陸瑤,方盛國(guó)
(浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,生命系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家瀕危野生動(dòng)植物種質(zhì)基因保護(hù)中心,杭州310058)
揚(yáng)子鱷(Alligator sinensis)是我國(guó)特有的一種鱷類動(dòng)物,也是世界上現(xiàn)存25種鱷類中最瀕危的物種之一[1-2]。受到過(guò)度捕獵和棲息地減少的雙重打擊,揚(yáng)子鱷仍處于極度瀕危的狀態(tài),野外種群數(shù)量不斷下降[1,3]。我國(guó)于20 世紀(jì)80 年代在安徽省宣城市和浙江省長(zhǎng)興縣等地陸續(xù)建立了揚(yáng)子鱷保護(hù)區(qū),經(jīng)過(guò)近40年的人工繁育,揚(yáng)子鱷圈養(yǎng)種群不斷壯大,為揚(yáng)子鱷野生種群的重建和復(fù)壯提供了豐富的資源[4-5]。
然而,對(duì)有關(guān)圈養(yǎng)動(dòng)物的研究表明,在人工飼養(yǎng)條件下動(dòng)物面臨著一系列來(lái)自于環(huán)境的挑戰(zhàn)。人工光照、不適宜的環(huán)境溫度、非自然社群中的社會(huì)互動(dòng)等都可能成為壓力源,影響個(gè)體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[6]。其中,飼養(yǎng)密度是影響鱷類飼養(yǎng)的一個(gè)重要因素,飼養(yǎng)密度過(guò)高會(huì)對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)、繁殖和存活造成不利影響。在相對(duì)較高的飼養(yǎng)密度下,揚(yáng)子鱷、寬吻凱門鱷、灣鱷等鱷類幼鱷的生長(zhǎng)速率減慢[7-9];并且,密河鱷的幼鱷和成鱷血漿中皮質(zhì)酮的水平顯著升高,原因是高飼養(yǎng)密度環(huán)境會(huì)刺激下丘腦-垂體-腎上腺軸,引起動(dòng)物強(qiáng)烈的應(yīng)激反應(yīng)[10-11]。在家雞、魚(yú)類等動(dòng)物的相關(guān)研究中還發(fā)現(xiàn),飼養(yǎng)密度過(guò)高會(huì)影響機(jī)體的免疫系統(tǒng)功能和免疫狀態(tài),比如導(dǎo)致淋巴器官發(fā)育緩慢,由于免疫反應(yīng)減弱使得對(duì)病原體的抵抗能力下降,免疫器官中先天免疫基因的表達(dá)水平發(fā)生變化等[12-15]。
在脊椎動(dòng)物中,應(yīng)激和免疫是十分重要的生理過(guò)程,使得機(jī)體能快速對(duì)環(huán)境中的有害因素如潛在的致病菌等產(chǎn)生反應(yīng)。揚(yáng)子鱷為營(yíng)半水生生活的爬行動(dòng)物,生活在充滿潛在致病菌的水生環(huán)境中,先天免疫系統(tǒng)是其抵抗微生物入侵的第一道防線。而動(dòng)物的先天免疫系統(tǒng)包括各種能非特異性識(shí)別并作用于病原體的免疫細(xì)胞和抗菌分子,防御素就是其中一類重要的抗菌物質(zhì)[16]。防御素由18~45個(gè)氨基酸殘基組成,是一類富含陽(yáng)離子和半胱氨酸的小分子多肽[17]。防御素具有抗菌、趨化、免疫調(diào)節(jié)等作用,保證機(jī)體在感染病原體前保持強(qiáng)大的防御能力,并在感染后能迅速引發(fā)一系列免疫反應(yīng),在動(dòng)物的先天免疫中發(fā)揮著重要的作用[18]。防御素在參與宿主免疫的細(xì)胞和組織中廣泛表達(dá),且在脾、中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等免疫器官和細(xì)胞中具有較高的表達(dá)水平[18]。并且,防御素的表達(dá)受多種壓力因素的調(diào)控,細(xì)菌、脂多糖、白細(xì)胞介素等外源因素均可引起防御素表達(dá)水平的變化[19]。
揚(yáng)子鱷圈養(yǎng)種群長(zhǎng)期生活在人工環(huán)境中,更多受到來(lái)自環(huán)境的壓力,進(jìn)一步了解其免疫狀態(tài)可為揚(yáng)子鱷的保護(hù)提供更多信息。因此,本研究利用反轉(zhuǎn)錄熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(reverse transcription quantitative polymerase chain reaction, RT-qPCR)技術(shù)檢測(cè)揚(yáng)子鱷七齡鱷群體血液中β防御素基因的表達(dá)情況,并進(jìn)一步探究飼養(yǎng)密度對(duì)揚(yáng)子鱷圈養(yǎng)群體β防御素表達(dá)的影響,為揚(yáng)子鱷種群的管理和保護(hù)提供參考。
本研究于2018 年7 月在浙江省長(zhǎng)興縣揚(yáng)子鱷省級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)開(kāi)展,研究對(duì)象為2011年出生的揚(yáng)子鱷七齡鱷群體(n=98),分別飼養(yǎng)于A 和B 2 個(gè)飼養(yǎng)池中。通過(guò)測(cè)量A和B 2個(gè)方形飼養(yǎng)池的長(zhǎng)寬計(jì)算其面積和鱷魚(yú)的飼養(yǎng)密度;用手指觸摸揚(yáng)子鱷的泄殖腔,根據(jù)泄殖腔背壁上方有無(wú)棒狀交媾器判斷揚(yáng)子鱷的性別[5]。一共采集了41個(gè)揚(yáng)子鱷個(gè)體的血液樣品用于后續(xù)試驗(yàn),并利用保護(hù)區(qū)內(nèi)因打斗而死亡的1頭揚(yáng)子鱷個(gè)體的凍存組織樣品(心、肝、腦、肺、腎、胃、小腸、肌肉)的RNA 進(jìn)行引物設(shè)計(jì)和篩選。本研究的試驗(yàn)對(duì)象和樣品信息如表1所示。
表1 揚(yáng)子鱷七齡鱷群體特征和樣本信息Table 1 Information of seven-year-old Chinese alligator populations and samples
TRIzol試劑購(gòu)自美國(guó)Invitrogen公司;反轉(zhuǎn)錄試劑盒[PrimeScriptTMRT reagent Kit with gDNA Eraser(Perfect Real Time)]、TB GreenTMPremix ExTaqTM熒光染料、pMD18-T載體克隆試劑盒、EcoRⅠ酶等購(gòu)自日本TaKaRa 公司;PCR 擴(kuò)增試劑2×Taq主混料、GRgreenⅡ核酸染料、薄型瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒購(gòu)于上海捷瑞生物工程有限公司;DH5α感受態(tài)細(xì)胞購(gòu)于天根生化科技(北京)有限公司;QIAprep Spin質(zhì)粒小量提取試劑盒購(gòu)于德國(guó)QIAGEN公司。
血液和組織樣品總RNA 均按照TRIzol 法進(jìn)行提取,但第1步細(xì)胞裂解的方法不同:前者為將新鮮血液直接加入到TRIzol 試劑中并劇烈振蕩約30 min,至血細(xì)胞完全裂解;后者為將組織樣品在液氮中快速研磨成粉末,隨后轉(zhuǎn)移至裝有TRIzol試劑的離心管中振蕩約10 min。提取總RNA 后進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),并使用超微量分光光度計(jì)測(cè)定RNA的質(zhì)量濃度和純度。
選擇質(zhì)量濃度在200 ng/μL 以上、D(260 nm)/D(280 nm)在1.8~2.0 之間的RNA 樣品為模板,按照反轉(zhuǎn)錄試劑盒說(shuō)明書(shū)合成cDNA,每20 μL 反轉(zhuǎn)錄體系中加入總量為1 000 ng的RNA。
根據(jù)NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)中19個(gè)揚(yáng)子鱷β防御素基因的cDNA 序列(GenBank登錄號(hào):MG519833~MG519852,不包括假基因AsBD103p),利用軟件Primer Premier 5.0 分別設(shè)計(jì)多對(duì)熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(quantitative polymerase chain reaction,qPCR)引物,由上海捷瑞生物工程公司合成。
1.4.1 PCR 擴(kuò)增
如果在PCR實(shí)驗(yàn)中未能擴(kuò)增出條帶,可能是因?yàn)樵摶蛟诮M織中沒(méi)有表達(dá)或者是該引物不合適。所以,為了盡可能排除引物自身問(wèn)題導(dǎo)致的PCR擴(kuò)增失敗,并且盡可能多地篩選出符合標(biāo)準(zhǔn)的引物,本實(shí)驗(yàn)將不同的血液cDNA 和組織cDNA 進(jìn)行混合,用于之后的實(shí)驗(yàn)。
PCR 反應(yīng)體系:2×Taq主混合液5μL,無(wú)RNase ddH2O 3 μL,cDNA 1 μL,上、下游引物各0.5 μL。PCR 反應(yīng)條件:94 ℃預(yù)變性5 min:94 ℃變性40 s,在最適退火溫度下退火30 s,72 ℃延伸30 s,30個(gè)循環(huán);72 ℃延伸7 min。其中,設(shè)置退火溫度的溫度梯度,得到最亮的擴(kuò)增條帶所對(duì)應(yīng)的溫度為最適退火溫度。
使用DNA 回收試劑盒回收PCR 陽(yáng)性產(chǎn)物,并連接到pMD18-T載體上,再轉(zhuǎn)化到DH5α感受態(tài)細(xì)胞中,然后使用含氨芐的選擇性固體培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng);篩選出陽(yáng)性克隆并進(jìn)行搖菌,送菌液至北京擎科生物科技有限公司杭州分公司進(jìn)行測(cè)序。將測(cè)序結(jié)果在NCBI 上與目的片段序列進(jìn)行Blast 比對(duì),確定PCR擴(kuò)增的片段是否為目的片段。
1.4.2 qPCR 擴(kuò)增
初步確定引物之后進(jìn)行qPCR實(shí)驗(yàn),qPCR擴(kuò)增體系:TB GreenTMPremix ExTaqⅡ5 μL,無(wú)RNase ddH2O 3 μL,cDNA 1 μL,上、下游引物各0.5 μL。qPCR擴(kuò)增條件:95 ℃預(yù)變性3 min,95 ℃變性10 s,在最適退火溫度下退火30 s,39 個(gè)循環(huán)。擴(kuò)增反應(yīng)完成后,每5 s 升溫0.5 ℃,從65 ℃升溫到95 ℃,得到熔解曲線。其中,設(shè)置退火溫度的溫度梯度,閾值(CT)最小值對(duì)應(yīng)的退火溫度為最適退火溫度;熔解曲線要求為單一尖銳峰。對(duì)于滿足上述條件的qPCR引物,再次擴(kuò)大培養(yǎng)含有陽(yáng)性克隆的菌液,使得細(xì)胞濃度約為3×109mL-1。根據(jù)QIAGEN質(zhì)粒小提試劑盒說(shuō)明書(shū)提取質(zhì)粒,使用EcoRⅠ酶將環(huán)狀質(zhì)粒酶切為線性質(zhì)粒,得到質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)品。根據(jù)質(zhì)粒DNA濃度計(jì)算質(zhì)??截悢?shù),計(jì)算公式為:
質(zhì)??截悢?shù)/(copies/μL)=6.02×1023/(copies/mol)×10-9×質(zhì)粒質(zhì)量濃度/(ng/μL)÷(DNA長(zhǎng)度/bp×660).
最后,使用Tris-乙二胺四乙酸(TE)緩沖液將質(zhì)粒DNA稀釋10倍,得到拷貝數(shù)為102~108共7個(gè)梯度的質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)品,通過(guò)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線得到引物的擴(kuò)增效率E和相關(guān)系數(shù)r2,要求E為90%~110%,r2>0.99。
利用篩選出的多個(gè)β防御素基因引物對(duì)揚(yáng)子鱷七齡鱷群體中41個(gè)個(gè)體的血液RNA樣品進(jìn)行qPCR檢測(cè),以甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH)為內(nèi)參基因,其qPCR 引物參照TANG 等[20]設(shè)計(jì)的引物。每次實(shí)驗(yàn)均設(shè)置陰性對(duì)照,每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)重復(fù)。
通過(guò)qPCR實(shí)驗(yàn)得到的CT值和熔解曲線判斷基因的表達(dá)情況,如該基因擴(kuò)增過(guò)程中的熔解曲線與繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)的熔解曲線不同,說(shuō)明擴(kuò)增的片段不是目的片段,從而認(rèn)定該基因在樣品中未表達(dá)。如該基因有表達(dá),則重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次(要求標(biāo)準(zhǔn)偏差<0.5),取CT均值進(jìn)行后續(xù)的相對(duì)定量表達(dá)分析。
首先,通過(guò)計(jì)算目的基因與內(nèi)參基因的差值ΔCT判斷各目的基因之間的相對(duì)表達(dá)情況:ΔCT越小,則說(shuō)明基因的相對(duì)表達(dá)量較高。再以某個(gè)揚(yáng)子鱷個(gè)體的基因表達(dá)量作為參照計(jì)算出2-△△CT值,得到揚(yáng)子鱷不同個(gè)體間基因的相對(duì)表達(dá)倍數(shù)。然后,利用軟件SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析:采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)和Pearson 相關(guān)系數(shù)分析各表達(dá)基因之間表達(dá)水平(ΔCT)的相關(guān)性;采用Levene檢驗(yàn)、獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)和Mann-WhitneyU檢驗(yàn)分析不同性別、不同飼養(yǎng)密度的2 個(gè)群體中各防御素基因的相對(duì)表達(dá)倍數(shù)(2-△△CT)之間的差異,P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
圖1 揚(yáng)子鱷血液(A)和組織(B)總RNA的電泳結(jié)果Fig.1 Electrophoretogram results of total RNA in blood(A)and tissues(B)of Chinese alli gator
血液和組織的RNA經(jīng)電泳檢測(cè),清晰可見(jiàn)28S和18S 2種條帶(圖1),說(shuō)明RNA樣品質(zhì)量良好,可用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。
在PCR實(shí)驗(yàn)中,一共設(shè)計(jì)出10個(gè)β防御素基因的引物,均能擴(kuò)增出清晰的條帶并且單個(gè)陽(yáng)性克隆的測(cè)序結(jié)果與目的片段序列一致。但是,在進(jìn)一步的qPCR實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),AsBD106α基因引物的熔解曲線不是單一尖銳峰,很可能是由于AsBD106α基因與AsBD106β基因cDNA 序列高度相似(93%),在PCR擴(kuò)增過(guò)程中很難將兩者區(qū)分開(kāi)。最終,成功設(shè)計(jì)篩選出9 個(gè)β防御素基因的qPCR 引物,所有的qPCR引物(包括內(nèi)參基因GAPDH)的信息見(jiàn)表2。
經(jīng)qPCR檢測(cè),在揚(yáng)子鱷群體的血液中表達(dá)的β防御素基因只有AsBD5和AsBD8,其余基因均未表達(dá)。其中,AsBD8與內(nèi)參基因GAPDH的差值ΔCT小于AsBD5的ΔCT值,說(shuō)明在揚(yáng)子鱷血液中AsBD8的表達(dá)量高于AsBD5。并且,每個(gè)個(gè)體AsBD5和AsBD8的表達(dá)量之間存在較顯著的正相關(guān)性(r=0.576,P<0.05)。而 在 不 同 個(gè) 體 間,AsBD5和AsBD8的表達(dá)水平均具有一定的差異;其中AsBD8表達(dá)水平的個(gè)體差異很大,不同個(gè)體間的相對(duì)表達(dá)量差異可達(dá)20倍以上(圖2)。
雌性和雄性揚(yáng)子鱷血液中防御素基因AsBD5和AsBD8的表達(dá)水平無(wú)顯著性差異(圖3A),但是2個(gè)不同飼養(yǎng)密度的揚(yáng)子鱷群體間AsBD5和AsBD8基因的表達(dá)水平均存在極顯著差異(P<0.001;圖3B)。其中,生活在較高飼養(yǎng)密度飼養(yǎng)池B(0.55 頭/m2)中的揚(yáng)子鱷群體防御素的表達(dá)水平顯著高于飼養(yǎng)池A(0.30 頭/m2),說(shuō)明這2 個(gè)群體間的免疫狀態(tài)存在顯著差異,飼養(yǎng)密度較高的群體具有更高的免疫水平。
本研究通過(guò)RT-qPCR 對(duì)揚(yáng)子鱷血液中β防御素基因的表達(dá)情況進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)了在揚(yáng)子鱷血液中表達(dá)的2 種防御素基因AsBD5和AsBD8,并且AsBD5和AsBD8的表達(dá)量在個(gè)體之間存在顯著的正相關(guān)性。已知AsBD5和AsBD8是揚(yáng)子鱷基因組上相鄰的2個(gè)基因,表明這2個(gè)功能相關(guān)的基因之間可能存在共同進(jìn)化的現(xiàn)象[21]。而在不同個(gè)體間,AsBD5和AsBD8表達(dá)水平的差異很可能與動(dòng)物的免疫狀態(tài)、家系等有關(guān)[22]。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)之前關(guān)于揚(yáng)子鱷β防御素基因組織表達(dá)的研究,可對(duì)揚(yáng)子鱷防御素基因家族的表達(dá)情況有一個(gè)更加全面的了解。AsBD5和AsBD8是與鳥(niǎo)類β防御素基因同源的2個(gè)直系基因,在揚(yáng)子鱷的血液、脾和結(jié)腸等免疫相關(guān)組織中均呈現(xiàn)出較高的表達(dá)水平,說(shuō)明這2 個(gè)基因在揚(yáng)子鱷的先天免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用[20]。
表2 qPCR引物信息Table 2 Primer information for qPCR
圖2 揚(yáng)子鱷七齡鱷群體血液中β 防御素基因AsBD5 和AsBD8的相對(duì)表達(dá)量Fig.2 Relative expression levels of β-defensin genes AsBD5 and AsBD8 in blood of seven-year-old Chinese alligators
目前,已有較多物種完成了防御素基因家族的解析,但有關(guān)其在血液中表達(dá)情況的研究仍較少。在人類的外周血中表達(dá)的防御素基因有α防御素1~3,而β防御素1或2只有在受到細(xì)菌或脂多糖刺激時(shí)才表達(dá);在家雞的外周血白細(xì)胞中,表達(dá)的防御素基因有AvBD1、AvBD2、AvBD6和AvBD7[22-23]。由此可見(jiàn),不同物種血液中表達(dá)的防御素基因種類具有較大的差異,可能與物種間的特異性有關(guān)[24]。
本研究在分析飼養(yǎng)密度對(duì)揚(yáng)子鱷群體防御素表達(dá)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),飼養(yǎng)密度大的揚(yáng)子鱷群體血液中整體的防御素表達(dá)水平較高,因此,推測(cè)飼養(yǎng)密度是這2個(gè)飼養(yǎng)池中揚(yáng)子鱷免疫狀況產(chǎn)生差異的原因之一。在有關(guān)魚(yú)類飼養(yǎng)密度和免疫基因表達(dá)的研究中發(fā)現(xiàn),生活在高密度飼養(yǎng)環(huán)境中的多耙牙鲆,其骨骼肌和頭腎中的白細(xì)胞介素IL-1β表達(dá)水平顯著上調(diào),并伴隨著與識(shí)別病原體相關(guān)的模式識(shí)別受體表達(dá)水平的變化[15]。這與機(jī)體感染病原體初期時(shí)免疫基因的變化十分相似,促炎性細(xì)胞因子IL-1β表達(dá)上調(diào),然后通過(guò)相關(guān)細(xì)胞通路激活免疫效應(yīng)分子如自然殺傷細(xì)胞增強(qiáng)因子、抗菌肽等的表達(dá)[25]。因此可推測(cè),生活在飼養(yǎng)密度較高環(huán)境中的揚(yáng)子鱷群體對(duì)環(huán)境中潛在病原體的敏感性更高,通過(guò)一系列促炎癥反應(yīng)導(dǎo)致防御素的表達(dá)水平升高。
圖3 不同性別(A)和不同飼養(yǎng)密度(B)的揚(yáng)子鱷群體β 防御素基因的相對(duì)表達(dá)量Fig.3 Relative expression levels of β-defensin genes for populations of Chinese alligators under different sexes(A)and stocking densities(B)
在密河鱷、尼羅鱷、巴拉圭凱門鱷等多種鱷類的人工養(yǎng)殖中,西尼羅河病毒、痘病毒、嗜皮菌、弧菌等病原體大規(guī)模的傳染造成了大量鱷魚(yú)患病或死亡[26-29]。并且研究發(fā)現(xiàn),在高飼養(yǎng)密度的群體中密河鱷幼鱷更容易感染西尼羅河病毒[30]。可見(jiàn),在密集化飼養(yǎng)環(huán)境中,鱷類動(dòng)物對(duì)病原體具有很高的敏感性。另外,在人類中已有關(guān)于疾病與防御素相關(guān)性的研究,發(fā)現(xiàn)在炎癥性腸病、肺結(jié)節(jié)病、丙型病毒性肝炎等疾病患者的外周血中防御素基因的表達(dá)水平顯著升高[31-33]。可見(jiàn),防御素作為免疫和炎癥的介質(zhì),其在外周血中的表達(dá)水平可作為某些疾病活動(dòng)的生物標(biāo)志物。由于在鱷類動(dòng)物中該方面的研究仍未見(jiàn)報(bào)道,因此,關(guān)于高飼養(yǎng)密度下?lián)P子鱷群體防御素表達(dá)升高對(duì)揚(yáng)子鱷群體的健康狀態(tài)和環(huán)境適應(yīng)能力的長(zhǎng)期影響還需進(jìn)行更深入的研究。但是,今后可將防御素基因表達(dá)水平作為評(píng)價(jià)揚(yáng)子鱷免疫狀態(tài)的指標(biāo)之一,以更加全面地評(píng)估揚(yáng)子鱷圈養(yǎng)種群的免疫狀態(tài)及人工飼養(yǎng)環(huán)境對(duì)其免疫能力的影響。
本研究成功獲得了揚(yáng)子鱷β防御素基因的血液表達(dá)譜,檢測(cè)出在揚(yáng)子鱷血液中表達(dá)的2 個(gè)防御素基因AsBD5和AsBD8;并且發(fā)現(xiàn)飼養(yǎng)密度較高的揚(yáng)子鱷群體整體的防御素表達(dá)水平顯著升高,說(shuō)明飼養(yǎng)密度在一定程度上對(duì)群體的免疫狀態(tài)造成了影響,為揚(yáng)子鱷今后的物種保護(hù)和種群管理工作提供了新的線索。