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科研進展| 基因组所团队揭示苹果蠹蛾入侵机制

來源: 發布者: 時間:2019年09月18日

  9月17日,由中国农科院深圳農業基因組研究所万方浩团队牵头的重要入侵生物苹果蠹蛾入侵机制研究取得突破,成果发表于《自然·通讯》(Nature Communications)上。该文章利用基因组学数据,从基因复制和突变两个角度,揭示了苹果蠹蛾在全球入侵过程中的寄主适应性进化和抗药性的分子机制,为苹果蠹蛾的综合治理提供了新思路与新方法。

  

  爲入侵生物學提供了組學研究思路

  苹果蠹蛾 Cydia pomonella是世界重大入侵害虫 ,原产于欧亚大陆南部地区,以幼虫钻蛀到苹果、梨等果实为害(图1a和b)。目前已入侵六大洲70个国家(图1c),在我国年发生面积约为75万亩,造成的经济损失高达3亿元/年。苹果蠹蛾对非疫区威胁的压力持续增加,潜在经济损失将高达140亿元/年。

  

  图1 苹果蠹蛾蛀果危害和全球扩散分布图

  

  研究團隊借助二代Illumina、三代PacBio、BioNano和HiC等高通量测序技术,构建了高质量的染色体水平的苹果蠹蛾基因组,分析了其化学感受和抗药性基因家族的进化,并利用全基因组关联分析(Genome-wide association study)鉴定了与化学农药抗性相关基因的突变。分析发现,苹果蠹蛾气味受体(Odorant receptors, ORs)基因家族中多个基因在进化过程中发生了拷贝事件,其中包括OR3基因的拷贝(OR3是苹果蠹蛾寄主植物挥发物的主要化学成分梨酯的受体基因),生成了OR3a和OR3b,为了验证OR3a和OR3b在梨酯识别和梨酯对性信息素增效中的作用机制,研究人员通过生物信息学分析、表达谱、荧光原位杂交试验和电生理试验等确定了两个基因均能识别梨酯和性信息素,进一步通过RNAi技术分别单独和同时干扰了这两个基因,通过爪蟾卵母细胞和双电级电压钳记录了干扰后的苹果蠹蛾对两种气味分子的电生理反应,以及利用Y型嗅觉仪检测了干扰后的苹果蠹蛾对两种气味分子的选择行为,结果表明,OR3a和OR3b均是梨酯和性信息素的受体基因,功能上具有互补和协同增效作用,揭示了苹果蠹蛾在全球扩张过程中的寄主适应性进化机制(图2)。通过对抗药性相关基因家族的进化分析发现,苹果蠹蛾基因组中大量的P450基因可能增强其解毒代谢能力。研究发现与敏感品系相比,抗性品系(Raz-甲基谷硫磷和Rv-溴氰菊酯)个体中CYP6B2基因启动子区域有三个位点发生突变,预示着CYP6B2基因参与苹果蠹蛾对甲基谷硫磷和溴氰菊酯两种化学农药的抗性,RNAi结果表明,干扰CYP6B2基因导致苹果蠹蛾四龄幼虫对两种化学农药的敏感性降低,死亡率显著高于对照,而对吡虫啉的敏感性无显著变化,揭示了苹果蠹蛾CYP6B2基因参与了甲基谷硫磷和溴氰菊酯类农药的抗性机制(图3)。这些研究为深度解析外来生物的入侵机制提供了可靠的分子证据,也为创新入侵生物的颠覆性防控技术积累了坚实基础。

  

  图2 苹果蠹蛾寄主植物适应性进化机制

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  图3 苹果蠹蛾抗药性分子机制

 

  

  創建了入侵生物組學國內外大協作的模式

  该成果由中国农科院植保所、中国农科院农业基因组所、浙江大学、西北农林科技大学、CABI-亚洲中心、湖南农业大学、青岛农业大学、美国Kansas大学、意大利IASMA研究与创新中心、捷克ASCR生物中心、法国农业科學研究院等多家单位合作完成,是基因组所牵头发起的“IAS1000(1000 种入侵物种基因组计划)”的首个重大突破成果。

  2018年,基因组所联合国内外数十家单位,发起了IAS1000计划,以组学技术支撑入侵生物学研究。IAS1000首批启动了25个重要入侵动物/杂草、农业害虫与资源动物的基因组测序工作。在国内外多家科研单位的共同努力下,目前薇甘菊、紫茎泽兰、非洲大蜗牛、苹果绵蚜、甜菜夜蛾的测序与分析工作已经完成,椰心叶甲、稻水象甲、番茄潜叶蛾等的基因组测序正在进行中,预期近两年将有一批诠释重要入侵生物入侵机制的成果发布。IAS1000计划为国内外联合开展生物入侵组学研究构建了合作机制与平台 (图4)。

  

  图4 IAS1000计划工作会议

    

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12175-9