基于全基因组序列挖掘柑桔大实蝇化学感受相关基因

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柑桔大实蝇Bactrocera(Tetradacus)minax(Enderlein)(Diptera:Tephritidae)是危害柑橘、柚类重要适应实蝇害虫之一,也是国际水果贸易中受到关注的重要害虫之一。该虫分布于北纬24-33度、海拔230~1850 m的地理区域,我国已在湖南、湖北、云南、四川、贵州、广西等100多个县区发生危害,对芸香科Rutaceae柑橘属Citrus很多果树种类造成危害,经济损失大。柑桔大实蝇的分布、发生与柑橘属植物关系密切,在长期进化过程中该虫与柑橘属植物之间形成特定的化学信息联系,对该属特有的化学物质具有特异性感知-趋向-选择行为及过程。在这个过程中,气味感受相关基因如气味结合蛋白(Odorant binding protein,OBPs)、化学感受蛋白(Chemosensory proteins,CSPs)、气味受体(Odorant receptors,ORs)基因等应起到关键调控作用。为了明确该虫化学信息联系调控相关基因及其调控作用,本文采用全基因组测序、转录组测序等生物学信息学分析方法,测序获得并分析明确了柑桔大实蝇全基因组特征及其基因数量,测序并获得了3个虫期转录组,基于8个同源蛋白基因家族研究明确了柑桔大实蝇和其他20种昆虫进化关系,鉴定出该实蝇OBP、CSP、OR基因种类,发现了实蝇科特有OR基因,并明确这些基因的虫期特异性表达规律。具体研究结果如下:1、采用第二代和第三代基因组测序技术相结合的方法,首次完成柑桔大实蝇全基因组测序,获得了该虫全基因组序列。二代测序共产出102G数据量,覆盖基因组300X;三代测序共产出5G数据,覆盖基因组15X。根据Kmer评估估算出该虫基因组大小为331Mb,通过基因组组装技术测得实际基因组大小340M左右,与Kmer分析结果基本吻合。全基因组序列测序参数Scaffold N50为1.636Mb,Contig N50为23278bp,GC含量34.5%。采用De novo-AUGUSTUS、Glimmer HMM、Genscan预测编码蛋白基因数量分别为17200个、15868个和22189个,采用Hi CESAP、MAKER、RNAseq等预测编码蛋白基因数量分别为12533个、12265个和9497个。对该虫基因组和基因功能进行了注释,共注释功能基因12533个。2、基于全基因组序列,应用8个同源蛋白基因家族对柑桔大实蝇和其他20种昆虫进化关系进行分析,发现柑桔大实蝇与桔小实蝇等果实蝇属昆虫亲缘关系较远,与地中海实蝇Ceratitis capitata应具更近的亲缘关系。3、对柑桔大实蝇幼虫、蛹和成虫6个样品转录组进行了测序,获得表达基因32067个,总体覆盖度达99.58%;注释出该转录组功能基因16018个。4、鉴定出柑桔大实蝇OBP基因25个,结合转录组信息,明确了不同虫态不同种类OBP基因表达水平,发现各个虫期99c1都处于高表达或极高表达水平;鉴定出4个单拷贝CSP基因,发现蛹期CSP1表达量最高,成虫期CSP2、CSP3、CSP4表达量最高,总体上CSP2表达量较CSP3和CSP4高;鉴定出OR基因53个,发现OR7a等14个OR基因在实蝇科存在扩增现象,OR85e基因只在瓜实蝇Bactrocera cucurbitae存在特有扩增现象,OR88a基因只在橄榄实蝇Bactrocera oleae存在特有扩增现象。5、发现实蝇科特有OR基因9个,分别命名为OR1、OR2、OR3、OR4、OR5、OR6、OR7、OR8、OR9。除了OR9基因,其他8个OR基因都在实蝇科存在扩增现象,其中OR3基因在桔小实蝇Bactrocera dorsalis存在物种特有的扩增现象。以上关于桔大实蝇的全基因组、转录组及嗅觉感受相关基因的研究结果有助于丰富现有昆虫嗅觉感受调控机制研究,并为柑桔大实蝇与寄主植物之间化学信息联系和行为调控等研究奠定了理论基础,为该虫新型防治策略与技术研发等提供数据支撑。
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