松材线虫HOX基因的表达调控机理

Pine wilt disease (PWD) is a quarantine disease damaging several pine tree species in world wide with particular respect in China. Numerous studies on Bursaphelenchus xylophilus have been done in population genetics and behaviour ecology, however, litte is known for reproduction and development at molecular biology level. HOX family is a group of conserved and developmental genes responsible for body plan along anterior-posterior axis and cell fate decision during embryogenesis and organogenesis in all animals. Study on HOX gene expression regulation of pine wood nematode is one of important issues of modern science, which will contribute the discovery of its developmental and evolutionary mechanism. In term of conservation of HOX genes and the recent released whole genome sequence of Bursaphelenchus xylophilus, we are able to clone all members of HOX genes in pine wood nematode, and demonstrating the evolutionary rule of HOX genes in invertebrate by comparative genomics. Characterization of HOX gene dynamic expression with real-time PCR and mRNA in situ hybridization will shed light on the mechanism how HOX genes control and regulate body plan, and determine cell fate during embryogenesis and organization. By virtue of whole genome sequence and microRNAs database as well as RNA-seq database, we are able to predict and discover the potential microRNAs and lincRNAs, which helps to further understand HOX gene regulation in pine wood nematode. Therefore this study will contribute to understand how HOX genes are evolved in invertibrate and how HOX genes control development of pine wood nematode. Besides setting up the platform of molecular and developmental biology in Bursaphelenchus xylophilus, this study provides the theoretical principles to design the specific protocols for controlling pine wilt disease at molecular level.

松材线虫病是世界性的检疫性病害，在我国严重发生。迄今为止，国内外对松材线虫开展了大量的研究，但在生殖发育方面，尚缺乏系统的研究。HOX家族是一类进化保守的发育调控基因，在胚胎发育和器官形成过程中具有重要的轴向调控作用。研究松材线虫HOX基因的表达调控机理,对于揭示松材线虫的生殖发育具有重要的意义，是亟待解决的科学问题之一。本项目拟利用HOX基因的进化保守性比较松材线虫和秀丽隐杆线虫的HOX基因家族，参照松材线虫的基因组序列，克隆和分析松材线虫HOX基因家族成员，解析松材线虫HOX基因家族的进化，检测其在松材线虫发育过程中的动态表达，阐明HOX基因控制松材线虫的发育机制。本研究结果将可以明确松材线虫的HOX基因成员，揭示HOX基因对松材线虫生殖发育的调控作用，搭建松材线虫分子发育生物学研究平台，为进一步开展松材线虫繁殖发育研究和设计特异性的防治措施提供基础。

松材线虫病是世界性的检疫性病害，在我国严重发生。迄今为止，国内外对松材线虫开展了大量的研究，但在生殖发育方面，尚缺乏系统的研究。HOX 家族是一类进化保守的发育调控基因，在胚胎发育和器官形成过程中具有重要的轴向调控作用。在该项目的资助下，我们开展了松材线虫HOX 基因的表达调控机理研究。具体研究结果如下：.1、首次明确了松材线虫HOX基因家族包括5个成员，分别为lin-39、mab-5、ceh-13、egl-5和php-3基因；获得了松材线虫5个HOX基因的全长序列，并在Gene Bank登录，lin-39、mab-5、ceh-13、egl-5和php-3五个基因的登录号分别为KM891588、KM116504、KM116502、KM116503和KM116505。.２、明确了松材线虫HOX基因在基因组上的共线性（co-linearity）前后轴（anteroposterior (A-P)）排列顺序，依次为lin-39、mab-5、ceh-13、egl-5和php-3；预测了各基因功能区蛋白空间结构，其中lin-39、mab-5和ceh-13三个基因的功能区蛋白空间结构相同，且与egl-5和php-3基因存在一定的差异。.３、首次采用转基因显微注射技术开展了松材线虫5个HOX基因在秀丽隐杆线虫中的时空动态表达特性研究，结合mRNA原位杂交技术和荧光实时定量PCR技术，明确了5个HOX基因在松材线虫不同发育时期和不同性别个体上的表达特性。.4、采用RNAi干扰技术，验证了lin-39基因对松材线虫不同发育时期的调控作用。.5、开展了HOX基因的进化分析研究。结果表明不同线虫的HOX基因结构和方向有明显差异，但homeobox区域非常保守，显示其进化保守性；启动子分析结果显示，不同线虫的启动子功能区序列高度保守，表明HOX基因在线虫个体发育过程中调控机制的保守性。.6、开展了线虫HOX基因的形成与进化机理研究。通过对e五种不同线虫HOX基因的结构、3’-5’的方向以及基因之间的距离等数据分析，结合松材线虫不同HOX基因的表达特性研究结果，发现并证实所有线虫HOX基因成员都是由最古老的ceh-13基因通过复制翻转和变化之后形成，并首次提出了线虫HOX基因复制翻转（Duplication and Reverse）形成理论。