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为探究玉米根虫滞育的分子机制，研究人员对西部玉米根虫（WCR）和北部玉米根虫（NCR）进行转录组测序。结果发现滞育期间基因表达动态变化，且两物种存在差异。该研究为害虫防治提供新思路。
在昆虫的奇妙世界里，许多生活在季节性环境中的昆虫，为了更好地生存和繁衍，会进入滞育（diapause）状态。滞育是一种受编程控制的发育停滞现象，通常伴随着新陈代谢的抑制和对环境压力抗性的增强，就像是昆虫给自己按下了 “暂停键”，等待适宜的时机再继续生长发育。不同昆虫的滞育阶段各不相同，且滞育的分子调控机制十分复杂。
目前，虽然科学家们对滞育的研究不断深入，但仍有许多未解之谜。例如，胚胎滞育的分子机制就知之甚少。在已有的研究中，关于滞育调控的 “遗传工具箱” 理论存在争议，而且不同物种滞育的分子调控究竟是依赖保守机制还是物种特异性机制，尚不明确。同时，针对胚胎滞育的研究相对较少，特别是在昆虫胚胎滞育过程中，如何暂停复杂的发育序列并在合适的时候恢复，以及如何应对能量挑战等问题，都亟待解答。
玉米根虫（Diabrotica spp.）是玉米种植中的重大害虫，其中西部玉米根虫（WCR, Diabrotica virgifera LeConte）和北部玉米根虫（NCR, Diabrotica barberi Smith & Lawrence）每年给美国玉米生产造成超过 10 亿美元的损失。它们具有专性胚胎滞育的特性，滞育期长达约 8 个月，且对多种防治手段产生了抗性，给害虫防治工作带来极大挑战。因此，深入研究玉米根虫滞育的分子机制，对于开发新的害虫防治策略至关重要。
为了解开这些谜团，来自美国相关研究机构的研究人员开展了关于玉米根虫滞育的研究。他们以 WCR 和 NCR 为研究对象，利用 RNA 测序（RNA-seq）技术，对处于滞育不同阶段（滞育前期、滞育起始期、滞育维持期、滞育终止期和滞育后期）以及非滞育状态的虫卵进行转录组分析。
研究人员在研究过程中用到了多种关键技术方法。首先是 RNA 测序技术（RNA-seq），用于量化基因组范围内的转录本丰度。他们采集了不同阶段的虫卵样本，包括 WCR 和 NCR 的滞育和非滞育品系。对于 NCR，由于没有可用的基因组，研究人员使用 Trinity 软件进行了从头转录组组装（de novo transcriptome assembly），并通过多种数据库进行功能注释。此外，还运用了主成分分析（PCA）、基因聚类分析、差异基因表达分析等生物信息学分析方法，来挖掘数据背后的生物学意义。
研究结果如下：
- NCR 转录组特征：对 NCR 的 24 个文库进行测序，获得了超过 10 亿个 150bp 的双端 reads，组装成包含 293,850 个 contigs 和 293,596 个 unigenes 的参考转录组。该转录组具有较高的完整性，约 99.3% 的完整节肢动物单拷贝同源基因（BUSCOs）被覆盖。
- 基因表达的总体模式：通过 PCA 分析发现，两物种样本的聚类模式相似。沿着主成分 1（PC1），样本大多按滞育发育时间分离，反映了基因表达随滞育进程的变化；沿着 PC2，滞育起始、维持和终止阶段的样本与滞育前期和后期样本分离，体现了休眠期基因表达的变化。
- 滞育期间的基因表达聚类：利用 Mfuzz 软件进行软聚类分析，发现 WCR 有 12 个支持的基因簇，NCR 有 8 个。例如，WCR 的簇 4、8 和 9 在休眠期转录本丰度较高，簇 1 和 7 在休眠期转录本丰度较低，簇 5 和 11 在发育恢复时转录本丰度增加。对这些簇进行基因本体（GO）富集分析，发现不同簇与不同的生物学过程相关，如簇 4 与蛋白酶体相关，簇 1 和 7 与翻译、胚胎分化和细胞周期相关等。
- 差异基因表达分析：通过传统的差异基因表达分析，比较滞育不同阶段的基因表达变化。结果显示，从滞育前期到滞育起始期以及从滞育终止期到滞育后期，有大量基因差异表达；而从滞育维持期到滞育终止期，差异表达基因较少。
- KEGG 通路分析：利用 GAGE 进行 KEGG 富集分析，发现 WCR 在滞育期间，蛋白酶体、碳水化合物和氨基酸代谢、溶酶体 / 吞噬体等通路上调，氧化磷酸化和细胞周期相关通路下调。不同滞育阶段的转换也伴随着特定通路的变化，如滞育起始期蛋白质合成、碳水化合物和氨基酸代谢等通路激活，细胞周期相关通路下调。
- WCR 和 NCR 的比较转录组学：研究人员鉴定出 13,999 个 WCR 和 NCR 的假定同源转录本。PCA 分析表明，两物种相同时间点的样本总体聚类在一起，但滞育样本存在轻微分离。进一步比较发现，不同滞育阶段差异表达基因在两物种间的重叠较少，多数基因表达模式具有物种特异性，但也有一些相似的功能，如热休克蛋白和蛋白酶体相关功能。
研究结论和讨论部分指出，该研究全面表征了玉米根虫滞育不同阶段的转录机制。滞育起始时，胚胎发育的显著停滞似乎由细胞周期蛋白依赖性机制介导，多个细胞周期蛋白基因及其调节因子的转录水平显著降低。同时，线粒体代谢也下调，研究数据表明腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）信号通路在调节这种代谢抑制中可能发挥作用。此外，根虫滞育的特点是应激抗性基因的转录本丰度大幅增加，包括热休克蛋白、蛋白酶体以及与非生物和免疫应激相关的信号通路。这些发现为操纵滞育以改进玉米根虫的害虫管理提供了可能。
尽管 WCR 和 NCR 在系统发育和生态生理上相似，但它们滞育转录组的差异比预期更大，多数基因表达变化具有物种特异性。然而，两物种参与滞育调节的核心过程似乎是相似的。不过，由于 NCR 没有基因组，对结果的解读存在一定局限性，未来需要更多胚胎学研究来精确解析滞育的分子过程，以及利用单细胞测序技术等研究胚胎发育中细胞类型特异性的遗传程序。
总的来说，该研究为玉米根虫滞育的机制研究提供了全面的转录组资源，对滞育进化遗传学的基础研究和新型害虫防治方法的开发具有重要意义，相关成果发表在《Current Research in Insect Science》上，为该领域的后续研究奠定了坚实基础。
