|
近日，浙江大學(xué)昆蟲科學(xué)研究所李飛教授研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外20余家科研機(jī)構(gòu)，成功完成了蘋果蠹蛾這一入侵物種的基因組組裝，揭示了蘋果蠹蛾在入侵過程中的寄主適應(yīng)性進(jìn)化和抗藥性的分子機(jī)制，取得了“IAS1000（1000種入侵物種基因組計(jì)劃）”的首個(gè)合作成果，在Nature Communications發(fā)表了題為“A chromosome-level genome assembly of Cydia pomonella provides insights into chemical ecology and insecticide resistance”的研究論文。安諾基因承擔(dān)了該研究中的二代、三代測序、以及Hi-C輔助組裝等相關(guān)實(shí)驗(yàn)和信息分析工作。蘋果蠹蛾（Cydia pomonella），俗稱食心蟲，屬鱗翅目卷蛾科，可蛀食蘋果、梨等仁果類水果，在我國新疆、甘肅等部分地區(qū)多有分布。蘋果蠹蛾幼蟲會蛀食果實(shí)，并向外排出蟲糞，不但會降低果品質(zhì)量，還會引起落果，導(dǎo)致果樹減產(chǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前，主要通過施用性誘劑、殺蟲劑等控制其傳播。但隨著殺蟲劑的廣泛施用，蘋果蠹蛾對殺蟲劑的抗性逐漸增強(qiáng)。目前尚不清楚蘋果蠹蛾如何感知化學(xué)信號、抵抗殺蟲劑毒性?；诖?，該研究通過多種技術(shù)平臺組裝獲得了一套高質(zhì)量的蘋果蠹蛾基因組，并進(jìn)一步探究了蘋果蠹蛾的嗅覺感知和抗殺蟲劑等環(huán)境適應(yīng)機(jī)制。該研究利用Illumina（390X）和PacBio（86X）測序，組裝獲得了大小為772.89 Mb的蘋果蠹蛾基因組，并利用Hi-C輔助組裝，將1,108條scaffolds錨定到了27條常染色體和2條性染色體（Z和W）上，掛載率高達(dá)97%。通過BUSCO評估，發(fā)現(xiàn)組裝基因組中有98.5%的節(jié)肢動物門（Arthropoda）直系同源基因。與此同時(shí)，Nanopore測序中99%的reads能夠比對到組裝基因組，表明組裝基因組具有較好的完整性和準(zhǔn)確性，可用于后續(xù)研究。利用OMIGA對組裝的基因組進(jìn)行功能注釋，初步獲得了16,997個(gè)蛋白編碼基因，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過人工比對，對已知與昆蟲適應(yīng)性相關(guān)的基因家族進(jìn)行了功能注釋，去冗余后，共獲得蛋白編碼基因17,184個(gè)。將蘋果蠹蛾基因組與鱗翅目、雙翅目等7個(gè)目中的19種昆蟲進(jìn)行同源比對，共獲得了2,124個(gè)單拷貝和2,051個(gè)多拷貝同源基因。進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，蘋果蠹蛾大約是在141百萬年前與鱗翅目obtectomeran發(fā)生分歧。蘋果蠹蛾與鱗翅目的斜紋夜蛾具有高水平的共線性。蘋果蠹蛾有27條常染色體和2條性染色體，組裝基因組中雖含有Z染色體和部分W染色體，但W染色體片段發(fā)生了丟失或幾乎完全退化。除TEs外，W染色體上沒有任何蛋白編碼基因分布。此外，W染色體具有較高的長末端重復(fù)序列和DNA轉(zhuǎn)座子，并且其中至少有兩個(gè)重復(fù)序列在雌性中顯著富集。圖2. 蘋果蠹蛾基因組共線性及染色體進(jìn)化分析 嗅覺受體編碼基因OR3的復(fù)制增強(qiáng)了蘋果蠹蛾尋找食物和配偶的能力 化學(xué)感應(yīng)系統(tǒng)在昆蟲尋找食物、配偶等過程中扮演了重要角色。植物產(chǎn)生的揮發(fā)性梨酯會引起雄性蘋果蠹蛾對可得蒙（性誘劑，雌性產(chǎn)生的主要性信息素物質(zhì)）的響應(yīng)。該研究發(fā)現(xiàn)信息素受體編碼基因OR3在蘋果蠹蛾中發(fā)生了擴(kuò)張，其兩個(gè)拷貝序列（CpomOR3a和CpomOR3b）在染色體上形成了串聯(lián)重復(fù)。此外，CpomOR3a和CpomOR3b的表達(dá)雖具有一定的組織特異性，但二者在雌性和雄性蘋果蠹蛾成蟲觸角中均具有較高的表達(dá)水平。并且，二者與ORs基因的特異性受體CpomORco在成蟲觸角出現(xiàn)了共表達(dá)現(xiàn)象。進(jìn)行共表達(dá)和基因敲除發(fā)現(xiàn)，CpomOR3a和CpomOR3b會在不同程度上對梨酯作出響應(yīng)。因而認(rèn)為CpomOR3a和CpomOR3b可能經(jīng)歷了新的功能分化，具有不同的基因功能。圖3. CpomOR3a和CpomOR3b在染色體體上的分布GWAS分析鑒定到殺蟲劑抗性相關(guān)SNPs施加殺蟲劑是防治蘋果蠹蛾的有效方式，P450水解程度會影響蘋果蠹蛾對殺蟲劑的抗性。組裝基因組中共發(fā)現(xiàn)了146個(gè)P450編碼基因，其中含有3個(gè)或以上P450編碼基因的基因簇16個(gè)，最大的一個(gè)基因簇有11個(gè)P450編碼基因，表明蘋果蠹蛾可能具有較強(qiáng)的抵抗化學(xué)或合成毒素的能力。隨后，研究人員對1個(gè)殺蟲劑敏感種群和2個(gè)殺蟲劑抗性種群進(jìn)行了GWAS分析。在殺蟲劑抗性種群的耐藥相關(guān)基因的外顯子區(qū)鑒定到18個(gè)SNPs，其中7個(gè)SNPs在殺蟲劑敏感與抗性種群間存在固定差異。在P450基因的啟動子區(qū)域，有9~10個(gè)SNPs在殺蟲劑敏感與抗性種群間存在差異，其中有3個(gè)SNPs分布在殺蟲劑抗性種群的CYP6B2啟動子區(qū)。CYP6B2參與調(diào)控了蘋果蠹蛾抵抗殺蟲劑毒性的關(guān)鍵過程，可見這3個(gè)SNPs在蘋果蠹蛾適應(yīng)殺蟲劑毒性中起到了重要作用。圖4. 殺蟲劑抗性響應(yīng)基因中SNPs分布該研究組裝獲得了準(zhǔn)確度高、完整性好的蘋果蠹蛾基因組，系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)蘋果蠹蛾大約在141百萬年前與鱗翅目發(fā)生分歧。基于組裝完成的參考基因組，該研究對蘋果蠹蛾感受化學(xué)信號、抵抗殺蟲劑毒性的機(jī)制進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)嗅覺受體基因OR3的復(fù)制增強(qiáng)了蘋果蠹蛾尋找食物和配偶的能力，CYP6B2在蘋果蠹蛾抵抗甲基谷硫磷和溴氰菊酯這兩種廣譜性殺蟲劑毒性的過程中起到了關(guān)鍵作用。該研究不但為開展蘋果蠹蛾適應(yīng)機(jī)制研究奠定了遺傳學(xué)基礎(chǔ)，還為制定可持續(xù)的蟲害防治策略提供了科學(xué)依據(jù)。Wan F, Yin C, Tang R, et al. A chromosome-level genome assembly of Cydia pomonella provides insights into chemical ecology and insecticide resistance[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 1-14
|
