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为探索蝗虫迁徙行为进化模式，研究人员分析 10 种蝗虫基因组，发现其与代谢等途径相关，意义重大。
蝗虫迁徙研究：解锁遗传密码，探寻进化奥秘
在广袤的自然界中，蝗虫是一群独特的存在。它们时而安静地栖息在草丛间，时而又成群结队地大规模迁徙，所到之处，绿色植被被席卷一空，给农业带来巨大灾难。蝗虫的迁徙一直是科学界备受关注的话题，然而，尽管已有不少研究揭示了蝗虫具有适应迁徙的能力，但它们迁徙行为的进化模式依旧神秘莫测。现有研究表明，蝗虫的迁徙能力在不同物种间差异显著，有些种类甚至丧失了飞行和迁徙能力。同时，蝗虫的聚集受信息素影响，且不同群居状态下的蝗虫在代谢等方面也有所不同。但对于蝗虫迁徙性状的遗传基础和分子机制，人们知之甚少。
为了揭开蝗虫迁徙行为进化的神秘面纱，中国农业大学、广东省农业科学院、中国农业科学院等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《BMC Genomics》上，为我们理解蝗虫迁徙行为提供了全新的视角。
研究方法：多管齐下，挖掘遗传线索
研究人员开展了一系列关键技术研究。首先，在数据收集方面，他们从百科全书和已发表的研究中获取蝗虫的迁徙能力信息，并精心挑选了 5 种具有迁徙能力和 5 种不具有迁徙能力的蝗虫物种，同时以蟋蟀（Gryllus bimaculatus）作为外群。在数据处理环节，针对不同类型的数据采用了不同的处理方式，如利用 FASTP 修剪低质量读段，Trinity 进行转录本组装等。为了找到与蝗虫迁徙相关的基因，研究人员使用了多种分析模型。通过 dN/dS 模型，计算非同义（dN）与同义（dS）替换率的比值（dN/dS）来识别正选择基因；运用 BUSTED-PH 模型，评估基因序列进化速率与迁徙性状的相关性；借助相对进化率（RER）模型，探究迁徙性状与基因之间的关系。此外，还进行了基因本体（GO）富集分析，以了解相关基因的功能趋势。
研究结果：基因密码中的迁徙秘密
- 转录组组装与基因鉴定：研究人员对意大利蝗（Calliptamus italicus）等物种进行转录组组装，其中意大利蝗转录组组装后总长度达 783,485,549bp，且具有较高的完整性（97.6%）。通过 Proteinortho 共鉴定出 35,312 个同源基因，7861 个至少在 7 个物种中存在的同源基因被用于后续分析，其中 6,874 个成功注释到已知基因。
- 系统发育分析：基于 7861 个同源基因构建的系统发育树显示，10 种蝗虫的进化关系得到了清晰的呈现。Aidemona azteca 与其他 9 种蝗虫亲缘关系最远，而 Schistocerca americana、Schistocerca cancellata 等物种聚类在同一分支，且该分支内有多个具有迁徙能力的蝗虫物种。通过估算分歧时间，发现蟋蟀与蝗虫的分歧时间约为 3.47 亿年前，随后蝗虫们开始逐渐分化。
- 正向选择基因分析：以迁徙蝗虫为前景分支，非迁徙蝗虫为背景分支进行 dN/dS 分析，共鉴定出 1064 个正选择基因。这些基因功能富集分析表明，在 20 个最显著的 GO 术语中，18 个与代谢功能直接相关。进一步分析发现，多个与线粒体相关的基因在迁徙蝗虫中受到正选择，如 ABCB10、FOXRED1 等，它们参与线粒体呼吸链和跨膜运输等过程，为蝗虫迁徙提供能量。此外，BUSTED-PH 模型分析显示有 116 个基因与迁徙表型相关，功能富集同样表明与线粒体相关途径密切相关。综合两种方法，确定了 61 个与迁徙相关的基因。
- 相对进化率分析：RER 分析发现 392 个基因在迁徙蝗虫中的进化速率显著高于非迁徙蝗虫。整合 RER、dN/dS 和 BUSTED 方法，共鉴定出 1405 个与迁徙性状相关的基因。其中，SETX 基因在所有迁徙物种中均呈现出正选择信号，该基因编码的蛋白具有 RNA 解旋酶活性，可能参与 DNA 和 RNA 加工过程，对肌肉发育也有重要作用。
研究结论与意义：开启蝗虫研究新篇章
研究人员通过选择压力分析和趋同进化分析，揭示了与能量代谢、线粒体 ATP 生成相关的基因在蝗虫迁徙过程中受到选择，这意味着能量可能是蝗虫适应迁徙环境的生理基础。在通路层面，几乎所有迁徙蝗虫的能量相关基因都受到正选择，表明在分子功能层面存在趋同进化现象，但研究未找到具体的趋同进化位点。这一研究成果加深了我们对不同蝗虫迁徙行为遗传和表型关系的理解，为解释蝗虫爆发的生物学机制提供了重要数据，也为蝗虫的防治提供了潜在的新靶点和理论依据。
然而，这项研究也存在一定的局限性。例如，虽然鉴定出了众多与迁徙相关的基因，但部分基因在不同迁徙分支中的证据强度存在差异，且检测趋同氨基酸替换仍是一个挑战。未来的研究可以进一步深入探究这些基因的具体功能，以及它们之间的相互作用网络，为全面了解蝗虫迁徙行为奠定更坚实的基础。
