华中农业大学牛长缨团队和中科院詹帅团队联合揭示果实蝇害虫寄主定位与食性演化的遗传机制

　　11月15日晚，国际学术期刊Cell Reports封面文章在线报道了华中农业大学牛长缨教授团队与中国科学院分子植物科学卓越创新中心詹帅研究员团队合作的研究成果—“Behavioral and genomic divergence between a generalist and aspecialist fly”。该研究以专食性柑橘大实蝇和多食性橘小实蝇为研究对象，综合利用基因组学、比较转录组学、行为学和分子遗传学等手段，解析了两种近缘种实蝇行为与食性差异的分子机理。

 

　　昆虫是地球上生物多样性最为丰富的动物类群。其中，取食植物的植食性昆虫占将近一半。在昆虫与寄主植物长期的协同演化过程中，昆虫对寄主的适应性进化显著地驱动了种群分化与物种形成。在自然界中，绝大多数植食性昆虫（约98%）为专食性昆虫，即以一种或少量近缘物种为宿主；而多食性昆虫占极少数（约2%）。昆虫的食性演化虽已在果蝇属中有较为深入的开展，但在非模式物种中，特别是大量的农林果蔬害虫中，相关研究仍较为匮乏。

 

　　本研究选取果实蝇属的一对近缘物种——专食性的柑橘大实蝇（Bactrocera minax）和多食性的橘小实蝇（Bactrocera dorsalis）为研究系统。柑橘大实蝇主要分布在我国及南亚地区，仅以未成熟的柑橘类果实为寄主。而橘小实蝇是世界性检疫害虫和重要的果蔬害虫，分布在非洲、欧洲、亚洲和环太平洋等地区，危害香蕉、柑橘、芒果等46个科的250多种水果和蔬菜。

 

　　实蝇对寄主的选择主要取决于成虫的产卵偏好——性成熟的雌虫选择合适的寄主产卵后，便决定了下一代的寄主。为便于实验开展，研究人员首先利用长读长测序平台和Hi-C辅助组装技术，构建了两种实蝇的高质量参考基因组。通过比较两种实蝇在寄主定位前后的转录组差异，发现相关基因均显著富集于光传导通路，提示视觉可能在实蝇的寄主定位过程中发挥重要作用。

 

　　研究人员进一步建立了多种行为检测体系，以探究视觉信号对两种实蝇寄主选择的影响。室内的色盘选择实验显示专食性的柑橘大实蝇偏好绿色，而多食性的橘小实蝇偏好黄色，与其各自的寄主颜色（未成熟柑橘和成熟的多种果实）一致，证明了实蝇通过视觉对颜色的识别在其寄主定位过程中起关键作用。鉴于嗅觉在昆虫感知环境过程中已报道的普遍作用，研究人员还在非寄主颜色的色盘中添加寄主植物的气味，发现虽然偏好程度有所下降，但实蝇仍然表现出对寄主颜色的显著偏好。研究人员进一步开展了半野外笼罩实验，结果依然显示两种实蝇均显著趋向于模拟果实颜色和性状的色球，而非涂有寄主气味的其它颜色色球。以上一系列实验表明，至少在近距离范围内，颜色偏好性对于实蝇的寄主定位起主导作用。同时，不同的实验也分别显示专食性的柑橘大实蝇在寄主定位过程中对视觉的依赖程度更高。研究人员还发现实蝇科的物种在基因组中只保留了对长光波敏感的视蛋白基因Rh1、Rh2和Rh6，RNA干扰实验显示Rh6在实蝇寄主定位中起重要作用。有意思的是，研究人员发现Rh6基因在柑橘大实蝇受到强烈的纯化选择，而选择并不发生在多食性的橘小实蝇中，与行为学所观测到的柑橘大实蝇视觉更敏感一致。

 

　　另一方面，研究人员发现，在没有视觉信号影响的情况下，寄主气味仍然能够有效吸引两种实蝇，并且在多食性的橘小实蝇中表现更为明显。与之相关，研究人员发现嗅觉受体基因家族（OR）在橘小实蝇基因组中显著扩张，包括OR7a和OR83c等在果蝇中已报道和实蝇的相关寄主配体化合物的识别有关，并且群体遗传学分析发现嗅觉受体基因在橘小实蝇中受到普遍的正选择。以上结果提示多食性的橘小实蝇可能具有更高可塑性的嗅觉系统，其对气味的敏感性也优于柑橘大实蝇。

 

　　综上，该研究从行为角度和分子水平分别揭示了视觉和嗅觉在果实蝇属中驱动专食性与多食性形成的各自作用，为深入理解植食性昆虫食性进化的机制提供了新的认知。

 

　　华中农业大学王耀辉博士（现中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后）和中国科学院分子植物科学卓越创新中心房刚奇博士后为论文共同第一作者，牛长缨教授和詹帅研究员为共同通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心黄勇平研究员为该研究提供了重要指导和研究平台，联合国国际原子能机构／国际实蝇委员会主席RuiPereira博士为该研究提供指导。

 

　　本研究得到国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目、国家自然科学基金面上项目、公益性行业科研专项、国际原子能机构基金和中国科学院等项目资助。

 

　　【人物简介】

 

　　牛长缨，华中农业大学教授，国际实蝇委员会委员，长期致力于实蝇寄主定位及食性进化的机制研究，并基于行为学研发实蝇绿色防控新技术。近年来取得了一系列研究进展，研究成果发表在CellReports、BMCBiology、InsectBiochemistry Molecular Biology，Journalof Pest Science和Pest Management Science等国际学术期刊。

 

　　詹帅，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员。主要从事昆虫适应性进化研究，探究昆虫在适应环境过程中食性、季节性适应等行为的遗传机制和演化规律。研究成果发表在Cell、Nature、NatureEcology & Evolution、Nature Communications等国际学术期刊。