學術動態(tài)

近日，我校校長魏輔文院士作為通訊作者在國際重要學術刊物《Nature Communications》，IF：17.694）上發(fā)表題為“蘭花螳螂偽裝表型創(chuàng)新的進化基因組學（Evolutionary genomics of camouflage innovation in the orchid mantis）”的研究長文，從演化發(fā)育視角揭示蘭花螳螂偽裝表型創(chuàng)新的分子機制。

生命演化過程中曾出現(xiàn)若干性狀創(chuàng)新的重大事件。解析重要性狀的起源與演化，離不開發(fā)育生物學的技術手段和演化生物學的理論框架。特別是近年來組學和基因編輯技術的飛速發(fā)展，演化生物學步入新的發(fā)展階段。

偽裝是物種在長期演化過程中產(chǎn)生的躲避捕食者或吸引獵物的一種關鍵適應策略，涉及身體顏色、圖案或體態(tài)的改變。自然界中，昆蟲偽裝現(xiàn)象最為常見，其中最受歡迎且富有魅力的是蘭花螳螂（Hymenopus coronatus）。然而，目前關于蘭花螳螂偽裝表型的演化發(fā)育機制尚不清楚。特別是缺乏該類群高質(zhì)量基因組，阻礙了對其獨特表型創(chuàng)新的揭示。

為解決上述科學問題，魏輔文院士團隊利用ONT+Hi-C+Illumina+RNA-seq等測序技術組裝了蘭花螳螂（H. coronatus）和枯葉螳螂（Deroplatys lobata）染色體水平的高質(zhì)量基因組，結合比較基因組、轉錄組分析及RNA干擾功能驗證，重點解析了蘭花螳螂體色、形態(tài)、食性以及體型性二型的遺傳基礎。

在該研究中，蘭花螳螂和枯葉螳螂的基因組大小分別為2.88Gb和3.96Gb，高于大多數(shù)不完全變態(tài)昆蟲。重復元件占比高（占全基因組的64.94%–66.16%），以及內(nèi)含子長度較長，可能是基因組較大的主要原因。

該研究利用比較基因組和生化手段，揭示了蘭花螳螂發(fā)育過程中獨特的顏色變化：一齡幼蟲呈現(xiàn)紅黑色，模仿有毒的獵蝽，采取警戒色的生存策略；從二齡幼蟲階段，開始模仿花朵，呈現(xiàn)白色或粉色?；蚣易宸治鲲@示，ABC超家族中Scarlet與White在蘭花螳螂中顯著擴張，兩者可結合形成異二聚體，將3-羥基犬尿氨酸運輸?shù)缴仡w粒中合成眼黃素。生化實驗和高效液相色譜測定分析進一步證實了眼黃素是蘭花螳螂顏色偽裝的關鍵色素。

圖1 體色的遺傳和生化基礎

在該研究中，還對蘭花螳螂股骨膨大的發(fā)生機制做了解析。組織學觀察發(fā)現(xiàn)股骨膨大區(qū)主要是角質(zhì)層，在蘭花螳螂中角質(zhì)層相關基因Cuticle發(fā)生顯著擴張。不同發(fā)育階段步肢組織轉錄組分析顯示，Cuticle基因在2齡和5齡的腿部組織中表達明顯高于1齡，與股骨膨大相關。結合轉錄組分析和RNA干擾實驗證實了股骨膨大進一步受Wnt信號通路和Ubx調(diào)控。

圖2 步肢股骨形態(tài)發(fā)生的分子機制

性二型性狀對性選擇和物種生存至關重要。雌性蘭花螳螂成體的體型比雄性大2-3倍，蛻皮次數(shù)也要多2-3次，是一個典型的性二型案例。該研究對蘭花螳螂雌雄個體進行了轉錄組測序。分析發(fā)現(xiàn)，Hippo信號通路和昆蟲蛻皮激素的生物合成通路在雌性個體中顯著富集。推測Tai基因表達受20-羥基蛻皮激素 (20E)調(diào)控，進而Tai與Hippo通路轉錄共激活因子Yki相互作用，促進Yki靶向基因的表達，調(diào)控變態(tài)發(fā)育和組織大小。

此外，比較基因組分析發(fā)現(xiàn)，胰蛋白酶基因（Trypsin）在蘭花螳螂和枯葉螳螂中顯著擴張，酶活性分析顯示蘭花螳螂腸道胰蛋白酶活性顯著高于草食性昆蟲，可能有利于幫助宿主消化吸收蛋白質(zhì)，適應食蟲食性。

綜上，該研究提供了蘭花螳螂和枯葉螳螂的高質(zhì)量參考基因組，揭示了蘭花螳螂偽裝表型創(chuàng)新的演化發(fā)育機制，為螳螂目昆蟲研究提供了新的見解和數(shù)據(jù)支撐。

供稿：科技處   編發(fā)：宣傳部