中大新聞網(wǎng)訊（通訊員唐雪飛）與瓢蟲近緣的甲蟲大多以真菌為食，而瓢蟲約70%的種類捕食蚜蟲、蚧蟲等半翅目胸喙亞目的昆蟲，瓢蟲如何進(jìn)化出肉食性？近年來，中山大學(xué)生態(tài)學(xué)院龐虹教授團(tuán)隊(duì)對(duì)本地和引進(jìn)的天敵瓢蟲開展了系統(tǒng)的基因組學(xué)研究（Chen et al., 2020, BMC Genomics; Li et al., 2021, BMC Biology; Li et al., 2021, BMC Genomics）。近日，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊BMC Genomics上發(fā)表了題為“Genomic insight into the scale specialization of the biological control agent Novius pumilus (Weise, 1892)”的研究論文。該研究以小短角瓢蟲Novius pumilus為例，從基因組層面詳細(xì)闡述了短角瓢蟲屬瓢蟲對(duì)吹綿蚧類害蟲的適應(yīng)機(jī)制。
小短角瓢蟲隸屬于瓢蟲科短角瓢蟲屬，為吹綿蚧屬Icerya害蟲的天敵，原產(chǎn)于東亞，曾被引進(jìn)到西班牙、秘魯和密克羅尼西亞群島等地進(jìn)行埃及吹綿蚧、柑橘吹綿蚧和銀毛吹綿蚧等害蟲的生物防控，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。小短角瓢蟲在我國(guó)南方屬于常見的本地種，對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，相較于其他引入的天敵，不存在物種入侵的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于我國(guó)吹綿蚧類害蟲的生物防控具有良好的應(yīng)用前景。然而，目前我們對(duì)于該屬瓢蟲取食和適應(yīng)吹綿蚧類害蟲相關(guān)的機(jī)制仍缺乏了解，限制了其在生物防控中的應(yīng)用。
小短角瓢蟲（龐虹攝，中山大學(xué)康樂園，2005年）
為填補(bǔ)這一空白，研究團(tuán)隊(duì)首先測(cè)定并組裝了高質(zhì)量的小短角瓢蟲的全基因組序列，并與其它幾種食性相對(duì)較廣的瓢蟲（七星瓢蟲、異色瓢蟲、龜紋瓢蟲和孟氏隱唇瓢蟲）進(jìn)行比較基因組分析。研究結(jié)果顯示，與其它食性相對(duì)較廣的瓢蟲相比，小短角瓢蟲中一些與化學(xué)感受、免疫和消化相關(guān)的基因家族顯著擴(kuò)張且部分位點(diǎn)受到了正選擇。此外，擴(kuò)張基因家族的GO富集也集中在與化學(xué)感受和消化相關(guān)的功能。
以往的研究表明，這些功能基因通常與捕食性甲蟲的取食和適應(yīng)相關(guān)，如利用化學(xué)感受器尋找合適的食物、消化酶分解食物、而取食不同食物時(shí)免疫反應(yīng)也不同，因此研究者們推測(cè)這些基因家族可能對(duì)小短角瓢蟲取食和適應(yīng)吹綿蚧具有重要作用。
圖1 小短角瓢蟲與其他甲蟲基因家族的擴(kuò)張收縮統(tǒng)計(jì)（左）與基因組完整度（右）
為進(jìn)一步探究小短角瓢蟲取食和適應(yīng)吹綿蚧過程中的分子調(diào)控機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)分別對(duì)喂食和不喂食吹綿蚧的小短角瓢蟲進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和比較分析。結(jié)果表明，那些顯著擴(kuò)張且受到正選擇的基因家族中的許多基因在取食吹綿蚧時(shí)顯著差異表達(dá)，進(jìn)一步佐證了上述基因在小短角瓢蟲取食和適應(yīng)吹綿蚧中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。值得一提的是，昆蟲可能經(jīng)常面臨來自獵物的微生物，如病原菌等的挑戰(zhàn)（即“細(xì)菌挑戰(zhàn)”），相應(yīng)地，昆蟲也演化出了強(qiáng)大的免疫系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)。與其他幾種瓢蟲相比，小短角瓢蟲的LRR 和GILT基因家族顯著擴(kuò)張，且在幼蟲和成蟲取食吹綿蚧時(shí)均被發(fā)現(xiàn)顯著上調(diào)，這些免疫系統(tǒng)的增強(qiáng)可有助于小短角瓢蟲應(yīng)對(duì)吹綿蚧表面或腸道內(nèi)的微生物引起的不利影響。相比之下，孟氏隱唇瓢蟲在取食天然獵物粉蚧時(shí)相比取食其它食物，多個(gè)免疫效應(yīng)器基因大幅上調(diào)。這些差異可能表明不同瓢蟲類群在取食獵物時(shí)存在物種特異性的免疫響應(yīng)機(jī)制。
另外，小短角瓢蟲的幼蟲在取食吹綿蚧時(shí)，其上調(diào)的差異表達(dá)基因主要富集在與化學(xué)感受、解毒、免疫和消化等功能；而成蟲中差異表達(dá)的基因相對(duì)較少，主要與免疫功能相關(guān)。說明它們可能采用不同的機(jī)制來應(yīng)對(duì)來自獵物的脅迫。
圖2 幼蟲喂食與不喂食埃及吹綿蚧時(shí)相關(guān)功能基因的差異表達(dá)情況
圖3 成蟲喂食與不喂食埃及吹綿蚧時(shí)相關(guān)功能基因的差異表達(dá)情況
中山大學(xué)博士生唐雪飛和黃羽豪為該論文的共同第一作者，生態(tài)學(xué)院龐虹教授為該論文的通訊作者。李浩森特聘副研究員、楊宇晨副教授、瓢蟲生態(tài)與進(jìn)化實(shí)驗(yàn)室的其他成員以及來自澳大利亞昆士蘭大學(xué)的李恩鋒同學(xué)亦參與了本研究。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（31970439）、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201904020041、202102020818）和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2021A1515011051）的資助。
論文鏈接: https://previewbmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-022-08299-w
