BMC Biology | 华中农大棉花遗传改良团队解析棉花主要害虫-中黑盲蝽高质量基因组为棉花抗虫基因工程提供重要“路标”

中黑盲蝽（半翅目：盲蝽科）是一种重要的多食性农业害虫，能够对棉花和大豆等主要作物在内的270多种作物造成危害，给全球作物生产造成了巨大的经济损失。特别是随着Bt抗虫棉的广泛种植，化学杀虫剂的使用量大幅度减少，同第一代的Bt蛋白对盲蝽、蚜虫等刺吸式口器害虫几乎没有毒杀效果，导致以盲蝽为代表的刺吸式口器害虫取得棉花中成为了棉花的主要害虫。中黑盲蝽成虫和若虫均以刺吸式口器取食棉花，主要取食棉花的嫩叶、嫩芽、托叶等营养器官，以及花芽、花蕾、花药、花粉等生殖器官，除此之外幼果、棉桃、成熟果实以及未成熟的种子也是中黑盲蝽的取食对象，导致棉花出现“无头苗”、“破头疯”、畸形、落花、落果等现象，严重影响棉花的产量和品质。此外，中黑盲蝽还是一种病媒害虫，在取食植物的同时传播病毒病害，对农作物造成进一步的危害。中黑盲蝽之所以称为世界范围内的超级害虫，是因为该物种具有以下独特特征：1）杂食性：在幼虫和成虫发育过程中以植物和其他节肢动物（如棉蚜）为食；2） 长距离迁徙能力强，能有效躲避天敌和农药；3） 多种解毒机制，能迅速建立对农药的抗性。目前，对中黑盲蝽的防治主要还是依赖化学杀虫剂，如有机磷酸盐和拟除虫菊酯，但已有大量的抗药性研究报道。

我们前期利用植物介导的RNAi技术创造了能够高量表达中黑盲蝽脂肪酰辅酶A还原酶（FARs，对中黑盲蝽雌性生殖力至关重要的酶）双链RNA的转基因棉花，当中黑盲蝽取食该转基因棉花后，雌性中黑盲蝽的生育能力受到抑制，后代的存活率和种群数量显著下降，显著减轻中黑盲蝽对棉花的危害（Luo et al，New Phytologist, 2017）, 利用同样的RNAi策略获得抗绿盲蝽的棉花新种质 （Liang et al., Journal of Cellular Physiology, 2021）。然而，由于对盲蝽基因组特征认识不足，在利用RNAi技术进行盲蝽防治研究中，缺少害虫精准的基因组信息，很难寻找合适的RNAi靶标基因（能有效抑制生长或直接杀死目标害虫，但对非靶标昆虫、动物无伤害），导致RNAi棉花的抗虫效果达不到Bt抗虫棉的效果，严重阻碍了RNAi转基因棉花在商业化运用。因此，对包括中黑盲蝽在内主要害虫的进行基因组组装和分析是植物抗虫基因工程的必要前提基础，同时也为揭示害虫抗药性机制解析提供重要的遗传基础。

然而昆虫的基因组特征通常比动物和植物更为复杂。例如：1）大规模的迁移能力和快速的繁殖速度使昆虫基因组通常具有较高的杂合性。2）昆虫基因组的大小差异很大，最大的和最小的之间差异超过180多倍。此外，昆虫的个体大小差异巨大，从1毫米到4厘米不等，且组织中的DNA含量很低，较难获得满足测序要求的高质量、高浓度的基因组DNA。而且昆虫坚硬的外壳和有限的能够用于基因组分析的组织含量也使得PacBio 长读长建库测序和HiC测序以辅助染色体的组装非常的困难。所有这些因素使其基因组的组装更具挑战性。到目前为止，大多数已发表的昆虫基因组都是碎片化和不完整的。平均而言，昆虫基因组大小约为439.2 Mb（SD=448.4 Mb），contig N50为1.09 Mb（标准差=4.01 Mb）和有87.5%（SD=21%）的BUSCO完整性（Scott等人，Genome Biology and Evolution，2021）。例如，甜菜夜蛾：大小486 Mb，contig N50 为1.13 Mb（Xiao等人，Mol Ecol Resour，2020）；扶桑绵粉蚧：大小292.54 Mb，contig N50 为489.8 kb（Li等人，Mol Ecol Resour，2020年）；褐飞虱：大小957 Mb，contig N50 为1.01 Mb（Ye等人，Mol Ecol Resour，2021）。苹果蠹蛾：大小682.49 Mb，contig N50 为862 kb（Wan等人，Nat Commun，2019年）；光肩星天牛：大小710 Mb，contig N50 为16.5 kb（Duane et al.，Genome Biology，2016）。

近日，华中农业大学棉花遗传改良团队在BMC Biology上发表题为“The chromosome-scale reference genome of mirid bugs (Adelphocoris suturalis) genome provides insights into omnivory, insecticide resistance, and survival adaptation”的论文，组装了高质量的中黑盲蝽基因组，并分析了杂食、解毒、种群繁殖、性信息素和迁移特征等机制，这将有助于挖掘出更多中黑盲蝽完成生命史所必需的基因，并进一步结合RNAi技术和生物杀虫剂等，以开发新的生物防治策略。

本研究中，作者通过优化昆虫DNA提取的方法，获得了高质量的DNA, 系统整合高深度的Illumina short reads （pair-end 和mate-end reads）、PacBio、10x Chromium和Hi-C测序数据，优化基因组组装策略，获得了组装大小为1.29 Gb的染色体水平的中黑盲蝽参考基因组，其contig和scaffold N50分别为2.8 Mb和120.6 Mb，这在目前的昆虫基因组中有着极高的组装质量。基于高质量的组装，作者对基因组进化进行了分析，发现了发生于近期的DNA和LINE转座子的爆发。

CYP3、UGT397、ABCA和CCEs（α-酯酶链）基因的扩增和多组织的广泛表达有助于提高中黑盲蝽的解毒和抗药性。此外，综合的消化酶谱，包括盲蝽独特的PG基因家族，以及在中黑盲蝽中显著扩增的SP和羧肽酶，赋予中黑盲蝽可取食和消化多种类型的食物。

此外，中黑盲蝽具有惊人的蛋白质摄入量和与蛋白质代谢（脂肪酸结合蛋白、抗氧化剂和过氧化物酶）相关的基因拷贝数发生显著的增加，并且这些基因在中黑盲蝽的脂肪体中高表达，表明中黑盲蝽能够以极高的代谢率消耗蛋白质和脂肪酸来产生能量，以满足其长途飞行期间密集的能量消耗。

在全基因组水平共鉴定出19个高度可靠的中黑盲蝽效应子，并构建超表达载体在烟草中瞬时表达验证其功能，并发现其中3个在农杆菌侵染烟草后表现出明显的坏死表型。

这是该团队继通过转基因棉花表达害虫靶标基因的dsRNAs实现了对中黑盲蝽和绿盲蝽的有效防控（New Phytologist， 2017；Journal of Cellular Physiology， 2021）后的又一重要进展。总的来说，高质量的中黑盲蝽基因组为进一步探索杂食性、杀虫剂抗性和生存适应机制以及中黑盲蝽的综合管理提供了重要的基因组资源，基因组数据的获取和使用可通过http://jinlab.hzau.edu.cn/InsectDB/进行。

华中农业大学棉花遗传改良团队博士后许忠平为论文第一作者，金双侠、丁芳、陈丽珍教授为通讯作者，张献龙教授对研究工作给予了重要指导。华中农业大学的马伟华、湖北大学的罗静和黄淮学院的梁思佳等老师同学参与了该研究工作并提供重要的指导，该研究得到湖北省自然科学基金，国家杰出青年科学基金和河南省科技重点项目的资助。

原文链接：

https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-023-01666-3

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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