,中国系统品种、日本系统品种两方都应有强抗性的亲本,并且即使抗性品种(系统)大体稳定或育成,也还必须不断地进行BmNPV接种以强化抗性的选择。作为生产用的抗性杂交组合,其母种一代有必要再进行BmNPV接种的抗性选择,以保持其抗性。

朱勇等[3]以10个家蚕原种和2个家蚕杂交品种为材料,采用机率分析法研究了不同家蚕品种对BmNPV的抗性差异。结果表明,不同家蚕品种对BmNPV的抗性差异达到了极显著水平。抗性主要受微效多基因控制,并具有偏父性遗传现象,而且日本系统品种的抗性比中国系统品种强;这与1963年易文仲的研究报道一致,钱荷英等的报道也证实了这一点[4],并且杂交F1代对BmNPV的抗性存在较强的杂种优势。刘震等[5]对6个家蚕品种中肠消化酶活性与家蚕对BmNPV病毒抗性进行了比较与分析,结果表明,中肠消化酶活性越强的抗性越强,呈显著的正相关关系,可以把家蚕对BmNPV抗性与中肠消化酶活性的关系应用到家蚕抗性品种的选育中,把测定家蚕中肠消化酶活性作为选育和鉴定抗BmNPV病毒家蚕品种的一种辅助方法。

2抗BmNPV相关基因研究進展

1999年美日科学家合作完成了BmNPV(T3株)的全基因组测序,共鉴定了136个开放阅读框(ORF),其中包括了许多BmNPV繁殖的关键基因,如DNA解旋酶(DNA helicase)、DNA复制酶(DNA pol)、衣壳蛋白(Polyhedrin)等[6]。DNA解旋酶在病毒侵染家蚕的极早期表达,而病毒的早期表达基因更容易受到宿主因子的影响[7]。BmNPV的DNAhel基因与舞毒蛾核型多角体病毒(Lymantria dispar L. Nuclear polyhedrosis virus,LdNPV)的hrf-1基因和苜蓿银纹夜蛾核型多角体病毒(Actographa californica M. Nuclear polyhedrosis virus,AcNPV)的p147基因为同源基因,是病毒的宿主域因子。各种病毒重组试验证明,只要拥有了对应的宿主域因子,就可以在对应的宿主中繁殖,反之则不能繁殖[8,9]。杨金宏等[10]根据GenBank公布的BmNPV(13株)序列,设计引物对其DNA解旋酶基因的核心结构域进行了PCR扩增,结果成功克隆了该基因,并利用双酶切亚克隆构建了酵母双杂交诱饵载体PGBKT7。试验证明重组诱饵载体不能自激活,可以作为诱饵进行蛋白结合试验,该研究为抗BmNPV的家蚕品种鉴定提供了依据。

BmNPV的基因库为L33180,这对于家蚕核型多角体病毒的研究有很大的帮助。其中P10基因启动子控制BteryIA(b)截短基因,在AcNPV多角体基因上游ECOR V位点克隆构建有包膜(OCU+)的重组病毒I,可以将AcNPV宿主域扩展至家蚕等。P10基因是一个极晚期高表达的非必需结构基因,用它取代OCU基因(多角体蛋白基因)构建转移载体,将使重组病毒的包涵体外壳完整保留,适于作为基因工程病毒杀灭剂,具有较好的应用前景。P10基因与多角体形态发生及多角体膜的形成有关,可以为生产上进行家蚕核型多角体病毒病的防治提供理论基础。

3利用RNAi技术抗BmNPV研究进展

1995年,Sui等[11]在研究线虫parl基因功能时,首次发现双链RNA(dsRNA)能抑制特定基因的功能。1998年,Fire等[12]将dsRNA抑制特定基因表达的现象,正式命名为RNA干涉(RNA interference,RNAi),随后在许多生物中都相继发现存在RNAi现象。RNAi技术被广泛应用于基因功能研究,成为近年来发展应用最迅速的分子生物学技术,为家蚕核型多角体病毒抗性品种的培育提供了新的方法。

2004年,Isobe等[13]第一次报道了利用RNAi技术增强了转基因细胞及家蚕对BmNPV的抗性。在以BmNPV重要的晚期表达因子lef-1为靶基因的RNAi试验中,成功建立了表达lef-1双链RNA的转基因BmN细胞系,在转基因细胞及家蚕中均抑制了BmNPV的增殖,但是并没有降低感染病毒家蚕的死亡率。徐颖等[14]将体外转录的与DNA解旋酶基因和DNA聚合酶相对应的dsRNA转染到了家蚕培养细胞的BmN中,成功抑制了BmNPV的复制。夏定国等[15]以BmNPV复制必需的极早期基因ie-1和细胞释放型病毒CRV入侵关键基因gp64为靶序列,分别人工设计并体外转录出dsRNA I1(438 bp)和dsRNA G1(337 bp),用家蚕培养细胞BmN研究目标dsRNA对BmNPV复制、增殖的抑制效果。结果表明,dsRNA I1能有效地抑制BmNPV在BmN细胞中的增殖,最大抑制效果使培养液中的病毒滴度(TCID)比对照降低了104.30倍;dsRNA G1能显著地抑制新形成的病毒粒子的细胞侵染能力,最高可使培养液中的病毒滴度降低103.17倍,这为进一步通过转基因技术进行家蚕病毒病防治研究建立了技术基础。gp64是细胞出芽型病毒的囊膜蛋白,对BmNPV的细胞间传播起关键作用。如果抑制了gp64的表达,理论上就可以抑制BmNPV的繁殖。夏定国等[16]在体外合成dsRNA试验中,通过病毒滴度试验、实时定量RT-PCR法研究了gp64基因的不同区域、不同长度与RNAi效果的关系,结果表明,供试的6个dsRNA的最大抑制效果相当(滴度TCID50的最大抑制差值为4.00左右),经RNAi不同时间点的gp64 mRNA表达水平均明显出现了下调(P<0.01),其中48 h的gp64 mRNA的表达量约为对照的1/300。位于gp64 ORF的1390~1499位点(G3-3)是RNAi的较佳靶位点,为进一步构建与基因序列互补的RNAi质粒载体提供了依据。

黄科等[17]将BmNPV的DNA聚合酶基因、蛋白激酶(PK1)基因以及bro-d和orf1629基因的部分编码片段,分别以其反向重复的形式与家蚕Actin3启动子连接,构建了基于piggyBac转座子载体的转基因表达载体,通过显微注射于家蚕卵中,获得了36~107个G1蛾区,得到了20~23头转基因阳性家蚕。经Southern杂交及RT-PCR分析表明,BmNPV的4个反向重复片段都已经导入了家蚕基因组中,并且可以进行转录。攻毒试验结果表明,BmNPV的DNA聚合酶基因和PK1基因反向重复片段对病毒的增殖有抑制作用,从而使家蚕对BmNPV具有一定的抗性。而BmNPV的bro-d和orf1629基因反向重复片段对病毒的增殖没有抑制作用。在培养细胞中,导入BmNPV的DNA polymerase、DNA helicase以及IEl、gp64、lef-1等基因的dsRNA,都使BmNPV的复制得到显著的抑制。利用转基因家蚕持续稳定表达与BmNPV的复制必需基因同源的dsRNA,有可能增强家蚕对BmNPV的抗性,进而选育出高抗性的品种。

RNAi技术是近几年兴起的一项更有效、更特异、更彻底的转录后基因沉默技术,利用RNAi技术,破坏并抑制与病毒的宿主细胞识别蛋白、基因组复制因子、病毒结构蛋白等相关基因mRNA的翻译,是目前真核生物病毒病分子技术治疗的一个最新策略。

4从蛋白质组水平上研究家蚕对BmNPV的抗性

目前,家蚕抗BmNPV的研究主要是在致病机理、传染途径、DNA分子标记和转录水平等方面,家蚕蛋白质组水平研究还在刚起步阶段。蔡克亚等[18]利用遗传学原理,通过杂交和回交的方法,建立了家蠶抗BmNPV、感BmNPV以及近等基因系模型,利用2-D电泳和MALDI TOF/TOF MS质谱技术,从蛋白质组水平上研究家蚕对BmNPV的抗性。结果获得了家蚕高抗NB、高感306、近等基因系BC8五龄起家蚕血淋巴液蛋白质差异表达谱,分别获得了180、190、187个蛋白点,其中80%的蛋白点集中在等电点5~9范围之内。从3块凝胶上共获得明显差异蛋白点l2个,由质谱鉴定出5种蛋白,其中氨基酰化酶(Aminoacylase)仅出现在抗性品系NB、近等基因系图谱中,感性品系没有出现,初步推测是家蚕抗BmNPV特有蛋白,为首次报道。针对特定病毒基因的转基因RNAi技术,可使家蚕获得对该病毒的抗性,因而有望成为今后家蚕抗病育种的新手段。

5分子标记辅助育种研究进展

遗传标记是基因组研究的重要内容,是构建物种遗传图谱的基础。根据家蚕对BmNPV抗性遗传规律的特殊性,陈克平等[2]提出了常染色体上NN主基因和性染色体上Z+Z+修饰基因的控制假设,并得到试验的验证。利用近等基因系寻找抗性分子标记,其交配方式不同,可分别构建NN、Z+Z+、NNZ-Z+ 3种近等基因系,同时提出了F2群体寻找分子标记的交配方式。目前,已有多项分子标记技术用于家蚕基因组的研究,并构建了几种家蚕分子标记遗传图谱。刘晓勇等[19]在含有抗核型多角体病毒病主效基因的家蚕品系NB和高感品系306及其近等基因系BC9中,采用500个RAPD随机引物,分别在各个品系的DNA混合物中进行扩增以筛选分子标记,获得了与家蚕抗BmNPV病有关的3个分子标记,它们分别是OPF-072023、OPJ-131300、OPM-161200。其中OPF-072023标记通过各回交代检测,证明获得的标记真实、可靠;又对该分子标记的片段进行克隆、测序;通过该片段的生物信息学分析,意外地在家蚕Z染色体上发现了一个逆转位子的编码序列,值得进一步深入研究。

近年来,随着分子标记技术的不断完善,已经迅速地被应用于动植物新品种的选育过程中;在家蚕抗性品种辅助选育方面也取得了一定的成果,并且有获得抗性家蚕新品种的报道。姚勤等[20]对家蚕抗核型多角体病毒病以不同的杂交方式,构建了3种近等基因系,用RAPD技术筛选出了抗病主基因连锁分子标记OPA-18700和感病连锁分子标记OPY-11400;同时在群体中验证了抗性分子标记的有效性[21],并利用我国家蚕种质资源中发现的高抗BmNPV的品系NB和高感品系306,组配了近等基因系。采用RAPD技术获得分子标记,将标记转换成SCAR(Sequence characterized amplified region)标记,利用SCAR标记开展了家蚕抗性新品种的辅助育种选择,获得了家蚕抗BmNPV新品种。曹锦如等[22]利用分子标记技术向家蚕实用品种中导入核型多角体病毒病抗性基因,结果发现已报道的分子标记在不同品种间表现出差异,与抗性性状并非完全相关。添毒结合标记检测,筛选出抗性品种多化N和敏感性的实用品种春华,将其作为育种素材,又从特定品种多化N中获得了特异性连锁片段。通过组配近等基因系,结合添毒试验,在杂交组合BC3的F2代抗性个体中明显检测到了该标记,初步表明该分子标记具有一定的可靠性。

6展望

家蚕核型多角体病毒病危害严重,半个多世纪以来,人们对该病害的病原类型、侵染途径、预防方法、家蚕品种抗性、遗传规律,育种方法等诸多方面进行了研究。目前在生产上,以防为主、综合防治、培育对病原有较强抗性的家蚕新品种一直都是人们的努力方向。但是,由于家蚕对BmNPV的抗性为不完全显性,既受常染色体上的主效基因控制,又受性染色体上的微效基因协同作用,加之环境因素的影响,使传统的杂交育种方法难以育出实用性强的家蚕品种。

近年来,现代生物技术飞速发展,为家蚕抗病育种提供了理论基础和新的技术途径,并且已经有利用分子标记技术培育出家蚕抗BmNPV新品种的报道。但是,由于受家蚕的抗性遗传规律和品种选育的要求限制,在短时间内还难以得到稳定、优良的抗性品种。随着生物技术的发展,相信在家蚕抗性品种培育方面会有更大的进步。

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