叶甲寄主植物专化的分子进化机制——基于比较转录组分析

Insect is the largest taxa with more than one million of described species, and about half of them are herbivorous species. Increasing evidences suggested that host plant shifts and specilization could promote speciation of the herbivorous insects. Therefore, the study of adaptation mechanisms of herbivorous insect to their host plants will provide deeper insight into the extreme diversity of herbivores. In recent years, the rapid development of molecular biological techniques provides an opportunity to explore these questions at the molecular level. In present study, the molecular basis of host adaptation will be investigated using five leaf beetle systems (closely related leaf beetles with same host plant in three systems, closely related leaf beetles with distant host plant in other two systems) and three "hybrid F1" systems (three Altica species with distinct host plant, they crossed pairwise to get three lines of "polyphagous" F1). The chemosensory gene families and detoxification enzyme gene families will be focused mainly based on molecular phylogenetics and comparative transcriptomics approaches.

昆虫是第一大生物类群，目前已记述的种类已经超过了100万种，其中大约一半为植食性。越来越多的研究证实，寄主的分化和转移可以促进植食性昆虫物种的分化。探讨昆虫对寄主植物的适应机制对于深入理解植食性类群多样性的形成具有重要意义。近年来，分子生物学技术，特别是高通量转录组测序及分析技术的迅速发展为在分子层面上探讨植食性昆虫的寄主适应性问题提供了契机。在本项目中，我们拟以5个叶甲科昆虫研究系统（2个远缘寄主植物转移系统，3个寄主植物不转移系统）和3个"杂交F1"系统（3种专食性Altica属昆虫两两杂交获得3组"多食性"F1代）为主要研究对象，结合分子系统学和比较转录组学的方法来分析寄主转移对昆虫的影响，揭示植食性昆虫寄主适应的若干分子机制，研究中将重点关注和寄主转移密切相关的化感基因家族和解毒基因家族的进化。

探讨昆虫对寄主植物的适应机制对于深入理解植食性类群多样性的形成具有重要意义。近年来，分子生物学技术，特别是高通量转录组测序及分析技术的迅速发展为在分子层面上探讨植食性昆虫的寄主适应性问题提供了契机。.本项目主要取得如下成果：.①基于二代转录组测序技术，获取了榆黄毛萤叶甲和榆绿毛萤叶甲的触角转录组数据，检测到8对化感基因表达量存在显著差异（OBP1, OBP12, OBP25, CSP1, OR12, OR14, OR15, GR4），检测到2对化感基因在物种分化过程中可能受到正选择作用（OBP10和OR15），提示这些基因可能是物种分化过程中的关键基因，部分揭示了化感物种形成的分子进化机制。②基于二代和三代转录组测序技术，完成了跳甲3个种（蓟跳甲、蛇莓跳甲和老鹳草跳甲）的比较转录组研究。在化感基因OBP08和OBP27和解毒酶基因ABC04、CCE14、CCE35和GST05检测到了正选择信号。研究结果提示，这些基因在跳甲寄主植物转移和物种分化过程中可能起到重要作用。③基于宏转录组技术对跳甲肠道共生微生物和跳甲自身在寄主植物适应的过程中的协同作用进行了研究。发现蛇莓跳甲和老鹳草跳甲基因表达模式存在显著差异，而杂交代跳甲取食不同植物对其自身的基因表达模式也存在显著影响；差异表达基因的代谢通路富集结果表明，一些涉及到有毒物质代谢的基因被富集。肠道共生微生物没表现出显著的宿主种间特异性，群落结构也没有明显受到宿主取食不同植物的影响，表明多数共生微生物可能是来源于外界环境。但是，肠道微生物基因表达模式上存在显著的规律性，并且一些降解环境有毒物质的基因被富集，表明微生物在跳甲的寄主植物适应过程中存在一定的贡献。④选择了老鹳草跳甲纯化2代的雌性个体，采用二代加三代的方式进行测序，最后获得二代测序数据约130G，三代测序数据约55G。目前，老鹳草跳甲基因组的组装和注释已基本完成。另外，选取蛇莓跳甲和蓟跳甲雌虫建库和二代测序，分别获得了47G和63G的数据。进一步分析在正在进行之中。