中国团队攻克稻飞虱基因组,揭示了其特有的水稻寄生机制-基因农业网

中国团队攻克稻飞虱基因组,揭示了其特有的水稻寄生机制

2014-12-25 | 作者: 华大基因 | 标签: 稻飞虱基因组

稻飞虱尤其是褐飞虱,单一寄生于水稻,以水稻韧皮汁液为食,是对全世界最重要的食物来源-水稻最具破坏性的害虫。褐飞虱具有很多特性导致它能经常发生严重的爆发,例如长距离迁飞、单一寄生于水稻、有多种内共生微生物、高繁殖力。这种问题在大量新的抗性水稻品种和新的杀虫剂研发出来后仍然没法避免。此次,浙江大学昆虫科学研究所的张传溪教授、携手华大基因研究院和深圳国家基因库的周欣研究员、以及华大科技等单位的研究团队,历经多年努力,成功完成了稻飞虱基因组测序与分析,获得了首个稻飞虱全基因组序列图谱,研究成果发表在12月3日的Genome Biology (Xue et al. Genome Biology 2014, 15: 521)上。该研究成果解析了水稻的重要害虫褐飞虱(BPH)的基因组序列,将为了解褐飞虱提供坚实的基础,为水稻害虫防治的研究带来重大变革。

该研究使用全基因组鸟枪法测序结合Fosmid to Fosmid测序组装的方法,得到了共1.14Gb的褐飞虱基因组序列,并注释得到27,571个蛋白编码基因。通过对褐飞虱和其它14个节肢动物基因家族的研究,研究人员发现褐飞虱跟蝽是姊妹分类单元,它们两者一起跟蚜虫是姊妹种系,都属于半翅目。半翅目的三个物种基因数目、特异基因数目都比其他昆虫多,显示出半翅目物种的基因扩张现象。

为了研究褐飞虱水稻专一食性的特点,作者对褐飞虱的四类化学感受器受体多基因家族OBPs、CSPs、ORs和GRs做了分析。OBP和CSP是从外界环境感知化学信号的信号结合蛋白,能识别植物挥发物。褐飞虱的OBP和CSP基因在所有主要分枝中都有,所有这两种基因在所有昆虫中都保守。很多OBP和CSP基因在褐飞虱的触角和头部高表达。还有很多CSP基因在褐飞虱足部高表达或特异表达,揭示了足部在嗅觉感知中的作用。化学受体分子,包括OR和GR,能把化学信号转换为神经元活动。杂食性昆虫的OR基因数目高于寡食性和单食性昆虫。而褐飞虱的OR和GR基因家族收缩,这也与褐飞虱只以水稻韧皮汁液为食的严格单食性特性相符。此外,研究还发现褐飞虱中解毒和消化相关基因存在着基因丢失现象,如P450、GST基因数目很少,淀粉降解必须的alpha-淀粉酶缺失,几丁质合成酶CHS2缺失等,这些特点也许和褐飞虱的专一水稻韧皮汁液为食的生活习性相关。

水稻韧皮汁液营养组成成份极不平衡,不能满足稻飞虱正常生长发育需要。为了更好的适应水稻寄生生活,褐飞虱还与真菌YLS和细菌Arsenophonus nilaparvatae组成了共生系统。研究人员对真菌YLS和细菌Arsenophonus nilaparvatae做了组装注释,并分析了三者的共生关系。发现褐飞虱缺少的10种必需氨基酸合成能力,在YLS中都能找到对应的氨基酸合成基因。还发现YLS有能力利用尿酸,跟褐飞虱一块形成了氮素循环的完整途径。YLS能合成酵母甾醇中间产物,褐飞虱参与利用酵母甾醇中间产物进一步合成胆固醇,从而形成完整的胆固醇合成途径。另外,YLS和褐飞虱在维生素生物合成途径上都有缺陷,但Arsenophonus nilaparvatae带有完整的维生素B合成途径,预示这种共生细菌为褐飞虱提供维生素。

褐飞虱基因组测序和研究,揭示了褐飞虱-共生真菌YLS-共生细菌三者的依存关系,也研究了褐飞虱专一食性、迁飞的机理,这些都为有效的害虫防治提供了指导方向。褐飞虱参考基因组序列,给后续的重测序研究提供了基础,也为褐飞虱不同种群间差异、迁徙途径的研究提供了根基。

来源:华大基因

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