近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所在茶樹重大害蟲——灰茶尺蠖染色體基因組組裝及基因編輯研究上取得重要突破，相關(guān)研究成果以“灰茶尺蠖染色體級(jí)別參考基因組及基因編輯”（“Chromosome‐level genome reference and genome editing of the teageometrid”）為題在線發(fā)表在知名期刊《Molecular Ecology Resources》上。該研究結(jié)果為灰茶尺蠖基因組學(xué)及種群與寄主的生態(tài)適應(yīng)性研究提供了關(guān)鍵的基因組資源。
灰茶尺蠖是在我國(guó)茶園分布最廣、危害最大的一種食葉類害蟲。研究采用三代納米孔測(cè)序技術(shù)結(jié)合二代轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，獲得灰茶尺蠖接近完整的基因組787.4 Mb、31條染色體和18 746個(gè)編碼基因。
注：（a）-灰茶尺蠖生活史，（b）-灰茶尺蠖幼蟲，（c）-灰茶尺蠖成蟲，（d）-灰茶尺蠖田間為害狀。
圖1 灰茶尺蠖生活史及生態(tài)照
注：（a）-灰茶尺蠖基因組在31條染色體上的分布特征，（b）-灰茶尺蠖與家蠶染色體水平基因組比較。
圖2 灰茶尺蠖染色體水平基因組組裝示意圖
研究詳細(xì)注釋了63個(gè)氣味受體基因、184個(gè)味覺受體基因、31個(gè)離子通道受體、48個(gè)氣味結(jié)合蛋白基因、22個(gè)化學(xué)感受蛋白基因等與化學(xué)感受相關(guān)的基因，同時(shí)獲得了132個(gè)P450多功能氧化酶基因、118個(gè)ATP-結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)基因、102個(gè)羧酸酯酶基因、59個(gè)UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶、34個(gè)谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶基因等重要的與解毒相關(guān)的基因。通過與其他鱗翅目昆蟲解毒和化感相關(guān)基因家族比較，發(fā)現(xiàn)灰茶尺蠖P450基因中的CYP6家族出現(xiàn)了特異的基因擴(kuò)張，并且味覺受體基因中也出現(xiàn)大量基因家族的擴(kuò)張，說明灰茶尺蠖這種以主要寄主命名的昆蟲具有多食性的潛質(zhì)。
圖3 灰茶尺蠖中與寄主適應(yīng)性相關(guān)基因家族鑒定與系統(tǒng)發(fā)育分析
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還用CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)首次成功建立了灰茶尺蠖的基因編輯體系，敲除一個(gè)調(diào)控體節(jié)發(fā)育的Abd-A基因后可以獲得體節(jié)變異突變體，為后續(xù)開展灰茶尺蠖基因功能研究提供了技術(shù)支持。
注：（a）-Abd-A基因結(jié)構(gòu)個(gè)突變靶點(diǎn)，（b）-突變體基因型隨機(jī)選擇，（c）-敲除Abd-A基因后獲得體節(jié)變異突變體。
圖4 使用基因編輯技術(shù)對(duì)灰茶尺蠖Abd-A基因突變
灰茶尺蠖一直以來被當(dāng)作“茶尺蠖”為人認(rèn)知。近年來，使用茶尺蠖核型多角體病毒對(duì)“茶尺蠖”進(jìn)行防治發(fā)現(xiàn)，不同地理種群防治效果存在差異。采用形態(tài)學(xué)與分子生物學(xué)相結(jié)合的方法研究明確了我國(guó)茶園中的“茶尺蠖”實(shí)際存在兩個(gè)種：灰茶尺蠖Ectropis grisescens和茶尺蠖Ectropis obliqua。二者外形極為相近，其CO1基因遺傳距離的差異在3.2%～4.0%，遺傳學(xué)上具有較為親近的親緣關(guān)系，是一對(duì)近緣種昆蟲。相比茶尺蠖，灰茶尺蠖分布區(qū)域更為廣泛，對(duì)茶尺蠖病毒抗性更高，因此對(duì)茶葉的為害更為嚴(yán)重。進(jìn)一步研究表明，兩近緣種的生物學(xué)特征、性信息素成份、共生菌組成存在明顯差異。且二者間可以交配產(chǎn)卵，但存在生殖隔離和生殖競(jìng)爭(zhēng)。該研究對(duì)灰茶尺蠖基因組的破譯和基因編輯技術(shù)上取得的突破也為深入開展茶尺蠖兩近緣種相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。
論文共同第一作者為中國(guó)科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所的潘云潔博士、房剛奇博士和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所博士后王志博副研究員，共同通訊作者為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所肖強(qiáng)研究員和中國(guó)科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所的詹帥研究員。
該研究在中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(XDB27040205)、(QYZDB-SSW-SMC029)和國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金(31672370)的資助下完成。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1755-0998.13385
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