中华蜜蜂幼虫肠道中微小RNA的鉴定及分析

【目的】利用small RNA-seq(sRNA-seq)技术和生物信息学方法对中华蜜蜂(Apis cerana cerana,简称中蜂)幼虫肠道的微小RNA(microRNA,miRNA)进行全转录组鉴定和分析,旨在丰富中蜂的miRNA信息,并为深入研究miRNA调控中蜂幼虫肠道发育的分子机理提供依据。【方法】利用sRNA-seq技术对中蜂4、5和6日龄幼虫肠道样品(Ac1、Ac2和Ac3)进行测序,通过数据质控获得有效标签序列(clean tags)。采用Blast工具将clean tags连续比对东方蜜蜂(Apis cerana)基因组和miRBase数据库,以鉴定保守miRNA和新miRNA。采用TPM法对miRNA的表达量进行归一化处理。通过GraphPad Prism7软件统计各组肠道样品中sRNA占比、miRNA长度分布及首位碱基偏向性。利用相关软件预测上述miRNA靶向的mRNA并进行GO和KEGG数据库注释。进一步根据靶向结合关系构建和分析注释到发育和免疫相关通路的基因及其靶向miRNA的调控网络,并利用Cytoscape软件进行可视化。利用茎环反转录PCR(Stem-loop RT-PCR)、分子克隆和Sanger测序验证miRNA的表达和序列的真实性。【结果】共鉴定到中蜂的371个保守miRNA和64个新miRNA;这些miRNA的长度介于18—25 nt且首位碱基主要偏向于U;上述miRNA共靶向14 750条mRNA,涉及离子结合、金属离子结合、细胞膜、细胞膜组件和单一有机体进程等2 270个GO条目,以及内吞作用、细胞凋亡、mTOR信号通路、RNA转运和昆虫激素的生物合成等332条KEGG通路。进一步分析结果显示156个miRNA与注释到Wnt、Hippo、Notch和mTOR等生长发育相关通路的67个靶基因存在调控关系,145个miRNA与注释到Toll、Imd/JNK、Jak-STAT和抗菌效应因子等免疫相关途径的21个靶基因存在调控关系。Stem-loop RT-PCR结果显示miR-8-y、miR-9-z、miR-14-y、miR-281-y、miR-283-x和miR-306-x均能扩增出预期的特异性片段;Sanger测序结果显示上述6个miRNA的序列与深度测序结果一致。【结论】提供了中蜂miRNA的数量、结构特征和表达谱;揭示中蜂幼虫肠道miRNA潜在调控诸多生命进程与细胞活动;中蜂幼虫肠道的部分miRNA可通过靶向结合相应的mRNA参与调节发育和免疫相关途径。

参与调控意大利蜜蜂工蜂中肠基因表达的东方蜜蜂微孢子虫miRNA的组学解析及其调控网络

【目的】本研究结合前期已获得的miRNA和mRNA组学数据对东方蜜蜂微孢子虫Nosema ceranae的差异表达miRNA(differentially expressed miRNA,DEmiRNA)靶向意大利蜜蜂Apis mellifera ligustica工蜂中肠的mRNA和差异表达mRNA(differentially expressed mRNA,DEmRNA)进行生物信息学预测、数据库注释和调控网络分析,旨在解析东方蜜蜂微孢子虫对意大利蜜蜂工蜂中肠的基因表达调控。【方法】比较东方蜜蜂微孢子虫感染7 d(AmT1)和10 d(AmT2)的意大利蜜蜂工蜂中肠和未感染中肠(分别为AmCK1和AmCK2)的mRNA数据,筛选意大利蜜蜂工蜂的显著性DEmRNA;通过比较侵染AmT1和AmT2的东方蜜蜂微孢子虫(分别为NcT1和NcT2)和东方蜜蜂微孢子虫纯净孢子(NcCK)的miRNA数据筛选出东方蜜蜂微孢子虫的DEmiRNA。利用TargetFinder软件预测东方蜜蜂微孢子虫DEmiRNA靶向的意大利蜜蜂工蜂中肠DEmRNA。利用相关生物信息学工具对上述意大利蜜蜂工蜂中肠靶DEmRNA进行GO和KEGG数据库注释。根据KEGG数据库注释信息筛选出意大利蜜蜂工蜂中肠免疫防御和能量代谢通路相关DEmRNA,并构建和分析上述DEmRNA与相应的东方蜜蜂微孢子虫DEmiRNA之间的调控网络。【结果】NcCK vs NcT1比较组中东方蜜蜂微孢子虫的77条显著上调miRNA和52条显著下调miRNA可分别靶向AmCK1 vs AmT1比较组中意大利蜜蜂工蜂中肠的118条显著下调mRNA和135条显著上调mRNA,这些mRNA可分别注释到31和25个GO条目,以及113和107条KEGG通路。NcCK vs NcT2比较组中东方蜜蜂微孢子虫的52条显著上调miRNA和49条显著下调miRNA可分别靶向AmCK2 vs AmT2比较组中意大利蜜蜂工蜂中肠的97条显著下调mRNA和210条显著上调mRNA,这些mRNA可分别注释到27和30个GO条目以及97和127条KEGG通路。NcCK vs NcT1和NcCK vs NcT2比较组中的11条共同显著上调miRNA和19条共同显著下调miRNA分别靶向AmCK1 vs AmT1和AmCK2 vs AmT2比较组的6条共同显著下调和14条共同显著上调mRNA,可分别注释到7和10个GO条目以及0和9条KEGG通路。NcCK vs NcT1和NcCK vs NcT2比较组中东方蜜蜂微孢子虫的DEmiRNA可靶向AmCK1 vs AmT1和AmCK2 vs AmT2比较组中意大利蜜蜂工蜂中肠的氧化磷酸化和硫代谢等能量代谢通路相关DEmRNA,以及胞吞作用、黑色素生成、溶酶体、自噬、Toll样受体信号通路、细胞凋亡、Ras信号通路、泛素介导的蛋白水解和MAPK信号通路等免疫防御通路相关DEmRNA。进一步分析发现,miR-216-x,miR-5119-y,bantam-y和miR-8-y在NcCK vs NcT1和NcCK vs NcT2比较组中皆显著上调表达,且靶向意大利蜜蜂工蜂中肠的溶酶体、黑色素生成、泛素介导的蛋白水解、MAPK信号通路及Ras信号通路等免疫防御通路相关的显著下调mRNA。【结论】在侵染过程中,东方蜜蜂微孢子虫的DEmiRNA对意大利蜜蜂工蜂的基因表达具有广泛的潜在影响,东方蜜蜂微孢子虫可能通过上调部分miRNA跨界调控意大利蜜蜂工蜂的免疫防御以促进侵染,通过下调部分miRNA跨界调控意大利蜜蜂工蜂的能量代谢以加强能量窃取并促进增殖。

蜜蜂球囊菌菌丝和孢子中全长转录本的差异表达分析

【目的】本研究旨在探究蜜蜂球囊菌Ascosphaera apis(简称“球囊菌”)菌丝(Aam)和孢子(Aas)中的全长转录本与菌丝生长、孢子萌发以及有性生殖的相关性。【方法】将前期获得的Aam和Aas的Nanopore长读段测序数据中的有效读段与球囊菌参考基因组注释的已知转录本进行序列比对,获取全长转录本与已知转录本的对应信息。利用生物信息学方法对Aam和Aas的全长转录本进行差异表达、功能注释以及结构特征分析。【结果】Aam和Aas共有的全长转录本数量为19966条,特有的全长转录本数量分别为1273和2856条。Aas vs Aam比较组含有3230条差异表达转录本(differentially expressed transcripts,DETs),包含3072条上调和158条下调。GO功能注释结果显示,这些DETs涉及代谢进程、细胞、催化活性等GO条目。KEGG注释结果显示,这些DETs注释到内吞作用、MAPK信号通路、糖酵解/糖异生、碳代谢以及氨基酸的生物合成等相关通路。进一步分析发现,部分全长转录本的剪接异构体在Aam和Aas中具有不同的表达量和结构。【结论】本研究发现球囊菌在菌丝和孢子两个不同阶段伴随着转录本表达量和结构的变化,研究结果为深入探究不同剪接异构体在球囊菌的菌丝生长、孢子萌发和有性生殖中的分子功能提供了理论依据和数据基础。

基于蜜蜂球囊菌纳米孔测序数据的基因非翻译区延长、SSR位点发掘及未注释基因和转录本鉴定

【目的】利用已获得的纳米孔长读段测序数据完善现有的蜜蜂球囊菌Ascosphaera apis参考基因组注释信息,并对未注释的新基因和新转录本进行鉴定和功能注释。【方法】基于已获得的纳米孔长读段测序数据,采用gffcompare软件将蜜蜂球囊菌全长转录本与参考基因组注释的转录本进行比较,进而对参考基因组注释基因的非翻译区(untranslated region,UTR)进行延长。利用TransDecoder软件对蜜蜂球囊菌基因的开放阅读框(open reading frame,ORF)及相应的氨基酸序列进行预测。通过MISA软件发掘长度在500 bp以上的全长转录本的SSR位点。通过Blast工具将鉴定到的新基因和新转录本比对Nr,KOG,eggNOG,Swiss-Prot,Pfam,GO和KEGG数据库进行功能注释。【结果】共对蜜蜂球囊菌的9481个基因进行了UTR延长,其中5′UTR和3′UTR延长的基因分别有4744和4737个。共预测出10492个完整ORF,其中编码长度分布在0~100和100~200个氨基酸的ORF最多,分别占ORF总数的38.96%和36.90%。共鉴定到5286个SSR,其中单核苷酸重复、二核苷酸重复、三核苷酸重复、四核苷酸重复、五核苷酸重复和六核苷酸重复的SSR分别为1870,826,2398,138,43和11个。共鉴定到1558个新基因,其中有1556,731,330,592,1177,709和589个新基因可分别被注释到Nr,Swiss-Prot,Pfam,KOG,eggNOG,GO和KEGG数据库。此外,还鉴定到14403条新转录本,其中有14376,8524,7276,7405,12035,7891和6855条新转录本可分别被注释到上述7个数据库。【结论】本研究利用已获得的纳米孔长读段测序数据对蜜蜂球囊菌的完整ORF进行了预测,对参考基因组的已注释基因进行了UTR延长,对未注释的SSR位点进行了发掘,此外还鉴定到大量未注释的新基因和新转录本,并对它们进行了功能注释。研究结果较好地完善了现有的蜜蜂球囊菌的基因组注释,为其组学和分子生物学研究的深入开展提供了基础。

微小RNA介导意大利蜜蜂工蜂对东方蜜蜂微孢子虫的跨界调控

【目的】东方蜜蜂微孢子虫(Nosema ceranae)感染意大利蜜蜂(Apis mellifera ligustica,简称意蜂)导致蜜蜂微孢子虫病。本研究结合前期已获得的miRNA和mRNA组学数据,通过生物信息学方法对意蜂工蜂中肠的差异表达miRNA(differentially expressed miRNA,DEmiRNA)靶向结合的东方蜜蜂微孢子虫的mRNA和差异表达mRNA(DEmRNA)进行预测、数据库注释和调控网络分析,以期在组学水平解析miRNA介导意蜂工蜂对东方蜜蜂微孢子虫的跨界调控机制。【方法】通过比较东方蜜蜂微孢子虫侵染7 d和10 d的意蜂工蜂中肠(AmT1、AmT2)和未受侵染的工蜂中肠(AmCK1、AmCK2)的miRNA组学数据筛选出宿主的显著性DEmiRNA,通过比较侵染意蜂工蜂中肠的东方蜜蜂微孢子虫(NcT1、NcT2)和东方蜜蜂微孢子虫纯净孢子(NcCK)的mRNA数据筛选出病原的DEmRNA。利用TargetFinder软件预测宿主显著性DEmiRNA靶向结合的病原mRNA和DEmRNA。利用相关生物信息学工具对上述靶DEmRNA进行GO和KEGG数据库注释。结合前期研究结果筛选出孢壁蛋白、极管蛋白、蓖麻毒素B凝集素、ABC转运蛋白、ATP/ADP移位酶和糖酵解/糖异生途径等毒力因子和能量代谢通路相关的病原DEmRNA及与其存在靶向结合关系的宿主显著性DEmiRNA,并构建和分析二者的调控网络。【结果】AmCK1 vs AmT1比较组中宿主的48条显著上调miRNA和36条显著下调miRNA分别靶向病原的1345和1046条mRNA;进一步分析发现,宿主的47条显著上调miRNA和34条显著下调miRNA可分别靶向NcCK vs NcT1比较组中病原的584条显著下调mRNA和265条显著上调mRNA,它们可分别注释到19和22个功能条目以及66和64条通路。AmCK2 vs AmT2比较组中宿主的56条显著上调miRNA和51条显著下调miRNA分别靶向病原的1260和1317条mRNA;进一步分析发现,宿主的52条显著上调miRNA和49条显著下调miRNA可分别靶向NcCK vs NcT2比较组中病原的587条显著下调mRNA和336条显著上调mRNA,它们可分别注释到20和23个功能条目以及64和65条通路。AmCK1 vs AmT1和AmCK2 vs AmT2比较组的8条共同显著上调miRNA和1条共同显著下调miRNA分别靶向NcCK vs NcT1和NcCK vs NcT2比较组中的144条共同显著下调和10条共同显著上调mRNA,可分别注释到18和13个功能条目以及38和7条通路。此外,AmCK1 vs AmT1和AmCK2 vs AmT2比较组中宿主的显著上调miRNA可靶向结合NcCK vs NcT1和NcCK vs NcT2比较组中与RNAi途径,孢壁蛋白和蓖麻毒素B凝集素等毒力因子,糖酵解/糖异生途径以及MAPK信号通路相关的病原下调表达mRNA。【结论】在东方蜜蜂微孢子虫的侵染过程中,意蜂工蜂中肠的DEmiRNA与病原的DEmRNA之间存在复杂的靶向结合关系以及潜在的跨界调控关系;宿主的DEmiRNA可能通过抑制或降解病原的RNAi途径、毒力因子、糖酵解/糖异生通路、ATP/ADP移位酶、ABC转运蛋白及MAPK信号通路相关靶DEmRNA影响病原的侵染和增殖。

过表达和敲减ame-miR-13b对意大利蜜蜂幼虫肠道内基因表达的影响

【目的】微小RNA(microRNAs,miRNAs)在昆虫的繁殖、发育和免疫等重要生命活动的调控过程中扮演关键角色。本研究旨在探究在意大利蜜蜂Apis mellifera ligustica幼虫个体水平过表达与敲减ame-miR-13b对其靶基因表达的影响,为深入探究ame-miR-13b调控意大利蜜蜂幼虫肠道发育的分子机理提供理论和实验依据。【方法】根据ame-miR-13b的核苷酸序列设计合成相应的模拟物mimic-ame-miR-13b和抑制物inhibitor-ame-miR-13b及其对照mimic-NC和inhibitor-NC,混入饲料后饲喂意大利蜜蜂3日龄幼虫,每12 h更换一次饲料,连续饲喂6次,以分别过表达和敲减ame-miR-13b;通过RT-qPCR检测过表达和敲减ame-miR-13b后意大利蜜蜂幼虫肠道中ame-miR-13b及其靶基因Ecr,Egfr和P45018a1的表达量。【结果】与mimic-NC饲喂组相比,mimic-ame-miR-13b饲喂组中ame-miR-13b在意大利蜜蜂4和6日龄幼虫肠道中均显著上调表达;与饲喂inhibitor-NC组相比,inhibitor-ame-miR-13b饲喂组中ame-miR-13b在4日龄幼虫肠道中下调表达,在5和6日龄幼虫肠道中显著下调表达。与mimic-NC饲喂组相比,过表达ame-miR-13b组中意大利蜜蜂6日龄幼虫肠道中Egfr的表达量显著降低,而Ecr和P45018a1的表达量均显著升高。与inhibitor-NC饲喂组相比,敲减ame-miR-13b组中意大利蜜蜂6日龄幼虫肠道中Egfr上调表达但不显著,Ecr显著上调表达,而P45018a1显著下调表达。【结论】通过饲喂法在意大利蜜蜂幼虫个体中成功实现了miRNA的过表达和敲减;ame-miR-13b与Egfr之间存在潜在的负调控关系。

中华蜜蜂6日龄幼虫响应蜜蜂球囊菌侵染的长链非编码RNA应答研究

【目的】本研究旨在探究长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)在中华蜜蜂(Apis cerana cerana,简称中蜂)6日龄幼虫应答蜜蜂球囊菌(Ascosphaera apis,简称球囊菌)侵染过程中的差异表达谱及调控作用。【方法】利用链特异性cDNA建库的RNA-seq技术对未被侵染及球囊菌侵染的中蜂6日龄幼虫肠道(AcCK和AcT)进行深度测序。通过相关生物信息学软件分析lncRNA的结构特征和表达谱。筛选并分析差异表达lncRNA(differentially expressed lncRNA,DElncRNA)的顺式(cis)作用及竞争性内源RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)调控网络。采用RT-qPCR验证测序数据及DElncRNA差异变化趋势的可靠性。【结果】AcCK和AcT共预测出642个已知lncRNA和487个新lncRNA。与蛋白编码基因相比,上述中蜂lncRNA外显子数更少、长度更短且表达量更低。43个antisense lncRNA与40个正义链mRNA之间互补配对。AcCK和AcT比较组包含367个上调lncRNA和268个下调lncRNA。有194个DElncRNA潜在调控461个上下游基因,并涉及细胞进程、代谢进程和催化活性等38个功能条目以及氨基酸代谢、内吞作用和MAPK等191条通路。此外,有180个DElncRNA可靶向结合50个DEmiRNA,进而调控6365个mRNA;三者之间形成较为复杂的ceRNA调控网络。【结论】中蜂6日龄幼虫肠道的部分lncRNA可作为antisense lncRNA参与应答球囊菌侵染;部分DElncRNA可通过cis作用调节物质代谢和免疫途径相关的上下游基因,从而介导宿主的侵染应答;TCONS_00010661和TCONS_00003104等DElncRNA可通过ceRNA网络调控Jak-STAT和氧化磷酸化等通路及富集基因,进而参与宿主的侵染应答。

蜜蜂球囊菌菌丝和孢子中毒力因子相关全长转录本的鉴定及分析

【目的】蜜蜂球囊菌Ascosphaera apis是一种专性侵染蜜蜂幼虫而导致白垩病的致死性真菌病原。基于前期已获得的高质量纳米孔(Nanopore)长读段测序数据,对蜜蜂球囊菌菌丝(AaM)和孢子(AaS)中的毒力因子相关全长转录本进行鉴定和分析,为毒力因子相关剪接异构体的功能研究提供参考信息和基础。【方法】利用BLAST工具,将AaM和AaS中的所有全长转录本比对Nr数据库,以鉴定蜜蜂球囊菌的毒力因子(几丁质酶、脂肪酶、水解酶和蛋白酶)相关的全长转录本。使用minimap2软件,将AaM和AaS中的全长转录本序列与蜜蜂球囊菌参考基因组注释的已知转录本序列进行比对,将比对到参考基因组的全长转录本进行归一化处理,再通过每百万计数法(Counts per million,CPM)计算毒力因子相关全长转录本的表达量。利用百迈克云平台的相关工具绘制转录本的表达量聚类热图。通过IGV浏览器对部分毒力因子相关全长转录本结构进行可视化。【结果】在AaM鉴定到毒力因子相关的367个基因及407个全长转录本,包括12条几丁质酶相关全长转录本,48条脂肪酶相关全长转录本,289条水解酶相关全长转录本,58条蛋白酶相关全长转录本。在AaS鉴定到毒力因子相关367个基因及400个全长转录本,包括14条几丁质酶相关全长转录本,63条脂肪酶相关全长转录本,267条水解酶相关全长转录本,56条蛋白酶相关全长转录本。另外,AaM和AaS特有的毒力因子(几丁质酶、脂肪酶)相关全长转录本分别有0条和17条,共有的毒力因子相关全长转录本有60条。进一步分析发现,蜜蜂球囊菌的部分毒力因子基因可通过可变剪接形成多条剪接异构体。【结论】共鉴定到蜜蜂球囊菌毒力因子(几丁质酶、脂肪酶、水解酶和蛋白酶)相关的367个基因和486条全长转录本;相比于蜜蜂球囊菌参考基因组注释的转录本,绝大多数毒力因子基因对应的全长转录本数量更多且结构更为复杂。研究结果丰富了蜜蜂球囊菌毒力因子相关基因和转录本的注释信息,为毒力因子相关剪接异构体的功能研究提供了基础,也为白垩病防控提供了潜在靶点。

侵染中华蜜蜂6日龄幼虫的蜜蜂球囊菌的微小RNA差异表达谱及调控网络

【目的】蜜蜂球囊菌(Ascosphaeraapis,简称球囊菌)是专性侵染蜜蜂幼虫的致死性真菌病原。MicroRNA(miRNA)作为一类重要的基因表达调控因子,能够广泛参与真菌及其宿主的相互作用过程。本研究通过比较分析球囊菌孢子(AaCK)和侵染中华蜜蜂(Apis cerana cerana,简称中蜂)6日龄幼虫肠道内的球囊菌(AaT)的smallRNA(sRNA)组学数据对球囊菌的差异表达miRNA(differentiallyexpressed miRNA,DEmiRNA)、靶mRNA及二者间的调控网络进行全面解析,旨在揭示miRNA介导的球囊菌对中蜂幼虫的侵染机制。【方法】对于球囊菌侵染的中蜂6日龄幼虫肠道的small RNA-seq(sRNA-seq)数据,利用BLAST工具连续比对东方蜜蜂(Apiscerana)和球囊菌的参考基因组筛滤得到AaT的sRNA组学数据。分别将AaCK和AaT的sRNA组学数据比对miRBase数据库,对球囊菌侵染宿主前后miRNA的数量和结构特征进行分析。联用RNAhybrid+svm_light、Miranda和TargetScan软件预测AaCK vs AaT比较组中DEmiRNA的靶mRNA,进而利用相关生物信息学软件对上述靶mRNA进行GO分类和KEGG代谢通路富集分析。通过Cytoscape软件对DEmiRNA-mRNA调控网络进行可视化。利用Stem-loop RT-PCR、RT-qPCR和分子克隆验证测序结果的可靠性。【结果】在AaCK和AaT中分别鉴定到380和387个miRNA。结构特征分析结果显示,AaCK和AaT的mi RNA皆集中分布在18–25 nt,且首位碱基主要偏向于U。AaCKvsAaT比较组共有270个DEmiRNA,包含155个上调miRNA和115个下调miRNA,分别靶向结合6091和6145个mRNA。GO分类结果显示,上述靶mRNA主要涉及代谢进程、细胞进程、应激反应等15个生物学进程;细胞、细胞组分、细胞器等12个细胞组分;催化活性、结合、转运子活性等11个分子功能。KEGG代谢通路富集分析结果显示,上述靶mRNA富集在123条代谢通路,参与对氨基酸代谢、碳水化合物代谢以及核苷酸代谢等物质代谢,氧化磷酸化、硫代谢、氮代谢等能量代谢,以及MAPK和Hippo等信号通路的调控。球囊菌DEmiRNA与靶mRNA之间存在复杂的调控关系,其中miR-29-x、miR-250-x、miR-4968-y、miR-11200-x、novel-m0023-5p、novel-m0130-5p和novel-m0135-5p等DEmiRNA可靶向结合与球囊菌的半胱氨酸蛋白酶、DNA甲基化转移酶以及几丁质酶相关的mRNA;此外,miR-7-x、miR-9-z、miR-319-y和miR-5951-y等同时参与调控MAPK信号通路;进一步分析发现,miR-250-x同时参与对DNA甲基化转移酶、MAPK信号通路及其他酶类合成与代谢途径的调控,并可能参与球囊菌与中蜂6日龄幼虫之间的跨界调控。通过Stem-loopRT-PCR和RT-qPCR验证了4个DEmiRNA的差异表达,并利用分子克隆和Sanger测序证实miR-7-x的序列与测序结果一致。【结论】本研究解析了侵染中蜂6日龄幼虫的球囊菌的miRNA差异表达谱及DEmiRNA的调控网络,揭示了球囊菌DEmiRNA可能通过调控病原的物质和能量代谢、增殖、毒力、信号通路及相关mRNA参与对中蜂幼虫的侵染过程。miR-7-x、miR-250-x、novel-m0023-5p等关键DEmiRNA有望作为白垩病治疗的新型分子靶点。