白背飞虱翅型分化和抗病毒机制的网络分析及其基因组数据库的构建

发布时间：2020-05-24 06:14

【摘要】：白背飞虱是一种水稻害虫,它不仅直接吸食水稻,还是水稻病毒的传播介体,并且具有很强的迁飞能力,对水稻生产造成了巨大的损失。因此它是研究植物宿主-植物病毒-介体昆虫相互作用模式,以及昆虫翅膀表型可塑性的理想模型。为了探究白背飞虱与南方水稻黑条矮缩病毒(Southern rice black-streaked dwarf virus,SRBSDV)的互作,及其翅型分化的调控机制,我们分别构建了翅型分化和免疫相关的白背飞虱基因相互作用网络,并结合了RNA-Seq和ChIP-Seq数据,来从网络水平揭示基因和信号通路在翅型分化和免疫反应中的作用,并鉴定和验证了在其中起到调控作用的新基因。首先,表型可塑性是昆虫中一种常见的高度适应环境的现象,相同的基因型可以响应环境的变化而产生不同的表型。白背飞虱的翅二型现象就是其中的一个代表。之前的研究表明Insullin-PI3K-Akt-FOXO信号通路在飞虱的翅型分化调控中起到至关重要的作用。然而,该通路的其他调控基因以及下游效应基因仍不完全清楚。我们从转录组分析中发现,飞行肌肉基因和能量代谢基因在长翅型翅芽中高表达,而且飞行肌肉基因的转录本在两种翅型中有显著的剪接方式差异,这表明长翅型个体的翅膀有更强大的飞行能力和更活跃的能量代谢。接下来,我们基于FOXO的ChIP-Seq数据,预测了1259个FOXO的靶基因,其中包括翅型分化、飞行肌肉和能量代谢基因。随后我们整合了基于蛋白质同源关系、共表达和GO语义相似性的方法预测的基因相互作用,以及FOXO-靶基因之间的相互作用,构建了全基因组规模的基因相互作用网络,并通过MCL聚类方法得到了多个与生理功能高度相关的网络模块。在IIS-PI3K-Akt-FOXO通路相关模块中,我们发现了45个与该通路的基因有直接相互作用的差异表达基因,这些基因被视为可能调控翅型分化的候选基因。我们从中挑选了5个基因通过RNAi敲除实验进行功能验证,结果表明这5个基因都能够调节翅型分化。该研究对白背飞虱的翅型分化调控提供了有价值的线索,并且证明了网络分析是鉴定表型调控新基因的有效方法。之后我们又通过类似的生物网络与组学数据相结合的方法,构建了白背飞虱的免疫相关网络,并利用感染SRBSDV的雄性和雌性白背飞虱的转录组数据,鉴定了白背飞虱受SRBSDV诱导后被激活或抑制的基因、通路和免疫相关网络模块。我们发现白背飞虱对病毒的免疫反应具有性别二态性,包括RNA干扰通路在内的多个免疫通路在雄性和雌性中对病毒的响应不同;内吞相关网络模块的基因表达量随着病毒滴度而发生明显变化;在雌性中与繁殖力相关的卵黄蛋白原的表达量随着病毒滴度的升高而上调,说明SRBSDV可能使雌性白背飞虱的繁殖力增强。最后,我们实验室首次完成了白背飞虱的基因组组装和注释,并积累了较为丰富的白背飞虱多组学数据。在此基础上,我们建立了白背飞虱的基因组数据库网站,提供基因组学数据和其他高通量测序数据的查询、可视化和下载服务,旨在丰富白背飞虱的研究资源,为今后的相关研究奠定良好的基础。
【图文】：

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危害严重的水稻害虫，属于半翅目为食，对东亚和东南亚地区的水稻的温带和热带地区长距离迁徙［１］。成水稻延迟分蘖，导致发育迟缓，每年将近毁掉１０００万公顷稻米作毒，包括南方水稻黑条矮缩病毒，，稻中迅速传播，导致严重损失，这明，ＳＲＢＳＤＶ可以通过白背飞虱有虫褐飞虱（Ｎｉｌａｐａｒｖａｔａ邋ｌｕｇｅｎｓ）和。并且白背飞虱的远距离迁移能力营养杂交水稻品种的栽培种植和气大的繁殖能力，共同导致白背飞虱力，许多研宄集中于其摄食习性、水稻黑条矮缩病毒的抗病毒机制的

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均由基因型决定，但表型会响应环境条件的变化，如温度，宿主质量，种群密逡逑度和光照周期等因素，都会影响翅型之间的转化。白背飞虱雄性成虫通常是单逡逑一的长翅型，而雌性成虫表现出翅二型现象（图１．２）。在较低的种群密度和较逡逑好的营养条件下形成短翅型，而过度拥挤和营养不良则促进了长翅型的形成。逡逑长翅型具有功能性飞行结构，因此它们容易逃离不利的栖息地去寻找更好的资逡逑源，而短翅型个体是不会飞行的，但通常比长翅型个体具有更高的繁殖力［９］。逡逑然而，种群密度与翅型之间的相关性随着地理区域的不同而有所不同。在温带逡逑区域，翅型与种群密度密切相关，但在菲律宾、印度尼西亚、马来西亚等一些逡逑热带区域，翅型的变化与种群密度的关联性较弱。宿主的质量也是影响飞虱翅逡逑型分化的关键因素。雌性飞虱摄食低质量的食物会产生更多的长翅型个体，而逡逑且不受种群密度的影响。相反
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S435.112.3

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