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它危害近百國農作物!全球首個草地貪夜蛾染色體級別基因組公布,由華大聯合云南農大等多家科研機構完成!

發布日期:2019/06/19 瀏覽次數:

草地貪夜蛾是聯合國糧農組織全球預警的跨國界遷飛性農業重大害蟲,已經對全球近100個國家造成了農作物危害。

        今年5月,深圳華大生命科學研究院和云南農業大學共同牽頭,聯合中國科學院動物研究所、廣東省農科院、青島農業大學等多個單位共同成立研究小組,對入侵中國的草地貪夜蛾進行全基因組測序研究,并于近日完成了基因組構建,全球首次公布了草地貪夜蛾的高質量染色體水平的基因組,相關研究內容已經在BioRxiv上進行了預印刊載。

BioRxiv網站截圖

外來害蟲,飛速擴展,危害極大


        草地貪夜蛾是一種鱗翅目,夜蛾科,灰翅夜蛾屬的昆蟲,原產于美洲熱帶和亞熱帶地區,是以玉米等禾本科作物為食的雜食性害蟲。其于2016—2018年,先后傳入非洲、亞洲,并迅速在53個國家蔓延,造成非洲、亞洲部分地區玉米、甘蔗等作物減產20%~30%,嚴重區域出現毀種絕收現象。


草地貪夜蛾分布圖

        2019年1月,該物種由東南亞侵入我國云南、廣西,目前已在18個省(區、市)被發現,覆蓋我國200余萬畝糧食產區。此外,草地貪夜蛾繁殖能力是一般害蟲的2-5倍,且遷移能力極強,成年的草地貪夜蛾一晚能飛行100公里,加上季風因素對其遷移速度的助推,當前已經在全國形成了迅猛擴展之勢。

        同時,由于在當前的防治過程中發現,草地貪夜蛾有明顯的抗藥性,而我國目前還沒有防治該害蟲的登記農藥,因此草地貪夜蛾已對我國當前的農業及糧食生產安全造成了嚴重威脅。我們亟需通過包括基因組學在內的前沿科學研究,加深對該物種的認識,從而找到根源上防治該入侵物種的關鍵路徑。

國產技術,迅速響應,實現突破


        今年5月,針對草地貪夜蛾的迅速發展態勢,國內多個單位共同成立研究小組,迅速開展了樣本采集和基因測序工作。


        基于華大集團旗下華大智造自主研發的基因測序儀(MGISEQ-2000),研究組在獲得樣品之后4天內完成了單管長片段全基因組測序(stLFR技術)以及染色體構象捕獲測序(Hi-C),并在兩周內完成了數據分析,完成全球首個草地貪夜蛾染色體級別的基因組組裝,無論在基因組完整性還是基因集的完整性上,均超過了當前已有成果。同期完成全基因組測序的有采自云南和廣東的草地貪夜蛾各兩只,公布的數據包括了一雌一雄兩只蛾的完整基因組數據,整體數據量超過了1.5 Tb。



             雄性個體(左),雌性個體(右)

蟲蛾基因,抗藥機制,危害預警

        雖然聯合研究組制訂的整體研究計劃還在進一步開展中,目前在基因組測序方面取得的進展已經為該害蟲的防治工作提供了一定的可借鑒信息。

        在構建的草地貪夜蛾基因組上,研究團隊在該物種的12,516個基因家族發現了細胞色素p450和谷胱甘肽巰基轉移酶兩個基因家族嚴重擴張,其中細胞色素p450基因家族與解毒功能密切相關,推測主要控制其高度雜食性,而谷胱甘肽巰基轉移酶基因家族與抗藥性密切相關,推測主要驅動其農藥抗性。



        除了解釋草地貪夜蛾高耐藥性的可能分子機制之外,基因組數據還提供了更加精細的類別信息。已有研究表明,草地貪夜蛾包括主要以玉米為食的類型(C型)和主要以水稻為食的類型(R型)。通過對本次研究目前已經測序的四個個體展開分析,研究組發現入侵中國的草地貪夜蛾種群有C和R兩種類型,確定有非洲入侵,但不排除有其他地區入侵。

        在測序的四只草地貪夜蛾中,通過分析Tpi基因第4外顯子的8個決定型別的分子標記,發現3個個體屬于C型(2個云南,1個廣東),1個個體(廣東)可能屬于R型。同時通過構建基于該基因第4外顯子的系統發育樹,也支持該鑒定結果。進一步分析結果表明屬于R型的廣東個體的單倍型為非洲特有。因此,型別的分析對草地貪夜蛾的防治提出了警示,需要防范不同型別可能帶來的不同危害。

數據共享,聯合研究,推動防治

        目前,研究組完成的全球首個草地貪夜蛾染色體級別的基因組,已經在基因組數據共享平臺——國家基因庫生命大數據平臺(CNGBdb) (https://db.cngb.org/search/project/CNP0000513/)上公開,可供研究者下載使用。高質量的基因組數據能夠加速后續科學研究。

        研究組目前正在開展針對草地貪夜蛾的進一步研究,包括進一步的抗農藥分子機制研究等,同時研究組也希望同國內更多相關的科研院所進一步開展合作,充分發掘、利用基因組數據,推動草地貪夜蛾的科學防治,提高防治效率,降低其可能造成的危害。



文章鏈接:

Chromosome level draft genomes of the fall armyworm, Spodopterafrugiperda (Lepidoptera: Noctuidae), an alien invasive pest in China

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/671560v1


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