蜜蜂 (Apis mellifera L.) 工蜂和雄蜂胚胎发育机理差异的磷酸化蛋白质组研究

In honeybee (Apis mellifera L.) society, worker and drone bees make a great contribution to the social organization and survival of honeybee populations. Derived from complete genetic makeup, the worker (diploid) and drone (haploid) have evolved quite distinct development trajectory and social behaviors in the honeybee community. Embryogenesis is an important period during which the body plan of adult honeybee is formed. Although the molecular mechanism that drives the embryogenesis of worker and drone bee has been conducted by the proteomic approach, the regulation of phosphorylation in embryogenesis is still elusive. Towards this goal, the phosphoproteome of worker and drone will be analyzed and compared using shotgun proteomics, label-free quantitation, IMAC (Immobilized metal ion affinity chromatography) phosphoprotein enrichment and bioinformatics. The following issue will address: (1) characterization of the phosphoproteome during the embryogenesis of honeybee worker and drone, revealing the molecular mechanism of their embryogenesis and discovering the key metabolic pathways and proteins which play regulatory roles in embryonic development, respectively; (2) illuminating the mechanistic divergence of embryogenesis between worker and drone. The will potentially important for honeybee embryology and genetically manipulation in future.

在蜜蜂社会里，工蜂和雄蜂是对蜂群社会组织和种群繁衍具有重要贡献的两个级型。工蜂和雄蜂分别是二倍体和单倍体，二者在遗传上的差异决定了其生理发育和社会行为存在诸多不同。胚胎发育期是蜜蜂生命周期中的关键时期，成年蜂的各种器官雏形已在胚胎期形成。虽然在蛋白质组水平上对工蜂和雄蜂胚胎期发育的机理有了初步的认识，但对二者胚胎发育的磷酸化调控机理还尚未进行研究。本研究利用shotgun蛋白质组学研究的非标定量技术、IMAC（固相金属离子亲和色谱）磷酸化蛋白富集等技术以及生物信息学分析手段，对意大利蜜蜂工蜂和雄蜂的胚胎期磷酸化蛋白质组进行系统比较分析。以期（1）阐明工蜂和雄蜂胚胎不同发育时期磷酸化蛋白质组表达特点，解析其胚胎发育分子机理，找到调控胚胎发育的关键代谢通路和关键激酶；（2）阐明工蜂和雄蜂在磷酸化蛋白质组水平上胚胎发育机理的差异。这将为蜜蜂胚胎生物学和遗传改造提供理论依据和实践基础。

在蜜蜂社会里，工蜂和雄蜂是对蜂群社会组织和种群繁衍具有重要贡献的两个级型。二者遗传的差异决定了其生理和行为的诸多不同。胚胎发育期是蜜蜂生命周期中的关键时期，成年蜂的各种器官雏形都在胚胎期形成。本研究利用蛋白质组学研究方法、非标定量技术、IMAC和TiO2磷酸化蛋白富集等技术，对意大利蜜蜂（意蜂）工蜂和雄蜂的胚胎期蛋白质组和磷酸化蛋白质组进行系统比较分析。.蜜蜂胚胎期共鉴定3443个蛋白质。较2-DE，鉴定蛋白质的覆盖率提高了30倍以上。胚胎期有一个核心蛋白质组主要参与蛋白质合成、能量代谢、发育和转运相关的代谢通路对胚胎发育发挥基本的保障功能。另外，1日龄胚胎表达和上调表达的蛋白质主要与营养储存和核酸代谢相关；2-3日龄胚胎高表达与细胞周期、抗氧化、细胞骨架以及组织形态发生等蛋白，为胚胎组织和器官雏形构建提供的细胞代谢保障和分子材料。雄蜂的胚胎器官形成较工蜂启动早且持续时间长，以积累足够的构建器官雏形的分子材料。RNAi对胚胎的基因改造的探索表明在胚胎发育的前48小时对基因进行沉默的效果较好。.磷酸化蛋白质组鉴定到的2438个蛋白质的6342个肽段上的6577个位点发生了磷酸化修饰，预测了91个激酶，是迄今覆盖度最深的蜜蜂胚胎磷酸化蛋白质组研究。其中磷酸化对组织形态发生、细胞周期调控/凋亡、细胞骨架等通路具有重要调控作用，相应CDK、MAPK、RSK激酶促进了细胞分裂、蛋白质合成、组织分化等活动。工蜂和雄蜂胚胎发育早期通过一系列PKA激酶调控能量代谢、信号传导和组织分化，为细胞增殖和胚盘形成提供物质和能量。胚胎发育中后期DYRK和CDK亚家族的激酶调控基因转录、蛋白质合成和胚层分化等代谢活动，foxO和wnt等通路的激活对细胞抗氧化应激、胚层分化、器官形成和背索闭合等过程的完成起决定性作用。.本研究对工蜂和雄蜂胚胎发育期的分子基础有了全新的认识和理解，调控胚胎发育的关键通路和蛋白及激酶信息对蜜蜂胚胎发育生物学和深入理解胚胎发育机理提供了理论和实践依据。