全球首个草地贪夜蛾染色体级别基因组公布

由华大联合云南农大等多家科研机构完成

【字体: 时间:2019年06月19日 来源:华大基因

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  今年5月,深圳华大生命科学研究院和云南农业大学共同牵头,联合中国科学院动物研究所、广东省农科院、青岛农业大学等多个单位共同成立研究小组,对入侵中国的草地贪夜蛾进行全基因组测序研究,并于近日完成了基因组构建。

  

草地贪夜蛾是联合国粮农组织全球预警的跨国界迁飞性农业重大害虫,已经对全球近100个国家造成了农作物危害。

今年5月,深圳华大生命科学研究院和云南农业大学共同牵头,联合中国科学院动物研究所、广东省农科院、青岛农业大学等多个单位共同成立研究小组,对入侵中国的草地贪夜蛾进行全基因组测序研究,并于近日完成了基因组构建,全球首次公布了草地贪夜蛾的高质量染色体水平的基因组,相关研究内容已经在BioRxiv上进行了预印刊载。


BioRxiv网站截图

外来害虫,飞速扩展,危害极大

草地贪夜蛾是一种鳞翅目,夜蛾科,灰翅夜蛾属的昆虫,原产于美洲热带和亚热带地区,是以玉米等禾本科作物为食的杂食性害虫。其于2016—2018年,先后传入非洲、亚洲,并迅速在53个国家蔓延,造成非洲、亚洲部分地区玉米、甘蔗等作物减产20%~30%,严重区域出现毁种绝收现象。


草地贪夜蛾分布图

2019年1月,该物种由东南亚侵入我国云南、广西,目前已在18个省(区、市)被发现,覆盖我国200余万亩粮食产区。此外,草地贪夜蛾繁殖能力是一般害虫的2-5倍,且迁移能力极强,成年的草地贪夜蛾一晚能飞行100公里,加上季风因素对其迁移速度的助推,当前已经在全国形成了迅猛扩展之势。

同时,由于在当前的防治过程中发现,草地贪夜蛾有明显的抗药性,而我国目前还没有防治该害虫的登记农药,因此草地贪夜蛾已对我国当前的农业及粮食生产安全造成了严重威胁。我们亟需通过包括基因组学在内的前沿科学研究,加深对该物种的认识,从而找到根源上防治该入侵物种的关键路径。

国产技术,迅速响应,实现突破

今年5月,针对草地贪夜蛾的迅速发展态势,国内多个单位共同成立研究小组,迅速开展了样本采集和基因测序工作。

基于华大集团旗下华大智造自主研发的基因测序仪(MGISEQ-2000),研究组在获得样品之后4天内完成了单管长片段全基因组测序(stLFR技术)以及染色体构象捕获测序(Hi-C),并在两周内完成了数据分析,完成全球首个草地贪夜蛾染色体级别的基因组组装,无论在基因组完整性还是基因集的完整性上,均超过了当前已有成果。同期完成全基因组测序的有采自云南和广东的草地贪夜蛾各两只,公布的数据包括了一雌一雄两只蛾的完整基因组数据,整体数据量超过了1.5 Tb。

 
雄性个体(左)                    雌性个体(右)

虫蛾基因,抗药机制,危害预警

虽然联合研究组制订的整体研究计划还在进一步开展中,目前在基因组测序方面取得的进展已经为该害虫的防治工作提供了一定的可借鉴信息。

在构建的草地贪夜蛾基因组上,研究团队在该物种的12,516个基因家族发现了细胞色素p450和谷胱甘肽巯基转移酶两个基因家族严重扩张,其中细胞色素p450基因家族与解毒功能密切相关,推测主要控制其高度杂食性,而谷胱甘肽巯基转移酶基因家族与抗药性密切相关,推测主要驱动其农药抗性。

 

除了解释草地贪夜蛾高耐药性的可能分子机制之外,基因组数据还提供了更加精细的类别信息。已有研究表明,草地贪夜蛾包括主要以玉米为食的类型(C型)和主要以水稻为食的类型(R型)。通过对本次研究目前已经测序的四个个体展开分析,研究组发现入侵中国的草地贪夜蛾种群有C和R两种类型,确定有非洲入侵,但不排除有其他地区入侵。

在测序的四只草地贪夜蛾中,通过分析Tpi基因第4外显子的8个决定型别的分子标记,发现3个个体属于C型(2个云南,1个广东),1个个体(广东)可能属于R型。同时通过构建基于该基因第4外显子的系统发育树,也支持该鉴定结果。进一步分析结果表明属于R型的广东个体的单倍型为非洲特有。因此,型别的分析对草地贪夜蛾的防治提出了警示,需要防范不同型别可能带来的不同危害。

数据共享,联合研究,推动防治

目前,研究组完成的全球首个草地贪夜蛾染色体级别的基因组,已经在基因组数据共享平台——国家基因库生命大数据平台(CNGBdb) (https://db.cngb.org/search/project/CNP0000513/)上公开,可供研究者下载使用。高质量的基因组数据能够加速后续科学研究。

研究组目前正在开展针对草地贪夜蛾的进一步研究,包括进一步的抗农药分子机制研究等,同时研究组也希望同国内更多相关的科研院所进一步开展合作,充分发掘、利用基因组数据,推动草地贪夜蛾的科学防治,提高防治效率,降低其可能造成的危害。

文章链接:
Chromosome level draft genomes of the fall armyworm, Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae), an alien invasive pest in China
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/671560v1

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