草地贪夜蛾泛基因组研究：解锁基因组进化与水平基因转移新奥秘

为探究草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）遗传机制，研究人员构建其泛基因组，揭示基因组进化及水平基因转移规律，意义重大。

　　草地贪夜蛾，一种在全球农业领域肆意 “作案” 的害虫，从美洲出发，迅速在亚洲、非洲等地蔓延。它对玉米、棉花等经济作物的 “破坏力” 极强，给全球农业生产带来了巨大挑战。尽管科研人员已对它展开诸多研究，但对于其适应环境、抵抗农药背后的遗传机制，依旧知之甚少。随着基因测序技术的发展，虽然草地贪夜蛾的基因组研究取得了一些进展，可单一参考基因组无法全面展现物种的遗传多样性。在此背景下，为了深入剖析草地贪夜蛾的遗传奥秘，安徽师范大学等研究机构的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《Communications Biology》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，从美洲、非洲和中国收集了 137 个草地贪夜蛾个体的全基因组重测序数据，还获取了多个转录组数据。之后，利用迭代映射和组装方法构建泛基因组，并进行注释。通过将重测序数据映射到泛基因组来分析基因存在 - 缺失变异（PAV）。采用特定算法和软件，对水平基因转移（HGT）进行分析，同时利用相关软件对反转录转座子进行鉴定和分析，对转录组数据进行质量控制和差异表达分析。

下面来看具体的研究结果：

• 草地贪夜蛾泛基因组构建和基因 PAV 分析：研究人员把 137 个样本的重测序数据映射到参考基因组后，提取未映射读数并组装成重叠群，去除冗余和污染后，得到 1.37Gb 的非参考序列，从中鉴定出 8603 个基因。合并参考和非参考序列，构建出包含 1.92Gb 序列和 29,262 个蛋白质编码基因的泛基因组。对 137 个重测序样本分析发现，基因数量在 23,557 - 26,806 之间。核心基因数量随样本量增加而减少，当测序个体数低于 50 时，样本量增加会显著提高泛基因组的总基因数。研究还鉴定出核心基因、软核心基因、壳基因和云基因。肯尼亚地区的草地贪夜蛾基因数量高于其他地区。壳基因在 L - 谷氨酸生物合成过程、乙酰转移酶活性等功能上富集，KEGG 富集分析显示其在丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径中富集，PFAM 富集结果表明其在与转座子相关的结构域中富集。
• 基因组中解毒相关基因的特征：草地贪夜蛾有玉米品系（C 品系）和水稻品系（R 品系），不同品系对生物和化学试剂反应不同。从泛基因组角度，研究鉴定出与昆虫解毒相关的 ATP 结合盒（ABC）、羧基酯酶（CES）、细胞色素 P450（CYP）、谷胱甘肽 S - 转移酶（GST）和 UDP - 葡萄糖醛酸基转移酶（UGT）基因。ABC 基因家族核心基因比例最高，CES 基因家族最低。不同基因家族在非参考区域的基因数量不同，壳基因的外显子长度、基因总长度和外显子数量均小于核心基因。91.86% 对至少一种杀虫剂有反应的解毒相关基因是核心基因，核心基因在杀虫剂处理下表达水平更高，但高表达的壳解毒基因也可能具有种群或个体特异性。
• 转座子影响草地贪夜蛾基因组大小：研究人员利用 LTRharvest 在泛基因组中鉴定出 721,422 个长末端重复序列（LTRs），主要分为 Gypsy、Copia 和未知类别，在染色体上分布不均。对 32 个高深度测序样本进行基因组调查，发现基因组大小在 510Mb - 977Mb 之间。通过不同覆盖阈值进行 LTR PAV 分析，发现 LTRs 数量与基因组大小显著相关，当覆盖阈值为 1 时，相关性系数 R2为 0.4751，p 值为 1.28×10?3，表明 LTR 变化是草地贪夜蛾基因组大小变化的重要驱动因素之一。鉴定出的转座子长度大多小于 200bp，对长度大于 500bp 的转座子分析发现，混合农药处理下表达的 LTRs 数量最多，生物农药处理下最少，且 Gypsy 家族在混合杀虫剂处理下表达数量最高。
• 水平基因转移分析：在 SFynMstLFR 参考基因组中鉴定出 19 个 HGT 获得的基因，这些基因编码序列长度较长，平均长度大于其他基因，在泛素等结构域和转移酶活性等途径中富集。PAV 分析显示，只有 SFR04193（软核心）和 SFR19266（壳基因）是可变基因。SFR19266 在 USA_D 种群中频率低，且在 Bt 抗性菌株中表达显著降低。19 个 HGT 获得的基因存在许多起始丢失和错义变异，表明环境选择在基因转移后起作用。
• HGT 获得基因在各种胁迫条件下的表达模式：研究收集了 123 个 RNA - seq 样本，涵盖 23 个样本组，包括病毒感染、农药处理等。参考基因组的 20,659 个基因中，9807 个在 19 个样本组中与对照组相比存在差异表达。19 个 HGT 获得的基因中，17 个在至少一种胁迫条件下差异表达，HdIV 感染和取食不同玉米品种时差异表达的 HGT 获得基因数量最多。共表达分析发现，10 个 HGT 获得基因与其他差异表达基因共表达，农药处理下，与 SFR02618、SFR05248 和 SFR05249 共表达的基因的 pfams 在 HSP20 家族中富集，可能与耐药性相关。

研究结论和讨论部分指出，草地贪夜蛾基因组大小变化显著，LTR 变异是其重要驱动因素。泛基因组构建有助于理解基因组大小变化和蛋白质编码基因，壳基因的富集分析揭示了外源化学物质对昆虫编码蛋白质基因数量变异性的影响，非参考片段中的解毒相关基因扩展了草地贪夜蛾的解毒基因库。研究还发现 19 个 HGT 基因，其可能的机制与转座酶有关。HGT 获得基因在多种处理下差异表达，与 HSP20 家族共表达为发现新的抗药机制提供了线索。总体而言，该研究为深入理解草地贪夜蛾基因组进化模式提供了新视角，为控制这一重要农业害虫提供了新策略。