近日，我校校長魏輔文院士作為通訊作者在國際重要學(xué)術(shù)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(jìn)化基因組學(xué)（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(jī)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(xué)的技術(shù)手段和演化生物學(xué)的理論框架。特別是近年來組學(xué)和基因編輯技術(shù)的飛速發(fā)展，演化生物學(xué)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(guān)鍵適應(yīng)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(guān)于蘭花螳螂偽裝表型的演化發(fā)育機(jī)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(xué)問題，魏輔文院士團(tuán)隊利用ONT+Hi-C+Illumina+RNA-seq等測序技術(shù)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(jié)合比較基因組、轉(zhuǎn)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(chǔ)。
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(fù)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。基因家族分析顯示，ABC超家族中Scarlet與White在蘭花螳螂中顯著擴(kuò)張，兩者可結(jié)合形成異二聚體，將3-羥基犬尿氨酸運(yùn)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(jìn)一步證實了眼黃素是蘭花螳螂顏色偽裝的關(guān)鍵色素。
圖1 體色的遺傳和生化基礎(chǔ)
在該研究中，還對蘭花螳螂股骨膨大的發(fā)生機(jī)制做了解析。組織學(xué)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(guān)基因Cuticle發(fā)生顯著擴(kuò)張。不同發(fā)育階段步肢組織轉(zhuǎn)錄組分析顯示，Cuticle基因在2齡和5齡的腿部組織中表達(dá)明顯高于1齡，與股骨膨大相關(guān)。結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析和RNA干擾實驗證實了股骨膨大進(jìn)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(jī)制
性二型性狀對性選擇和物種生存至關(guān)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(jìn)行了轉(zhuǎn)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(dá)受20-羥基蛻皮激素 (20E)調(diào)控，進(jìn)而Tai與Hippo通路轉(zhuǎn)錄共激活因子Yki相互作用，促進(jìn)Yki靶向基因的表達(dá)，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(kuò)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(yīng)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(jī)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
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