庄稼“破坏大王”草地贪夜蛾基因组最新研究成果揭秘其扩散成灾之谜!
安诺优达 · 2020/05/12
5月2日,Molecular Ecology Resources 期刊在线发表了由中国科学家合作完成的染色体水平草地贪夜蛾基因组研究成果。

草地贪夜蛾属于鳞翅目、夜蛾科、灰翅夜蛾属,原发于美洲的热带和亚热带地区,是联合国粮农组织全球预警的跨国界迁飞性重大害虫。2019年1月草地贪夜蛾入侵我国云南后,以迅猛之势不断扩散至其他二十多个省份,严重威胁到我国当前的农业及粮食生产安全。草地贪夜蛾由于其食性广泛,繁殖能力和迁飞能力极强,并且具有高度的抗药性,导致虫害防控尤其艰难,因此,为了制定更高效有力的防治策略,采取基因组学等前沿研究技术研究该物种的遗传信息具有重大意义。

5月2日,Molecular Ecology Resources 期刊在线发表了由中国科学家合作完成的染色体水平草地贪夜蛾基因组研究成果。该研究主要由浙江大学、宜春学院、浙江省农业科学院和安诺基因联合完成。宜春学院的肖花美博士以及浙江大学的李飞教授、安诺优达的刘涛博士为该文章共同通讯作者,安诺基因组大项目团队杨伟飞等人参与完成。该成果揭示了草地贪夜蛾快速扩散成灾的机制,为草地贪夜蛾的防控提供了有力的遗传信息资源。


主要研究结果

1.高质量的染色体级别参考基因组组装

本研究利用浙江地区采集的草地贪夜蛾为实验材料,通过安诺基因PacBio三代测序技术及Hi-C染色体挂载技术相结合的策略,组装获得大小为486 Mb的草地贪夜蛾基因组(命名为ZJ-version),其中contigN50 1.13 Mb,scaffold N50 16.3 Mb,BUSCO评估基因集完整性高达93.1%。通过构建Hi-C数据库,借助LACHESIS软件成功地将556条contigs挂载到31条染色体上(图1A),挂载率为97.4%。进一步结合雌、雄虫的二代重测序结果,成功鉴定得到性染色体中的Z染色体,并且获得该物种W染色体中约4.7 Mb的基因序列,这也是夜蛾科中首次被报道的W染色体(图1B)。


图1 草地贪夜蛾的染色体水平基因组组装结果

基因组注释结果表明,组装的草地贪夜蛾基因组中重复序列比例达28%。结合同源预测、从头预测以及转录本数据,最终预测得到22,623个蛋白编码基因,在目前已发表的夜蛾科基因组中数量最多。随后,在该研究中还针对昆虫适应性相关的基因家族进行了注释。2

2.基因家族分析

通过238个单拷贝基因集(综合22个昆虫基因组)构建系统发育进化树(图2),经草地贪夜蛾与夜蛾科中其他四种夜蛾类进行基因家族聚类分析,发现草地贪夜蛾基因组中具有数量最多的物种特异性基因以及物种特异性重复基因,其中物种特异性基因有1,646个,494个基因在染色体上发生串联重复,由此证明在草地贪夜蛾基因组中发生了大量的基因家族扩张。其中包括大量与营养代谢以及运输相关的蛋白基因家族扩张现象,这类基因家族的扩张可能会促进草地贪夜蛾对不同植物宿主来源的营养进行吸收以及对植物中异源物质的解毒,因此,研究者推测这也是导致草地贪夜蛾快速扩散成灾的原因。


图2 草地贪夜蛾基因组进化分析图

3.P450基因家族扩张分析

农业害虫尤其是杂食性害虫,针对宿主植物中摄取得到的化学毒性物质通常会通过进化产生特有的解毒系统,例如合成大量的排毒酶来进行毒素代谢。2015年,Giraudo等人通过化感化学和外源性诱导实验鉴定出草地贪夜蛾基因组中29个P450基因能够被诱导表达。因此,在本研究中,研究人员也对组装草地贪夜蛾基因组(ZJ-version)中的P450基因进行了鉴定分析,经TBLASTN 和Genewise预测得到169个P450基因,且研究发现P450基因在草地贪夜蛾各个发育阶段均广泛表达(图3),尤其是P450家族3和4,P450基因在代谢植物次级代谢产物的过程中发挥了重要作用,由此推测P450基因家族3和4的扩张以及P450基因在各个发育阶段的广泛表达对于草地贪夜蛾针对植物外源物质的解毒作用具有重要作用,同时也为该物种的入侵繁殖提供了有力条件。


图3 P450基因在各个发育阶段的广泛表达图

4.GR受体家族进化分析

化学感受器对于昆虫快速识别植物宿主是至关重要的,因此其对于害虫的扩散和入侵也是很关键的。在该研究中,研究人员在草地贪夜蛾基因组(ZJ-version)中识别到221个味觉受体(GR)基因家族,其中包括189个苦味受体,24个糖受体,8个CO2受体基因家族。通过系统发育分析和基因分布分析,与家蚕相比,草地贪夜蛾基因组的苦味受体基因家族存在明显扩张现象。其次,结合转录组数据分析,成虫中表达的GR基因相对于其他发育阶段,表达水平更高(图4)。草地贪夜蛾在长距离迁移过程中,保持能量需求的关键在于快速识别宿主,GR基因家族的扩张可能有利于宿主识别。


图4 GR基因在各个发育阶段的广泛表达图

5.β-呋喃果糖苷酶基因扩张分析

研究表明,昆虫基因组中存在的β-呋喃果糖苷酶基因是通过细菌水平基因转移获得的,在昆虫体内起着趋避植物次级代谢产物的作用,同时还有调节糖代谢的作用。在该草地贪夜蛾基因组中共鉴定到5个β-呋喃果糖苷酶基因(SfruSuc1, SfruSuc2, SfruSuc3, SfruSuc4 和 SfruSuc5),与家蚕基因组相比,该基因家族发生了明显的扩张,家蚕基因组中仅鉴定出一个具有功能的β-呋喃果糖苷酶基因,BmSuc1,且该基因被证明发挥着类似糖苷酶,可以避免生物碱毒性的作用。由此可以推测,β-呋喃果糖苷酶基因家族的扩张可能是草地贪夜蛾能够适应并耐受数量众多的植物次级代谢产物以及维持糖代谢平衡的重要原因,从而为草地贪夜蛾拥有广泛宿主范围奠定了一定的基础。

文章亮点

本研究利用三代测序结合Hi-C辅助组装技术,获得了染色体级别的高质量草地贪夜蛾基因组(ZJ-version),并进一步通过对细胞色素P450基因、GR受体基因以及β-呋喃果糖苷酶基因的进化分析揭示了草地贪夜蛾的入侵和快速扩散的分子机制。

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