胡萝卜象甲（Listronotus oregonensis）基因组与发育阶段特异性转录组揭示宿主专一化及共生互作的适应性机制

本刊推荐：本研究通过解析重要农业害虫胡萝卜象甲（Listronotus oregonensis）及其内共生菌Wolbachia的基因组与阶段转录组，揭示其狭窄寄主范围的嗅觉感知基因缩减机制、解毒基因家族（如CYP6A14）显著扩张、水平基因转移（HGT）来源的细胞壁降解酶（CWDEs）及细胞致死膨胀毒素（cdtB）的进化起源，为害虫适应性进化及绿色防控策略提供关键数据库与理论依据。

　　

引言

昆虫作为地球上多样性最高的类群之一，展现出惊人的适应性与进化可塑性。这种适应性不仅源于遗传多样性和自然选择，还与病原体和共生体等生物的互作密切相关。水平基因转移（HGT）作为跨物种遗传物质转移的重要机制，在昆虫适应植食性生活中发挥关键作用，例如帮助昆虫获得降解植物次生代谢物或细胞壁的能力。内共生细菌Wolbachia可通过调控宿主生殖行为显著影响其生物学进程。胡萝卜象甲（Listronotus oregonensis）是北美东部重要的农业害虫，严重危害伞形科作物，目前防治主要依赖化学农药，但抗药性风险日益凸显。因此，解析其基因组基础与共生互作机制，对开发可持续治理策略具有重要意义。

材料与方法

实验采用来自加拿大魁北克圣让-sur-里舍留农业与农业食品研究中心的胡萝卜象甲实验室种群，收集包括卵、四个幼虫期（L1–L4）、蛹和成虫在内的各发育阶段样品。通过Illumina NovaSeq6000平台进行转录组测序，并使用Oxford Nanopore技术对Wolbachia进行长读长基因组测序。基因组注释采用BRAKER3并结合RNA-seq和蛋白质证据，功能注释使用eggNOG-mapper、SignalP和DeepLoc2等工具。水平基因转移事件通过Alienness versus Predictor（AvP）流程鉴定。比较基因组学分析涵盖九种昆虫物种，重点聚焦化学感受器和解毒基因家族。

结果

基因组组装与注释

胡萝卜象甲基因组大小约1.3 Gb，注释获得14,637个表达基因，BUSCO完整性为82.8%。其内共生菌Wolbachia基因组为1.57 Mb的环状分子，注释1,340个蛋白编码基因，属于Wolbachia A超群。

功能注释

86.7%的L. oregonensis基因和97.8%的Wolbachia基因在NR数据库中获得显著匹配，进一步完成GO、KEGG、COG等注释，并预测了蛋白质亚细胞定位。

发育阶段特异性基因表达

成虫期表达基因数最多（＞8,300），幼虫期表达量较低（6,680–7,727）。主成分分析显示基因表达呈现幼虫期、成虫期以及卵/蛹期三大聚类，部分表皮蛋白基因仅在蛹期特异表达，卵黄原蛋白基因仅在雌成虫中检测到。

水平基因转移

共鉴定46个HGT候选基因，其中17个为高置信度，包括细菌来源的细胞致死膨胀毒素（cytolethal distending toxin，cdtB）和多拷贝果胶酯酶（pectinesterase）基因。cdtB在胡萝卜象甲及其近缘种L. bonariensis中高度保守，表明其源于细菌的HGT事件后在象甲科内垂直传播。

比较基因组学

系统发育分析确认L. oregonensis与同属种L. bonariensis亲缘最近，同属于象甲科（Curculionidae）中的Cyclominae亚科。OrthoFinder将90.6%的基因划分至21,810个直系同源组中，其中398个基因为胡萝卜象甲特有。在化学感受器方面，共鉴定24个气味结合蛋白（OBP）基因和41个化学感受受体基因（包括OR、GR、IR），数量显著低于其他广食性昆虫，与其狭窄的寄主范围一致。解毒基因中，CYP6A14家族发生显著扩张（42个拷贝），其中一个拷贝（LiOr13520）表达量高出其他拷贝近10倍。羧酸胆碱酯酶（CCE）基因数量在Listronotus属中也为最高。

Wolbachia基因组结构、多样性及胞质不亲和性

Wolbachia基因组中包含9个前噬菌体区域，其中1个为完整区域。所有测试个体均携带Wolbachia，其胞质不亲和因子CifB为Ⅰ型肽酶类型，序列在北美东北部种群中高度保守，未发现显著变异。

讨论

胡萝卜象甲在基因组成上表现出与其专食性相适应的特征：化学感受受体数量缩减，而解毒基因家族（如CYP6A14）显著扩张。HGT来源的细胞壁降解酶如果胶酯酶及细胞致死膨胀毒素基因，可能助其适应植物寄生生活与抵御寄生蜂。Wolbachia的高感染率及保守的cifB基因表明其可能通过胞质不亲和性影响种群遗传结构。本研究为这一农业害虫的适应性进化提供了基因组与转录组层面的深入见解，并为开发基于行为调控、解毒酶抑制或共生菌操纵的新型治理策略奠定基础。

作者贡献

Dave T. Ste-Croix：撰写初稿、数据分析与方法验证；Annie-ève Gagnon：课题设计、资金获取与项目管理；Benjamin Mimee：概念设计、数据分析、论文撰写与整体监督。

致谢

感谢Julie Frenette、Carolane Audette等技术人员及美国俄亥俄州样本提供者Emily Justus与Elizabeth Long的支持。

资金声明

本研究由加拿大农业与农业食品部“替代性害虫治理方案”（APMS项目J-002846）资助。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。