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ManBetX联合分子植物科学卓越创新中心揭示东方粘虫远距离迁飞的分子基础

文章来源:粮食作物害虫监测与控制创新团队      作者:江幸福 张 蕾   点击数: 次      发布时间:2022-12-23

北京时间2022年12月20日晚,ManBetX(中国)官方网站迁飞害虫创新任务联合中科院分子植物科学卓越创新中心昆虫适应性进化团队,在Cell Reports杂志发表了题为“The oriental armyworm genome yields insights into the long-distance migration of noctuid moths”的研究论文。该研究首次报道了我国粮食作物重大迁飞性害虫—东方粘虫染色体水平参考基因组,并综合利用基因组学、转录组学、行为学和功能遗传学等手段,解析了东方粘虫迁飞定向、迁飞与生殖、迁飞行为“二次调控”以及迁飞型分化等标志性迁飞生物学的遗传基础。

东方粘虫 Mythimna separata (Walker)是一种典型的季节性远距离迁飞害虫,也是我国及其它亚洲和澳洲国家粮食作物上重大害虫,对我国粮食安全和生物安全造成重大威胁,2020年被列入国家一类农作物病虫害名录。我国在粘虫迁飞危害规律及其演变、迁飞行为发生与调控机制、监测预警和异地测报以及区域性综合治理技术等方面取得显著进展,但调控其迁飞生物学重要特性的生理和分子机制还不完全清楚。

通过三代基因组测序技术,获得了一个高质量的东方粘虫染色体水平参考基因组。基因组大小为665.7 Mb,N50长度为22.2 Mb,其中99.9%的组装contigs被锚定在31条染色体上。注释出了17,067个蛋白质编码基因,其中嗅觉受体(ORs)、味觉受体(GRs)、离子感受器(IRs)、气味结合蛋白(OBP)和化学感觉蛋白(CSP) 5个基因家族中,发现粘虫的GRs发生了大幅度的扩张,编码多达354个GRs,揭示了粘虫较强的化学感受能力。

通过基因组注释到3个磁受体相关基因( MagR , cry1 and cry2 ),RT-qPCR表明 MagR 广泛表达于粘虫的头部、胸部和腹部,而 Cry2 主要表达于头部和胸部。最重要的是,发现迁飞型成虫的 MagR Cry2 在这些组织中的表达量明显高于居留型。此外, MagR Cry2 在暗期的表达量要显著高于光期。进一步通过RNAi敲低磁受体基因( MagR Cry2 ),并开展相关的定向行为功能验证表明,粘虫可能利用地磁场来判断迁飞的方向,这为解析夜间迁飞的昆虫定向机制提供了依据。

通过转录组分析发现,迁飞型粘虫成虫随着发育和性成熟而上调的基因在4个途径上显著富集,包括昆虫激素生物合成途径和其他3个与蛋白质合成和降解相关的途径。昆虫激素生物合成途径中显著上调的基因包括JH生物合成最后两步所涉及的酶,实际上大多数与JH合成相关的基因均在成虫性成熟时表达量增高,也支撑了JH在迁飞型生殖中发挥作用这一观点。RT-qPCR表明中等程度的飞行显著促进促咽侧体肽基因at上调,抑制咽侧肽基因ast下调,jhe也表现出飞行相关性。进一步通过AT多肽注射和at基因RNAi干涉正反向操作发现,初羽化迁飞型注射AT多肽后显著缩短产卵前期,提高产卵率,而at基因被干涉后则起相反作用。该结果揭示了适度飞行显著促进生殖以及迁飞型“二次调控”的分子机制。

通过迁飞型和居留型转录组分析比较,鉴定出一系列可能影响粘虫不同发育阶段的表型可塑性基因,包括参与蛋白质加工、激素调节和多巴胺代谢的基因。进一步应用CRISPR/Cas9技术进行基因编辑,揭示了粘虫黑化相关基因的功能:敲除pale基因会导致粘虫表皮角质层色素沉着减少,而敲除ebony基因导致粘虫幼虫头壳、蛹和成虫表皮角质层颜色加深。pale和ebony的成功敲除不仅揭示了它们各自在形成黑化性状方面的作用,而且还在这种农业重大害虫上成功建立了一种高效的基因操作系统,对后期关键基因的功能研究以及遗传防治应用有重要意义。

综上,该研究对东方粘虫远距离迁飞适应性的分子基础提供了重要的证据,并促进了对夜间迁飞性害虫迁飞生物学的理解。

ManBetX(中国)官方网站童丹丹博士、张蕾研究员和中国科学院分子植物科学卓越创新中心武宁宁博士为论文共同第一作者,ManBetX(中国)官方网站江幸福研究员和中国科学院分子植物科学卓越创新中心詹帅研究员为共同通讯作者,ManBetX(中国)官方网站为第一单位。美国USDA-ARS Coates B. S. 博士和Sappington T.W.教授对文稿进行了评论和修改。本研究得到国家自然科学基金(No. 32072420, 31871951, 32021001),国家绿肥产业技术体系(CAR-22),中国科学院项目(XDB27040205,XDPB16)资助。本项工作也得到了美国USDA-ARS项目(5030-22000-019-00D)的支持。

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111843