日本广翅蜡蝉（Orosanga japonica）入侵潜力的比较基因组学评估

《Insects》：A Comparative Genomic Assessment of Invasive Potential in the Planthopper Orosanga japonica (Hemiptera: Ricaniidae)

　　

日本广翅蜡蝉（Orosanga japonica）（半翅目Hemiptera：广翅蜡蝉科Ricaniidae）是一种入侵性、多食性蜡蝉，自2007年起在土耳其定殖，对黑海地区具有重要经济价值的多年生和大田作物构成威胁。尽管其定殖和快速扩散表明其具有相当的适应能力，但这种潜力的基因组基础尚未被探索。研究人员将全基因组测序与RNA-Seq数据相结合，生成了一个功能注释的基因组，恢复了92.5%的保守单拷贝直系同源基因。利用这些资源，研究人员对另外20种半翅目和缨翅目物种进行了比较基因组分析，研究了基因家族动态和全基因组正选择。这些分析揭示了52个具有统计学显著、谱系特异性大小变化的基因家族（24个扩张和28个收缩）：扩张的基因家族富集了C₂H₂锌指转录因子、α/β-水解酶、主要促进子转运蛋白、丝氨酸蛋白酶抑制剂（serpins）和化学感受蛋白，而收缩的基因家族包括一个细胞色素P450家族。此外，枝位点检验（branch site tests）鉴定了122个处于谱系特异性正选择下的候选基因。这些位点属于三个可能与入侵相关性状相关的功能类别：寄主检测和神经元兴奋性、应激耐受（外源物、氧化和蛋白质稳态）以及屏障重塑。总之，这些基因组特征突出了可能有助于寄主检测、外源物耐受和生态可塑性的候选分子机制，为这一新兴农业害虫的进化分析和靶向管理提供了框架。

日本广翅蜡蝉（Orosanga japonica）是一种原产于东亚和中亚的多食性蜡蝉，属于半翅目（Hemiptera）广翅蜡蝉科（Ricaniidae）。自2007年在土耳其黑海地区定殖以来，已对茶树、榛子、猕猴桃等重要经济作物构成威胁，并开始向南欧扩散。其快速扩散暗示了较强的适应能力，但该物种的基因组基础此前完全未知。由于化学防治受到环境安全性、有机种植限制和抗性演化等制约，急需在分子水平上解析其入侵机制。比较基因组学能够通过基因家族扩张/收缩和正选择分析揭示入侵物种的适应性遗传特征，然而包括该物种在内的蜡蝉总科（Fulgoroidea）在基因组资源上仍严重不足。因此，本研究旨在为日本广翅蜡蝉提供首个功能基因组注释，并系统分析谱系特异性的基因家族演化与正选择信号。

研究人员对采集自土耳其伊斯坦布尔入侵种群的标本进行长读段（Oxford Nanopore）和短读段（DNBSEQ）全基因组测序，并对成虫和若虫进行RNA-Seq测序，结合已发表的染色体水平组装（ihOroJapo4.1）进行功能注释。基于注释结果，研究人员联合20种半翅目和缨翅目昆虫进行了比较基因组分析，利用CAFE5评估基因家族大小变化，利用枝位点模型（branch-site models）检测正选择基因。结果共鉴定出52个在O. japonica谱系中发生显著大小变化的基因家族（24个扩张、28个收缩），以及122个正选择候选基因。这些基因组特征提示，寄主检测、外源物耐受和屏障重塑可能是促进其入侵成功的关键分子机制。研究论文发表在《Insects》期刊，为这一新兴农业害虫的进化研究和靶向管理提供了基础。

主要技术方法方面，样本采集自土耳其伊斯坦布尔阿塔图尔克城市森林（Atatürk Urban Forest），使用诱捕器获取成虫和若虫；提取高分子量（HMW）DNA，分别进行Nanopore长读段和DNBSEQ短读段测序；使用TRIzol提取成虫和若虫各3个生物学重复的总RNA，构建链特异性文库后在DNBSEQ-G400平台测序。通过GetOrganelle组装线粒体基因组并进行COI条形码物种鉴定。基因组结构注释使用NCBI EGAPx流程，以RNA-Seq为证据。基因家族分析采用OrthoFinder2推断直系同源群，CAFE5建模家族大小变化；正选择分析采用PAML codeml枝位点模型，以O. japonica为前景谱系，并经Benjamini-Hochberg多重检验校正；差异表达分析使用HISAT2/StringTie/DESeq2流程。

研究结果分述如下。3.1 基因组测序、物种鉴定与参考组装选择：对土耳其个体的高通量测序分别获得6.59 Gb长读段和95.41 Gb短读段数据。线粒体COI条形码与BOLD数据库比对，相似性99.85%，确认该个体为O. japonica。鉴于已发布的染色体级组装ihOroJapo4.1具有高连续性和完整性，研究人员以其作为后续分析的参考基因组，而新产生的测序数据作为入侵种群的独立基因组资源。3.2 转录组测序、基因组注释和蛋白质组评估：RNA-Seq获得约21.9 Gb的150 bp clean reads。EGAPx注释共预测15,243个基因模型，其中12,402个为蛋白编码基因，并包含大量非编码RNA。OMArk评估显示，预期的4,585个保守直系同源群（HOGs）中92.45%以单拷贝形式存在，整体完整性为94.59%；BUSCO评估显示98.7%的昆虫保守直系同源基因完整，表明注释质量高，为后续比较分析提供了可靠基础。3.3 O. japonica谱系的基因家族动态演化：基于20种比较物种的40,804个直系同源群，重建的时间校准系统发育树显示O. japonica与斑点灯蛾Lycorma delicatula为姐妹群，分化时间约1亿年前。CAFE分析共发现474个显著变化家族，其中52个为O. japonica谱系特异性变化。扩张家族显著富集于C₂H₂锌指转录因子、α/β-水解酶、主要促进子转运蛋白、serpins和化学感受蛋白等；收缩家族包括细胞色素P450和小热休克蛋白等。值得注意的是，扩张集中于与环境互作相关的转运、水解和调控功能，而经典解毒酶家族并未整体扩增。3.4 枝位点分析鉴定谱系特异性正选择候选基因：对2,318个单拷贝直系同源群进行枝位点模型检验，鉴定出122个正选择候选基因，其中95个具有至少一个高置信正选择位点。这些基因的功能注释并非集中在经典解毒酶，而是集中于神经元信号（如flamingo、futsch）、上皮屏障重塑（如mucin-3A、mucin-17、grainyhead、chs-2）和应激耐受通路。GO富集显示与发育、细胞分化、DNA修复、蛋白酪氨酸激酶活性等功能相关。3.5 转录因子家族的阶段偏向表达：对成虫和若虫的差异表达分析发现，大量转录因子呈现阶段偏向表达。成虫偏向包括E93、Spineless（芳香烃受体）等，若虫偏向包括Broad-complex、Krüppel homolog 1、NFE2/CncC等。这一模式与半翅目变态调控的经典MEKRE93通路一致，也表明解毒相关的调控因子存在发育阶段特异性。

讨论部分指出，基因家族扩张和收缩的不对称性表明，O. japonica的代谢基因库发生了选择性重塑而非均匀扩增。虽然细胞色素P450家族收缩，但调控解毒的cap-‘n’-collar因子NFE2/CncC和Spineless/AhR仍然存在且转录活跃，提示诱导型解毒机制可能补偿了复制扩增的缺失。正选择基因集中在神经、屏障和应激三个功能模块，这些模块与入侵过程中寄主定位、寄主防御屏障、外源物耐受高度相关。部分正选择基因（如mucins、chs-2、Ric-3）在成虫和若虫间差异表达，为靶向特定发育阶段的防治提供了候选位点。然而，这些信号代表沿物种谱系长期积累的进化背景，并不能直接归因于近期入侵事件，需要通过功能实验和入侵地-原产地种群比较加以验证。

研究结论：研究人员获得了O. japonica基因组的第一个功能注释，并完成了这一入侵蜡蝉的首次比较基因组学表征。谱系特异性的转运、水解、化学感受和应激信号家族扩张，以及细胞色素P450和小热休克蛋白的收缩，表明代谢基因含量经历了选择性重塑而非均匀扩增。枝位点检验鉴定出122个正选择候选基因，其注释集中于寄主检测、应激耐受和屏障重塑，其中若干基因在表达上具有阶段偏向。由于这些信号反映物种谱系上的进化，尚不能归因于近期入侵事件；它们界定了可能与入侵相关性状有关的候选基因和基因家族，其作用有待功能验证和原产地与入侵种群之间的比较。总体而言，这些资源和候选基因为进化研究以及针对这一新发害虫的靶向管理策略的发展提供了基因组基础。