东方黏虫(Mythimna separata Walker,鳞翅目:夜蛾科)中脂肪酶的基因组范围鉴定

时间:2026年1月27日
来源:Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics

编辑推荐:

本研究鉴定了东方甜菜夜蛾基因组中共85个脂酶基因,涵盖中性、酸性、脂酶3、HSL、GDSL及ATGL家族,并系统分析其进化关系、结构特征及发育阶段表达模式,为理解鳞翅目脂酶功能提供了新依据。

广告
   X   

刘宇涵|韩振华|陈秀琳|范小培|任少秋|杨琦|李光伟|李博辽
黄土高原应用生态学重点实验室(陕西省),延安大学生命科学学院,延安,716000,中国

摘要

脂肪酶对动物的消化过程至关重要。昆虫在幼虫阶段依赖脂肪酶分解食物中的脂质,在成虫阶段则利用脂肪体中积累的甘油三酯(TAG)来支持飞行和繁殖活动。东方粘虫(Mythimna separata Walker(鳞翅目:夜蛾科)是一种迁徙性害虫,会对东亚地区的农作物和牧场造成严重破坏。我们从M. separata的基因组中鉴定出了85种脂肪酶,包括56种中性脂肪酶、22种酸性脂肪酶、1种脂肪酶3、1种激素敏感脂肪酶(HSL)以及4种脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)。我们研究了这些脂肪酶的系统发育关系、催化能力及其表达情况。大多数中性脂肪酶和酸性脂肪酶都含有保守的GXLXG亲核结构、Ser-Asp-His三联基序以及活性盖结构,不过与哺乳动物的胰脂肪酶相比,中性脂肪酶的活性盖长度较短(<18个残基)。表达分析结果显示,约有一半的中性脂肪酶和35%的酸性脂肪酶在第三龄幼虫阶段的高表达量显著高于卵期、前蛹期、蛹期和成虫期。我们的研究结果有助于更深入地了解蛾类物种中的脂肪酶基因家族。

引言

脂质(包括甘油三酯(TAG)、二酰甘油(DAG)、单酰甘油(MAG)、磷脂和胆固醇酯酶)对昆虫的生存、发育和繁殖至关重要(Arrese和Soulages,2010)。甘油三酯是主要的能量储存形式,而二酰甘油则作为主要的运输介质。磷脂参与细胞膜的构建,胆固醇酯是信息素、激素和角质烃合成的前体(Canavoso等,2001;Horne等,2009)。在大多数全变态昆虫中,幼虫阶段的脂质积累主要支持蛹期的变态过程,并为非取食期的成虫提供飞行和繁殖所需的能量(Horne等,2009)。
动物体内的脂肪酶可以分为中性脂肪酶(PF00151)、酸性脂肪酶(PF04083)、脂肪酶2(PF01674)、脂肪酶3(PF01764)、激素敏感脂肪酶(HSL,PF06350)、含有Gly-Asp-Ser-Leu基序的脂肪酶(GDSL,PF00657)以及脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL,PF01734)等家族(Horne等,2009;Rivera-Perez,2015;Toprak等,2020)。除了GDSL外,所有其他脂肪酶家族的活性位点都含有共有的GXSXG基序。此外,ATGL还包含一个独特的patatin结构域(PF01734)(Saarela等,2008)。已在多种模式昆虫(Horne等,2009b;Miao等,2020;Shen等,2022;Lu等,2023)以及一些膜翅目和半翅目物种(Wang等,2020;Wei等,2022;Lu等,2023)中鉴定出脂肪酶基因家族。研究结果表明,中性脂肪酶和酸性脂肪酶的数量在不同物种间存在显著差异,而脂肪酶3、HSL和GDSL的数量则相对稳定(Horne等,2009;Wang等,2020;Wei等,2022)。
东方粘虫(Mythimna separata(鳞翅目:夜蛾科)以对谷物作物和牧场的破坏性影响而闻名,它是东亚及澳大利亚部分地区的一种季节性长距离迁徙性蛾类(Wang等,2006;B. Li等,2018b)。由于其在晚期幼虫阶段的高食物摄入量和广泛的寄主植物谱系,它依赖多种酶进行消化。幼虫脂肪体中积累的脂质为其强大的飞行能力和广泛的繁殖能力提供了基础(Jiang等,2011)。Fu等人基于M. separata的转录组数据,鉴定出7种在成虫卵巢中高表达的类似脂肪酶3的基因(Fu等,2023)。然而,自四个高质量的M. separata基因组发表以来,尚未进行过全面的脂肪酶基因组研究(Tong等,2022;Xu等,2023;Zhao等,2023;Zhang等,2025)。此外,除了两种模式物种Bombyx mori(Jiang等,2023)和Manduca sexta(Miao等,2023)外,其他鳞翅目物种中的脂肪酶尚未被系统地鉴定出来。
在本研究中,我们使用生物信息学软件对M. separata的基因组中的所有脂肪酶进行了注释,并手动去除了冗余和错误的序列。随后,我们将M. separata的脂肪酶及其氨基酸序列与其他三种蛾类(B. moriHelicoverpa armigeraSpodoptera frugiperda)进行了比较。选择这三种蛾类进行比较分析,是因为B. mori是经典的鳞翅目模式物种,而H. armigeraS. frugiperda是著名的迁徙性害虫。消化酶的生物合成过程和消化过程通常发生在不同的部位:大多数脂肪酶在消化腺细胞中合成后分泌到昆虫消化道中分解食物中的脂质;而某些缺乏信号肽的脂肪酶则留在细胞内分解细胞内的脂质。因此,我们预测了这些脂肪酶的信号肽,这有助于预测它们的三维结构并进行后续的功能分析。我们分析了脂肪酶的基因结构、保守结构域及其系统发育关系,并研究了M. separata在不同发育阶段以及羽化后三天内的未交配蛾和已交配蛾的性腺中的脂肪酶表达模式。这项研究将有助于我们更好地理解脂肪酶在蛾类发育中的作用。

节选内容

脂肪酶的鉴定与特性分析

利用M. separata(NCBI RefSeq组装访问号:GCF_029852925.1)、Bombyx mori(NCBI RefSeq组装访问号:GCF_030269925.1)(Kawamoto等,2019;Shen等,2022)、Helicoverpa armigera(NCBI RefSeq组装访问号:GCF_030705265.1)(Jin等,2023)和Spodoptera frugiperda(NCBI RefSeq组装访问号:GCF_023101765.2)的染色体级基因组序列,鉴定了脂肪酶基因家族。同时应用隐马尔可夫模型(HMM)对中性脂肪酶进行了分析

脂肪酶家族成员的基因组范围鉴定与分类

M. separata基因组中共鉴定出85种脂肪酶,包括56种中性脂肪酶、22种酸性脂肪酶、1种脂肪酶3、1种GDSL、1种HSL和4种ATGL。未发现脂肪酶2家族的基因(表1)。中性脂肪酶的蛋白质长度范围为275(MsLipN46)至957个氨基酸(MsLipN14),酸性脂肪酶的蛋白质长度范围为393(MsLipA15)至685个氨基酸(MsLipA9),其分子量(MW)介于29.6 kDa(MsLipN48)至105.2 kDa之间

讨论

本研究在M. separata中鉴定出了85种脂肪酶基因,属于中性脂肪酶、酸性脂肪酶、脂肪酶3、HSL、GDSL和ATGL基因家族。在M. separata或其他昆虫物种中均未发现脂肪酶2(Wang等,2020;Wei等,2022;Zhang等,2023)。与B. mori相比,这三种夜蛾物种中的中性脂肪酶数量明显增加,而酸性脂肪酶和其他脂肪酶家族的数量相对稳定(表S2)。

结论

我们对M. separata脂肪酶的基因组范围鉴定和表达分析有助于更深入地理解蛾类中的脂肪酶,并便于与其他目昆虫的脂肪酶进行序列特征比较。未来的研究应重点关注单个脂肪酶的详细功能。

作者贡献声明

刘宇涵:撰写初稿、方法学设计、数据分析。韩振华:数据分析、数据管理。陈秀琳:方法学设计、资金申请。范小培:数据分析。任少秋:数据分析。杨琦:撰写、审稿与编辑、方法学设计。李光伟:撰写、审稿与编辑、资金申请、概念验证。李博辽:撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源协调、资金申请、概念构思。

资助信息

本研究得到了“陕西省高校青年创新团队”(资助编号:24JP204)、“陕西省自然科学基金研究项目”(2021JQ-621)、“延安大学博士启动基金”(YDBK2019-47)以及“延安大学研究基金”(资助编号:2023CGZH-016)的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢Yamei Meng提供的粘虫喂养实验帮助。

生物通微信公众号
微信
新浪微博


生物通 版权所有