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灰飞虱基因组解读

背景

灰飞虱(Laodelphax striatellus)是多种农作物中最具破坏性的害虫之一中国,日本,德国,意大利,俄罗斯,哈萨克斯坦,土耳其和英国等国家普遍存在。灰飞虱是杂食性的,其寄主包括水稻,玉米,燕麦,高大的燕麦草,小麦和大麦灰飞虱不同于其他两种已发表的稻飞虱,白背飞虱(Sogatella furcifera)和褐飞虱(Nilaparvata lugens褐飞虱主要以水稻为食,白背飞虱以稻,小麦和玉米为食,灰飞虱的寄主范围更广


样品和测序

样品来自中国江苏海安收集的田间种群一个雌系

构建了5个180bp-800bp的小文库和9个1.4Kb-24Kb的大文库,通过HiSeq 2500平台共测190Gb(≈316X)的数据,其中小文库126Gb和大文库64Gb;

同时建了33个Pacbio RSII文库,共测32.4Gb(≈54X);

转录组选择四种组织的三个不同时期样品进行测序。


基因组大小的估计和染色体数目的确定

两种独立的方法估计了灰飞虱的基因组大小:

1流式细胞术方法估计的灰飞虱的基因组大小为0.60pg587Mb)。

2)调研图k-mer分析中,利用31.94G数据产生k-merk=17)深度分布曲线估计基因组大小为550Mb

因此,L.striatellus的单倍体基因组大小估计为550-587Mb

通过睾丸细胞的染色体分析测定染色体数目为2n=30


基因组装和评估

通过二代SOAPdenovoGapCloser组装软件和三代PBJelly等结合最终获得了541 Mb基因组序列,Contig N50118KbScaffold N501.1Mb。与已发表的两个飞虱基因组相比Contig结果要好。

基因组组装的完整性和准确性由四个独立的方法进行评估。

1)计算总体基本构成和N的百分比;

2)二代数据回比;

3)转录组数据比对基因组;

4)BUSCO评估;

综合上述结果表明,组装基因组是高度准确、完整的基因组。


重复序列的注释和基因预测

基于同源和从头预测预测得到139.1 Mb的重复序列,占基因组的25.7灰飞虱基因组中重复序列元件的比例远远低于褐飞虱(48.6%)和白背飞虱(44.3%),重复序列中10.59%为I类转座因子(反转录转座子)

基因预测同样采用同源,从头预测和RNA-seq数据三种方法最后通过EVM整合得到17736个蛋白编码基因。其中14182个(80.0%)注释到已知数据库,并且在3554个未注释的基因中,1391个(7.8%)是灰飞虱特异性基因。


基因的直系同源预测

通过与21个已测昆虫进行基因家族分析和构建进化树,系统发育分析表明,灰飞虱与其他两个飞虱聚集在一起,与褐飞虱关系更密切大约在8750万年前,灰飞虱和白背飞虱与褐飞虱的祖先分离,大约在3100万年前,灰飞虱与白背飞虱分离

与褐色褐飞虱和白背飞虱相比,灰飞虱的扩展基因家族数量减少,这可能部分解释了为什么灰飞虱的三个飞虱种类中基因数最少。灰飞虱体内显着扩增的基因家族包括气味受体,细胞色素P450,丝氨酸蛋白酶(特别是胰蛋白酶)等多基因家族的特定成员。灰飞虱中化学感应蛋白,气味结合蛋白,羧酸酯酶和ATP结合盒转运蛋白家族的特定成员也有增加,这些基因家族的扩大可能是三种飞虱中灰飞虱具有最大宿主植物范围的原由


嗅觉排毒系统

食草昆虫利用其味觉和嗅觉来识别和定位其宿主植物解毒基因家族在防御寄主植物的天然异生素或包括杀虫剂在内的合成异生素方面也起着重要的作用在灰飞虱中鉴定出106ORs38IRs12GRs味觉受体(OR),味觉受体(GR)和离子型受体(IR)。此外,研究确定了两个蛋白质家族重要的气味识别和信息素知觉,即气味结合蛋白(OBPs)和化学感应蛋白(CSPs)。 灰飞虱中有16OBPs31CSP,是三个飞虱中最多的。灰飞虱的气味相关基因数量相对较多,可能与其杂食习性密切相关。


免疫相关基因

根据基于同源性的方法鉴定了三种飞虱的免疫基因库灰飞虱的免疫相关基因数量为330个,主要包括自噬基因,1,3-β-D葡聚糖结合蛋白基因,剪切结构域丝氨酸蛋白酶基因和小RNA调节通路成员基因。


三种飞虱对其植物病毒的转录组反应

L.striatellusS.furciferaN.lugens传播不同的水稻病毒。为了探索对各种植物病毒的分子反应,我们分析并比较了灰飞虱与RSV,白背飞虱对SRBSDV和褐飞虱对RRSV的转录反应。最终在灰飞虱,褐飞虱和白背飞虱中,分别有460个(185个和275个),162个(48个和114个),1070个(515个和555个)差异表达基因,GO条件下比较三个飞虱的DEGs,并检索常见的GO条件。 三个飞虱上调基因参与了转录调控(GO0006355)和蛋白磷酸化(GO0006468)的生物学过程。3个飞虱下调基因参与碳水化合物代谢过程(GO0005975),几丁质分解过程(GO0006032)和蛋白水解(GO0006508)的生物学过程。


总结

首先获得了一版高质量的灰飞虱(一种臭名昭着的水稻害虫)基因组。另外,通过灰飞虱与其他两种稻飞虱S.furciferaN.lugens相比,其基因组大小最少,蛋白质编码基因数量最少。再者,通过比较基因组分析鉴定了三个稻飞虱的嗅觉基因,解毒基因,免疫基因和能量代谢相关的基因的扩增和收缩,这可能是导致它们在宿主范围,迁徙习性和植物病毒传播等重要性状上的差异的原因,灰飞虱尽管具有最小的基因组,但是其在三个飞虱中具有最宽的宿主植物范围。随着灰飞虱基因组的获取,三个稻飞虱的基因组数据将推动飞虱各个领域的研究,并推动未来的防治策略。


参考文章

Genome sequence of the small brown planthopper Laodelphax striatellus


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