基于数据整合的飞蝗两型分子网络构建与比较分析

Phase change between gregarious and solitarious locust is the key behavior features for locust’s agricultural damages, is also one famous example of polyphenism. In recent years, our lab have elaborated the differences of locust phase change at various omics levels, sequenced its genome, established the systems of RNAi and behaviour observation. Based on these progresses, this study plan to: 1) comprehensively summarize the differential expressed genes for their differential degree and width across different comparisons; 2) reconstruct locust molecular networks, including: protein-protein network based on interolog method, co-expression network for two phase locust respectively; 3) integrating the expression data of two phases locust, comparative analysis the differences between tissues, development stages, time points of phase transition. Also the difference between co-expression networks of two phases. By analysis at network level through data integration, this project will provide insights into the mechanisms underlying locust phase change and help to identify novel control methods and strategies for locust plagues.

飞蝗的群居型和散居型间的相互转变是其形成危害的关键行为特征，也是表型可塑性研究的著名例子。两型转变的分子机理研究对蝗灾治理起到关键作用。近年来，我们研究组阐述了飞蝗两型各种组学水平的差异，破解了该物种的基因组序列，并构建了RNAi干扰系统和行为学观测系统。在此基础上，本研究针对东亚飞蝗：1）对两型差异表达基因差异表达的程度和范围广度进行系统分类和总结；2）重构飞蝗的分子网络，包括：基于蛋白同源关系构建飞蝗全基因组蛋白相互作用网络、分别构建两型有权重的共表达网络；3）整合两型基因表达数据，比较分析两型组织间、发育阶段间、两型转变过程间差异分子在蛋白相互作用网络上的差异，比较分析两型共表达网罗的差异。通过基于数据整合的网络水平分析，以期深化对飞蝗两型转变机制的理解，为寻找新的蝗灾治理策略和方法提供理论依据。

本项目通过大规模数据整合，从型相关基因，型相关核心基因，以及型相关核心转录因子，到转录调控网络，系统的阐释了参与飞蝗两型型变的基因的特征。我们整合了来自包含两型的6个发育阶段和8个组织，以及群散相互转变过程中两个组织的6个时间点的转录组数据。分析发现，飞蝗型相关基因占据基因组总基因数目的65.9%，呈时空特异分布。同时，有一部分基因表现出表达方向的一致性。我们因此通过有监督的聚类分析方法，成功的把来源异质的样品根据群散信息划分成了两类。据此鉴定出了4套型相关的核心基因。分析发现，这些核心基因可以准确预测群散样品的型的状态，而且表现出极端的基因特征，这些特征包括较高的特异表达水平、较快的进化速率、较低的网络连接度、较高的CpG o/e，以及较低的甲基化水平。这些特征可能通过快速积累突变，调控基因表达变化，但又不至于引起飞蝗个体死亡，从而使得飞蝗可以快速适应群居生活状态。 我们在全基因组内鉴定了926个飞蝗转录因子。通过整合129个转录组样品，我们构建了飞蝗转录调控网络。据此鉴定了调控型相关核心基因的~40个转录因子。这些转录因子的差异表达等特征表明他们参与了两型的调控。通过鉴定调控特异的功能类的转录因子，我们发现LITAF等调控了能量代谢。本项目的研究结果有利于我们从系统和网络层面认识飞蝗型变调控的分子机制，为其他表型可塑性现象机理研究提供了参考。