解码红色奶草甲虫基因组：揭示植物-昆虫动态

尽管红色奶草甲虫与奶草植物之间的关系已经研究了近150年，但阿肯色农业实验站的一位科学家与孟菲斯大学和威斯康星大学奥什科什分校的同事合作，达成了前所未有的成就：他们整理了甲虫的基因组和相关的植物取食基因以及其他生物特征。

在国家科学基金会的资助下，他们对宿主专一性的奶草甲虫（*Tetraopes tetrophthalmus*）进行了全基因组的测序和组装。然后，他们分析了与一种相关物种——宿主广泛性亚洲长角甲虫（*Anoplophora glabripennis*）的各种基因组特征，后者因其侵入性及其能够依赖多种树种而著称，这些树对林业至关重要。

他们的研究题为“基于红色奶草甲虫基因组的化学感应和专门取食的功能和进化见解”，该研究在美国遗传学协会的《遗传学期刊》上于今夏发表。

主要作者之一理查德·亚当斯（Rich Adams）表示：“从生物学的角度来看，有很多联系表明，奶草甲虫与其有毒奶草宿主之间长期以来的关系应如何影响两者的生物学。然而，直到现在还没有人完整地拼接过奶草甲虫的基因组，这现在使研究人员能够探索昆虫与植物交集中的许多有趣问题。”

亚当斯是阿肯色系统农业部昆虫学和植物病理学系的农业统计学助理教授。他也是农业数据分析中心的一部分，这是实验站的新项目，并在戴尔·邦普斯农业、食品与生命科学学院教授统计课程。

科学进展

亚当斯指出，奶草和奶草甲虫（属* Tetraopes*）在生态学、进化、生物发育和毒素生物化学的研究中扮演了重要角色，已经有一个多世纪了。它们还突出了昆虫和植物之间共同进化模式的有趣案例。这是指植物和昆虫在相互作用中如何并行演化，亚当斯解释道。

研究团队发现，红色奶草甲虫在与ABC转运家族相关的基因方面有显著增加，这可能帮助它们在消费奶草的同时储存毒素。奶草以其有毒的乳胶而闻名，这种乳胶会破坏对心脏细胞功能至关重要的钠、钙和钾平衡。亚当斯表示，这个基因组为甲虫适应与有毒奶草宿主相互作用而繁盛的特定基因提供了重要线索。

亚当斯指出：“奶草产生的有害物质被称为心脏糖苷，以及其他毒素。对于许多食用奶草的昆虫，这些毒素可能会损害它们的钠钾泵。然而，这种甲虫发展出了不仅能够抵御这些毒素，还能保留这些毒素的机制，从而为自己提供对潜在捕食者的保护。”

该研究还识别出了与嗅觉、味觉、以及分解植物细胞壁的代谢酶相关的基因变异。亚当斯指出，这为研究长角甲虫和其他食用植物甲虫的专门植物取食的生态和进化提供了新的视角。

对农业和人类健康的影响

这些发现有助于我们理解影响农业和林业害虫的遗传因素，以及它们如何在避免控制措施的同时成功以植物为食。虽然大多数消化木材植物材料的动物依赖肠道微生物来分解植物细胞壁，但许多食草甲虫缺乏这种能力。

亚当斯解释道，包括长角甲虫在内的许多植物取食甲虫，通过来自微生物的水平基因转移获得了分解植物细胞壁的能力。通过考察甲虫基因组中编码的各种蛋白质，科学家们可以深入了解甲虫生物学、进化和多样性的遗传基础，以及它们与植物的相互作用。

亚当斯表示：“自然产生了令人惊异的基因和基因组的多样性，我们尚未完全解码。理解这种多样性对农业、林业和人类健康具有极大的潜力。食草甲虫在没有其代谢酶的情况下以植物为食时面临重大挑战，因为没有这些酶它们无法有效进食。”

除了研究奶草甲虫的基因组DNA外，研究团队还收集了雌性和雄性红色奶草甲虫触角的RNA，以增强对它们如何通过化学感知过程定位配偶和食物的理解。

亚当斯补充说：“深入了解化学感知生物学——生物体如何感知其周围环境，例如识别宿主植物或潜在配偶——对理解昆虫与植物的相互作用具有广泛的意义，这对农业和林业至关重要。”

生成的RNA谱系作为* Tetraopes*的第一个转录组资源。转录组包含在特定组织或细胞组中被转录为RNA分子的基因集合。

亚当斯指出，虽然DNA提供了基因序列，但RNA提供了基因及其活动的更详细表示，包括基因产生的频率。

该研究的共同作者包括特伦斯·西尔维斯特（Terrence Sylvester，亦为主要作者）和罗龙荣（Rongrong Shen），他们是孟菲斯大学的博士后研究员，以及生物科学系的威廉·希尔教授暨生物多样性中心主任的杜安·D·麦肯纳（Duane D. McKenna）；曾在威斯康星大学奥什科什分校工作的马修·A·普赖斯（Matthew A. Price），目前在夏威夷大学马诺阿分校；以及之前在威斯康星大学奥什科什分校工作的罗伯特·F·米切尔（Robert F. Mitchell），现为宾夕法尼亚州立大学昆虫学系的副教授。

该研究得到了国家科学基金会资助，资助编号为DEB-1355169和DEB-2110053。