【Nat.Commun】飞蝗荣登最大动物基因组榜首，支招摆脱蝗灾防控困扰
【Nat.Commun】飞蝗荣登最大动物基因组榜首，支招摆脱蝗灾防控困扰
2014/01/16 19:17:07
来自中国科学院动物研究所、深圳华大基因研究院等单位的科研人员成功破译了迄今为止最大的动物基因组–飞蝗全基因组序列图谱，为揭示蝗灾暴发机制，开发可持续性治理策略及新的控制方法提供了宝贵的遗传资源，也为推进飞蝗成为研究人类疾病和行为的生物医学模型奠定了重要基础。最新研究成果于2014年1月14日在《自然o通讯》（Nature Communications）杂志上在线发表。
飞蝗基因组大小约6.5GB，是人类基因组的两倍多，约是果蝇基因组的30倍，是目前科学家成功破译的最大动物基因组。在迄今为止被破译的近百个动物物种中，不乏个体外观较大的动物如小须鲸、藏羚羊、东北虎、白鳍豚，但超乎人们想象的是，个体如此之小的蝗虫竟拥有如此庞大的基因组。动物体形大小与基因组大小并不成比例，这是当今生物学界的一个未解之谜。
在本研究中，科研人员发现飞蝗之所以拥有如此巨大的基因组是由于自身转座因子的扩增以及这些因子相对缓慢的损失速度导致的，一般飞蝗基因组中转座因子损失的速度明显慢于其他昆虫。此外，在飞蝗基因组中，他们发现至少60%的区域存在着大量重复序列，约有2,639个重复序列家族，然而位于前十的重复序列家族总数仅占整个基因组序列的10%，这表明在飞蝗基因组中没有占据主导地位的家族基因。
飞蝗具有聚群和长距离迁徙能力。数以亿计的飞蝗能够突然且不可预计的形成蝗群，它们能够以每天数百千米的速度飞行甚至是穿越海洋。为了探究飞蝗强大的迁徙能力，科研人员发现与脂肪转移和抗氧化剂保护有关的基因发生了显著拷贝数扩增。这些基因包括7个PAT家族蛋白，11个脂肪酸结合蛋白，9个半胱氨酸抗氧化剂蛋白，12个谷胱甘肽巯基转移酶基因。此外，这些家族基因的部分基因在飞蝗飞行前后的脂肪体组织中发生了差异性表达，这说明这些家族基因可能在飞蝗飞行过程中扮演了重要的角色。由于飞行是昆虫消耗能量最大的运动之一，参与脂肪代谢的基因的扩增表明飞蝗已经形成了高效的能量供应系统，从而满足其在长距离飞行中高强度的能量消耗。
型变是一种依赖于密度的非遗传多型性，是蝗虫的一个重要特征，它涉及到一系列的生物和表型特性，包括身体颜色、形态、行为、生理、免疫反应及其它方面的变化。群体密度的增加可引发蝗虫从散居向群居的转变，导致蝗虫大量地聚集到一起，这种变化可快速发生、具有可逆性，并且在不同的亚种中转变的速度迥异。在本次研究中，科研人员首次揭示出两型转变的深层次原因，并表明型变与飞蝗周边及中枢神经系统中参与微管动力调控的多分子进程有关。科研人员表示调控神经可塑性的基因在表达量、DNA甲基化以及可变剪切方面均发生了明显变化。这些基因可能在控制飞蝗形成大的群体过程中发挥重要功能。
此外，科研人员还发现数百个潜在的杀虫剂目标基因，包括半胱氨酸环配体门控离子通道，G蛋白偶联受体以及一些致死基因，对今后控制蝗虫灾害提供了新的思路。飞蝗喜欢禾本科植物作为食物来源，研究人员发现飞蝗身体中的代谢解毒酶类（糖苷键转移酶）的基因数目在所有已测序昆虫中最为丰富，这类酶能够降解禾本科植物中存在的特定次生代谢物，为解释飞蝗以禾本科植物为食的原因提供了重要的科研依据。
The locust genome provides insight into swarm formation and long-distance flight
Nature Communications doi:10.1038/ncomms3957
Xianhui Wang,Xiaodong Fang, Pengcheng Yang,Xuanting Jiang,Feng Jiang,Dejian Zhao, Bolei Li,Feng Cui,Jianing Wei,Chuan Ma,Yundan Wang,Jing He,Yuan Luo, Zhifeng Wang,Xiaojiao Guo,Wei Guo,Xuesong Wang,Yi Zhang,Meiling Yang,Shuguang Hao et al.
Locusts are one of the world’s most destructive agricultural pests and represent a useful model system in entomology. Here we present a draft 6.5?Gb genome sequence of Locusta migratoria, which is the largest animal genome sequenced so far. Our findings indicate that the large genome size of L. migratoria is likely to be because of transposable element proliferation combined with slow rates of loss for these elements. Methylome and transcriptome analyses reveal complex regulatory mechanisms involved in microtubule dynamic-mediated synapse plasticity during phase change. We find significant expansion of gene families associated with energy consumption and detoxification, consistent with long-distance flight capacity and phytophagy. We report hundreds of potential insecticide target genes, including cys-loop ligand-gated ion channels, G-protein-coupled receptors and lethal genes. The L. migratoria genome sequence offers new insights into the biology and sustainable management of this pest species, and will promote its wide use as a model system.