文章題目：Transcriptomic analysis reveals Apis mellifera adaptations to high temperature and high humidity
發(fā)表期刊：Ecotoxicology and Environmental Safety
技術(shù)手段：RNA-Seq
派森諾生物與山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所攜手合作，于近期在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上發(fā)表了蜜蜂對(duì)高溫、高濕環(huán)境適應(yīng)性的研究成果，影響因子4.5。
研究背景
溫度和濕度是影響昆蟲生長、繁殖和生存的重要因素。蜜蜂（Apis mellifera）是重要的傳粉昆蟲，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，然而，農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)較高的溫度和濕度卻不利于蜜蜂的生存。雖然以往的研究已經(jīng)揭示了蜜蜂適應(yīng)高溫高濕環(huán)境的行為反應(yīng)和生理機(jī)制，但有關(guān)其分子機(jī)制的確切描述卻很少。本實(shí)驗(yàn)利用Illumina測(cè)序技術(shù)，對(duì)高溫、高濕處理下的蜜蜂成蟲進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，并對(duì)基因表達(dá)特征進(jìn)行了研究。通過識(shí)別關(guān)鍵的溫度、濕度調(diào)節(jié)基因，旨在對(duì)蜜蜂適應(yīng)極端氣候的分子機(jī)制提供理論依據(jù)。
研究方法
測(cè)序樣本：蜜蜂；按照溫度和濕度處理的不同，共分4個(gè)處理組，分別為對(duì)照、高溫、高濕和高溫高濕。
測(cè)序平臺(tái)：Illumina HiSeq
研究思路：
研究結(jié)果
1、差異基因分析
從該結(jié)果可見，T組與CK組相比，上調(diào)差異基因明顯多于下調(diào)，暗示蜜蜂對(duì)高溫環(huán)境敏感：高溫脅迫可誘導(dǎo)相關(guān)基因表達(dá)，并能迅速對(duì)極端環(huán)境做出反應(yīng)，應(yīng)對(duì)不利條件。而RH組與CK組相比差異基因較少，說明高濕環(huán)境對(duì)蜜蜂的影響較小。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，T組、TH組與CK的差異基因中包含昆蟲耐熱性相關(guān)基因，如熱休克蛋白（HSPs）基因、鋅指蛋白（ZFPs）基因和絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（STKs）基因。以HSPs為例，該蛋白與昆蟲耐熱性密切相關(guān)，它可減少高溫對(duì)熱敏蛋白的損傷，維持細(xì)胞內(nèi)現(xiàn)有蛋白的完整性。與CK組相比，T組、TH組中鑒定到9個(gè)上調(diào)表達(dá)HSPs基因，而RH組與CK組的差異基因中并未鑒定到這類基因。說明HSPs基因?qū)釕?yīng)激明顯響應(yīng)，在蜜蜂的耐熱性調(diào)控過程中發(fā)揮著重要作用。
圖1 差異表達(dá)基因的生物信息學(xué)分析
圖2 維恩圖（A）和差異表達(dá)基因的聚類分析（B）
2、差異基因的GO和KEGG富集分析
隨后對(duì)差異基因進(jìn)行功能富集分析。GO富集顯示，T組與CK組的差異基因主要富集于生物過程，尤其是新陳代謝相關(guān)條目，且上調(diào)差異基因多富集于耐熱性相關(guān)條目，如：生物過程（脂類、蛋白質(zhì)和氨基酸的生物合成和代謝、離子運(yùn)輸、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)）、分子功能（DNA結(jié)合和門控通道活性、激酶和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）和細(xì)胞成分（細(xì)胞、細(xì)胞組分和蛋白質(zhì)復(fù)合物）；TH組的結(jié)果與T組基本類似。
KEGG富集分析顯示，T組與CK組的差異基因主要富集于代謝相關(guān)通路，如酪氨酸、嘧啶、苯丙氨酸和脂肪酸的代謝，其中營養(yǎng)物質(zhì)的代謝富集程度最高。此外，差異基因也富集于代謝信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，如Wnt通路、MAPK通路、PI3K-Akt通路和磷脂酰肌醇系統(tǒng)；RH組與CK組的差異基因主要富集于脂肪酸、酪氨酸、色氨酸、嘧啶和甘油磷脂相關(guān)的代謝信號(hào)通路；TH組的結(jié)果與T組基本類似。已有研究證實(shí)，高溫應(yīng)激可引起昆蟲體內(nèi)一系列代謝反應(yīng)，KEGG富集分析證實(shí)，高溫脅迫下蜜蜂的營養(yǎng)代謝增強(qiáng)，這或許是其耐高溫的機(jī)制之一。
圖3 差異表達(dá)基因的KEGG富集分析
3、RT-qPCR驗(yàn)證轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果
為驗(yàn)證轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果，對(duì)28個(gè)差異基因進(jìn)行了RT-qPCR分析。結(jié)果表明，雖因方法學(xué)上的差異導(dǎo)致結(jié)果略有偏倚，但RT-qPCR的表達(dá)模式與轉(zhuǎn)錄組分析趨勢(shì)基本一致（表1），從而證實(shí)了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的數(shù)據(jù)是真實(shí)可靠的。
表1 相關(guān)差異基因的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序與RT-qPCR分析結(jié)果
4、差異基因的表達(dá)模式
通過RT-qPCR分析，測(cè)定了7個(gè)與耐熱機(jī)制相關(guān)差異基因：Hsp90、Hsp83、Hsp70Ab、Zfp37、Stk-6、Pod和Cyp450在不同溫度、不同時(shí)間處理下的表達(dá)模式；同時(shí)測(cè)定了2個(gè)與濕度相關(guān)的差異基因：Pla2和Afp在不同濕度、不同時(shí)間處理下的表達(dá)模式。結(jié)果顯示：HSPs、STKs和ZFPs表達(dá)模式類似，其表達(dá)量均隨溫度的升高、處理時(shí)間的延長而提高，其中HSPs對(duì)高溫最敏感，其他基因僅在45℃時(shí)高表達(dá)。此外，pod和cytP450的上調(diào)表達(dá)也提示高溫可以觸發(fā)蜜蜂的氧化應(yīng)激反應(yīng)；與之類似地，在高濕度條件下Pla2和Afp表達(dá)上調(diào)，表達(dá)水平隨處理時(shí)間的延長而升高，但各處理間差異不顯著(P > 0.05)。
圖4 溫度和濕度對(duì)蜜蜂相關(guān)基因表達(dá)水平的影響
蜜蜂暴露于不同溫度或濕度(25、30、35、40、45℃或30、50、70、80% RH) 2小時(shí)；不同字母表示處理之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；數(shù)值以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n = 3)表示。
圖5 高溫或高濕處理的時(shí)間對(duì)蜜蜂相關(guān)基因表達(dá)水平的影響
蜜蜂暴露于45°C或80% RH 環(huán)境下0、0.5、1、1.5或2小時(shí)；不同字母表示處理之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；數(shù)值以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n = 3)表示。
文章小結(jié)
本研究得出以下主要結(jié)論：
1、高溫高濕對(duì)蜜蜂的生長、繁殖和生存都有不利影響。
2、高溫下熱休克蛋白基因、鋅指蛋白基因、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶基因的表達(dá)量呈現(xiàn)顯著差異。
3、熱休克蛋白對(duì)高溫最敏感，其余基因只在45℃時(shí)顯著上調(diào)表達(dá)。
本研究提供了蜜蜂耐熱基因?qū)Ω邷睾透邼穸鹊倪m應(yīng)性的表達(dá)概況，包括幾個(gè)差異基因的表達(dá)模式，這些數(shù)據(jù)為進(jìn)一步研究昆蟲對(duì)高溫高濕的適應(yīng)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
本研究的測(cè)序和數(shù)據(jù)分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
原文索引：
Ma WH, Li XY, Shen JS, et al. Transcriptomic analysis reveals Apis mellifera adaptations to high temperature and high humidity[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2019, 184:109599.
文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0147651319309303?via%3Dihub
