中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (20): 4007-4021.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.20.007
钟梓春(), 吴洪鑫, 张杰, 郭玉静, 何柳燕, 许小霞, 金丰良, 庞锐(
)
收稿日期:
2024-06-22
接受日期:
2024-07-20
出版日期:
2024-10-16
发布日期:
2024-10-24
通信作者:
联系方式:
钟梓春,E-mail:18250129352@163.com。
基金资助:
ZHONG ZiChun(), WU HongXin, ZHANG Jie, GUO YuJing, HE LiuYan, XU XiaoXia, JIN FengLiang, PANG Rui(
)
Received:
2024-06-22
Accepted:
2024-07-20
Published:
2024-10-16
Online:
2024-10-24
摘要:
【目的】Toll受体(Toll receptor)是昆虫先天免疫系统中Toll信号通路中的关键效应因子之一。本文旨在鉴定3种稻飞虱(褐飞虱Nilaparvata lugens、白背飞虱Sogatella furcifera、灰飞虱Laodelphax striatellus)的Toll受体基因,探索Toll受体在3种稻飞虱中的潜在功能及其种间差异,为稻飞虱免疫发育研究以及稻飞虱的防控提供理论依据。【方法】利用生物信息学方法从3种稻飞虱的基因组中鉴定出Toll受体基因,分析其基因结构和特征、编码蛋白的理化性质及其结构域、染色体定位及系统发育进化关系。利用人工智能软件AlphaFold 3预测Toll受体的三维结构,并与目前已知结构和功能的其他物种Toll受体进行比较,预测其潜在功能及种间功能分化。通过转录组数据定量分析Toll受体基因在不同组织和不同发育阶段的表达情况。【结果】分别在褐飞虱、白背飞虱和灰飞虱基因组中鉴定出6、7和6个Toll受体基因,均分布在1、4、7号染色体上,且分布规律明显,3种稻飞虱的Toll受体基因家族均在1号、4号染色体上分布一个基因,其余分布在7号染色体上。3种稻飞虱Toll受体基因编码序列长度为2 676—4 158 bp,外显子数量1—7个,编码蛋白序列长度891—1 385 aa,分子量大小为103.31—158.25 kDa,理论等电点范围为5.42—6.54。系统发育分析表明,3种稻飞虱的Toll受体基因家族可以分为6个亚家族,分别与其他昆虫的Toll、Toll6、Toll7、Tollo(Toll8)以及Toll9同源。使用AlphaFold 3预测得到的胞外结构与其他物种Toll受体胞外结构比较分析结果显示,在白背飞虱的Toll受体基因家族中预测分析出2个Toll受体与病毒互作潜在相关,在灰飞虱中有1个Toll受体与病毒互作潜在相关,而在褐飞虱中没有匹配出相关的Toll受体。转录组定量结果表明,3种稻飞虱的Toll受体基因在不同组织和不同发育阶段间均有表达,推测其可能拥有不同功能,参与不同分工。【结论】在3种稻飞虱中鉴定出19个Toll受体基因,并分析预测了其相关结构和功能,发现3种稻飞虱的Toll受体在昆虫机体的发育和免疫,尤其是对病毒的免疫应答中发挥的功能可能存在差异。
钟梓春, 吴洪鑫, 张杰, 郭玉静, 何柳燕, 许小霞, 金丰良, 庞锐. 三种稻飞虱Toll受体基因家族比较分析[J]. 中国农业科学, 2024, 57(20): 4007-4021.
ZHONG ZiChun, WU HongXin, ZHANG Jie, GUO YuJing, HE LiuYan, XU XiaoXia, JIN FengLiang, PANG Rui. Comparative Analysis of the Toll Receptor Gene Families in Three Species of Rice Planthoppers[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(20): 4007-4021.
表1
3种稻飞虱Toll受体基因家族成员鉴定及特征"
基因名 Gene name | 基因组id Genome identifier | 染色体位置Locus | CDS长度 CDS length (bp) | 外显子数目 Exon count | 正负链 位置 Strand | 氨基酸数量 Amino acid count | 分子量 Molecular weight (kDa) | 等电点 Isoelectric point | 不稳定系数 Instability index | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
染色体 Chromosome | 起始位置 <BOLD>S</BOLD>tarting | 终止位置 <BOLD>E</BOLD>nding | |||||||||
NlToll1 | LOC111055850 | Chr1 | 79753369 | 79822973 | 3351 | 6 | + | 1116 | 126.70 | 5.75 | 39.62 |
NlToll2 | LOC111062857 | Chr4 | 53973743 | 53997406 | 2676 | 7 | + | 891 | 103.31 | 5.91 | 38.10 |
NlToll3 | LOC111049148 | Chr7 | 43423988 | 43538904 | 3909 | 2 | - | 1302 | 150.69 | 6.03 | 47.58 |
NlToll4 | LOC111064393 | Chr7 | 49257891 | 49263068 | 3846 | 2 | - | 1281 | 146.01 | 5.59 | 38.73 |
NlToll5 | LOC111056049 | Chr7 | 50148873 | 50196808 | 3975 | 2 | - | 1324 | 146.42 | 5.57 | 46.19 |
NlToll6 | LOC111056401 | Chr7 | 57508998 | 57767470 | 3810 | 2 | + | 1270 | 145.31 | 5.53 | 44.82 |
SfToll1 | Sfur012514 | Chr1 | 63573403 | 63639166 | 3363 | 6 | + | 1120 | 126.92 | 6.01 | 41.32 |
SfToll2 | Sfur012217 | Chr4 | 4083510 | 4099003 | 2733 | 7 | + | 910 | 107.20 | 6.54 | 37.08 |
SfToll3 | Sfur014773 | Chr7 | 10836279 | 10942139 | 3888 | 3 | + | 1295 | 145.67 | 5.44 | 48.11 |
SfToll4 | Sfur014910 | Chr7 | 25119800 | 25125233 | 4158 | 5 | - | 1385 | 158.25 | 6.03 | 47.76 |
SfToll5 | Sfur015175 | Chr7 | 26011622 | 26043098 | 3864 | 2 | - | 1287 | 146.71 | 5.55 | 39.78 |
SfToll6 | Sfur015206 | Chr7 | 27226151 | 27230098 | 3918 | 2 | + | 1305 | 148.36 | 6.06 | 47.28 |
SfToll7 | Sfur015067 | Chr7 | 27367526 | 27371473 | 3918 | 2 | + | 1305 | 148.37 | 6.06 | 47.28 |
LsToll1 | Lstr008514 | Chr1 | 48547956 | 48560133 | 3087 | 6 | + | 1028 | 116.76 | 6.05 | 38.29 |
LsToll2 | Lstr021969 | Chr4 | 1327721 | 1348391 | 2724 | 7 | - | 907 | 106.02 | 5.77 | 38.55 |
LsToll3 | Lstr001715 | Chr7 | 8226430 | 8256447 | 3981 | 2 | - | 1326 | 150.61 | 6.09 | 48.13 |
LsToll4 | Lstr001664 | Chr7 | 10019204 | 10023088 | 3885 | 1 | - | 1294 | 145.64 | 5.42 | 47.44 |
LsToll5 | Lstr000663 | Chr7 | 21157348 | 21161193 | 3846 | 1 | - | 1281 | 146.40 | 5.58 | 44.05 |
LsToll6 | Lstr000721 | Chr7 | 21612317 | 21766732 | 3855 | 3 | - | 1284 | 146.40 | 5.60 | 38.63 |
图2
3种稻飞虱Toll受体基因家族的染色体定位及基因组共线性 A:Toll受体基因家族在染色体上的分布,绿色表示褐飞虱染色体,橙色表示白背飞虱染色体,蓝色表示灰飞虱染色体The distribution of the Toll receptor gene family on the chromosomes, green represents the chromosomes of N. lugens, orange represents the chromosomes of S. furcifera, and blue represents the chromosomes of L. striatellus;B:基因组共线性分析,蓝色线条表明3种稻飞虱种间同源Toll受体基因Genome collinearity analysis, blue lines show the homologous Toll receptor genes among the three species"
图4
3种稻飞虱Toll受体三维结构及相似性分析 A:Toll受体蛋白的三维结构,圆圈标记部分表示TIR结构域The three-dimensional structure of the Toll receptor proteins. The circled part represents the TIR domain;B:Toll受体相似性比较聚类热图及聚类层次树,聚类热图中黄色表示TM值小于0.5,蓝色表示TM值大于0.5;TM值大于0.5,聚类树中聚类层次相近被认为相似The Toll receptor similarity comparison clustering heatmap and the hierarchical clustering dendrogram are illustrated. In the clustering heatmap, yellow denotes a TM value less than 0.5, and blue indicates a TM value greater than 0.5. Clusters with TM values exceeding 0.5 and similar hierarchical levels in the dendrogram are considered to be similar"
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