重大入侵害虫苹果蠹蛾染色体水平的基因组研究揭示其化学生态和抗药性分子机制

    由中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室万方浩团队牵头,中国农科院深圳农业基因组研究所、浙江大学、西北农林科技大学、湖南农业大学、CABI-亚洲中心、青岛农业大学、美国Kansas大学、意大利IASMA研究与创新中心、捷克ASCR生物中心、法国农业科学研究院等单位合作完成的题为“ 苹果蠹蛾染色体水平的基因组研究揭示其化学生态和抗药性分子机制A chromosome-level genome assembly of Cydia pomonella provides insights into chemical ecology and insecticide resistance”的研究论文,于2019年9月17日在《Nature Communications》在线发表。该文章是“IAS1000(1000 种入侵物种基因组计划)”的首个合作成果,多国科学家联合从基因复制和突变两个角度,揭示了苹果蠹蛾在全球入侵过程中的寄主适应性进化和抗药性的分子机制,为苹果蠹蛾的综合治理提供了新思路与新方法。
    研究背景:
    世界重大入侵害虫苹果蠹蛾 Cydia pomonella  原产于欧亚大陆南部地区,以幼虫钻蛀到苹果、梨等果实为害(图1a),造成严重落果(图1b)。目前已入侵六大洲70个国家(图1c),在我国年发生面积约为75万亩,造成的经济损失高达3亿元/年。苹果蠹蛾对非疫区威胁的压力持续增加,潜在经济损失将高达140亿元/年。

    成果概述:
    该研究借助二代Illumina、三代PacBio、BioNano和Hi-C等高通量测序技术,构建了高质量的染色体水平的苹果蠹蛾基因组,分析了其化学感受和抗药性基因家族的进化,并利用全基因组关联分析(Genome-wide association study)鉴定了与化学农药抗性相关基因的突变。分析发现,苹果蠹蛾气味受体(Odorant receptors, ORs)基因家族中多个基因在进化过程中发生了拷贝事件,其中包括 OR3 基因的拷贝( OR3 是苹果蠹蛾寄主植物挥发物的主要化学成分梨酯的受体基因),生成了 OR3a 和 OR3b ,为了验证 OR3a 和 OR3b 在梨酯识别和梨酯对性信息素增效中的作用机制,研究人员通过生物信息学分析、表达谱、荧光原位杂交试验和电生理试验等确定了两个基因均能识别梨酯和性信息素,进一步通过RNAi技术分别单独和同时干扰了这两个基因,通过触角电位技术(EAG)记录了干扰后的苹果蠹蛾对两种气味分子的电生理反应,以及利用Y型嗅觉仪检测了干扰后的苹果蠹蛾对两种气味分子的选择行为,结果表明, OR3a 和 OR3b 均是梨酯和性信息素的受体基因,功能上具有互补和协同增效作用,揭示了苹果蠹蛾在全球扩张过程中的寄主适应性进化机制(图2)。通过对抗药性相关基因家族的进化分析发现,苹果蠹蛾基因组中大量的 P450 基因可能增强其解毒代谢能力。
    研究发现与敏感品系相比,抗性品系(Raz-甲基谷硫磷和Rv-溴氰菊酯)个体中 CYP6B2 基因启动子区域有三个位点发生突变,预示着 CYP6B2 基因参与苹果蠹蛾对甲基谷硫磷和溴氰菊酯两种化学农药的抗性,RNAi结果表明,干扰 CYP6B2 基因导致苹果蠹蛾四龄幼虫对两种化学农药的敏感性升高,死亡率显著高于对照,而对吡虫啉的敏感性无显著变化,揭示了苹果蠹蛾 CYP6B2 基因参与了甲基谷硫磷和溴氰菊酯类农药的抗性机制(图3)。这些研究结果为苹果蠹蛾的综合治理提供了坚实的理论基础。

    发展前景:
    在我国《生物入侵:中国方案》总体规划框架指导下,2018年在中国农科院深圳农业基因组研究所成立了“IAS1000(1000 种入侵物种基因组计划)联盟”(图4),首批启动了25个重要入侵动物/杂草、农业害虫与资源动物的基因组测序工作(doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2018.22.017)。该论文的发表标志着IAS1000计划首战告捷。在国内外多家科研单位的共同努力下,目前薇甘菊、紫茎泽兰、非洲大蜗牛、苹果绵蚜、甜菜夜蛾的测序与分析工作已经完成,椰心叶甲、稻水象甲、番茄潜叶蛾等的基因组测序正在进行中,预期至明年底将有一批诠释生物入侵机制与机理的较高水平的论文陆续发表。这些研究为深度解析外来生物的入侵机制提供了可靠的分子证据,为创新入侵生物的颠覆性防控技术积累了基础,也为国内外联合开展生物入侵基础研究构建了合作机制与平台。

    中国农科院植保所植物病虫害生物学国家重点实验室万方浩研究员、浙江大学尹传林博士、CABI-亚洲中心唐睿博士、西北农林科技大学陈茂华教授、中国农科院植保所武强博士和黄聪博士为本论文的共同第一作者,中国农科院植保所植物病虫害生物学国家重点实验室万方浩研究员和杨念婉副研究员、美国Kansas大学的James R. Walters教授和浙江大学的李飞教授为共同通讯作者。本研究得到国家重点研发项目(2016YFC1200602, 2017YFC1200602, 2016YFC1201200)、国家自然科学基金(31672033)和中国捐赠CABI发展基金资助。