棉铃虫多食性基因组学的初步研究

发布时间：2020-03-24 17:02

【摘要】：棉铃虫Helicoverpa armigera属鳞翅目Lepidoptera夜蛾科Noctuidae,是一种世界范围内的重大农业害虫,其寄主范围广泛,目前已报道的寄主达300多种,涉及60多个科。多食性是棉铃虫在农业生态系统中为害严重的主要因素之一。近年来,测序技术和生物信息学发展势头迅猛,使基因组学研究手段得以大规模应用于昆虫学领域。同时棉铃虫分子生物学和转录组学研究成果的大量积累,为棉铃虫基因组学研究的开展奠定了良好基础。本研究首先利用流式细胞术测定了棉铃虫及其近缘种烟青虫的基因组大小;随后对棉铃虫幼虫的中肠、脂肪体和成虫的触角开展了转录组测序,并将测序数据与已公开的棉铃虫转录组数据进行混合组装,得到了棉铃虫融合转录组;第三,运用二代和三代测序技术对棉铃虫进行了全基因组测序,获得了棉铃虫基因组;最后,鉴定了棉铃虫基因组中与食性相关的基因家族,并通过与专食性的家蚕和烟草天蛾的比较基因组学分析,阐述了棉铃虫相关基因家族的系统进化关系及其多食性的分子机制,为揭示棉铃虫爆发致灾机理、开发新型防控策略提供了理论参考。全文主要结果如下:1.流式细胞术的测定结果表明,果蝇头部组织和棉铃虫六种组织(头部、血淋巴、唾液腺、精巢、中肠和马氏管)细胞中普遍存在核内多倍化的现象,其细胞核的DNA倍性组成有三种不同模式:细胞核数目随着核内DNA复制倍数的提高而逐渐减少(果蝇头部、棉铃虫头部、唾液腺、马氏管)、逐渐增加(棉铃虫血淋巴)或先增加而后急剧下降(棉铃虫精巢、中肠)。棉铃虫不同组织的C值测定结果之间有显著差异,这表明选取合适材料对基因组大小的估测至关重要。综合考虑结果误差及组织一致性的因素,我们选择幼虫头部用于后续基因组大小的估测。经测定,棉铃虫和烟青虫基因组大小的估测结果为分别为394 Mb和430 Mb。在铃夜蛾属的演化末端,其物种的基因组大小逐渐收缩,而寄主范围则有扩大的趋势。2.对棉铃虫寄主选择(成虫触角)和解毒代谢(幼虫中肠、脂肪体)功能相关的组织开展了转录组测序,将测序数据与已公布的棉铃虫17个转录组及30532条EST序列(时间截至2015年10月)进行混合组装,构建了一个178.4 Mb大小的棉铃虫融合转录组,其中包含129027条转录本,N50达到3016 bp,经聚类得到53881条unigene。核心数据的对比结果表明融合转录组在信息量、组装质量和完整性等方面得到显著提升。3.通过二代与三代联合测序的策略对棉铃虫进行了全基因组测序,经组装得到1776条scaffold,总大小为402 Mb,scaffold N50达到497.2 kb,基因组内GC含量36.5%,重复序列的比例为22.2%,通过注释得到了20398条蛋白编码基因。质量评估结果显示,该棉铃虫基因组对转录组和节肢动物单拷贝基因的覆盖度均达到92%,表明基因组的组装较为完整。4.通过人工注释,在棉铃虫基因组中鉴定了涉及化学感受和解毒代谢功能的基因家族成员,化学感受类包括44个气味结合蛋白、35个化学感受蛋白、80个气味受体、33个离子受体、4个神经元膜蛋白和185个味觉受体,解毒代谢类包括112个细胞色素P450、92个酯酶、50个谷胱甘肽转移酶和64个ATP结合盒转运蛋白。与专食性的家蚕和烟草天蛾的比较基因组学分析和系统进化分析表明,棉铃虫味觉受体中的苦味受体、细胞色素P450的Clan3和Clan4、E类酯酶、谷胱甘肽转移酶的Epsilon亚家族以及ATP结合盒转运蛋白的ABCC和ABCG亚家族显著扩张,且家族内的成员存在串联复制的现象。化学感受类和解毒代谢类基因家族在基因组层面的种系特异性扩张,从一定程度上解释了棉铃虫寄主范围广泛的生物学特性,有助于其多食性生存策略的演化和形成。
【图文】：

棉铃虫多食性基因组学的初步研究

基因组学研究的一般流程

测序技术,历程

DNA测序技术的发展历程
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S433.4

【参考文献】