棉蚜寄主专化性相关基因鉴定与调控机制研究

Aphis gossypii Glover is a destructive insect pest worldwide，and is also an ideal model for studying host plant adaptation of insects. Understanding the mechanisms of host specialization at the molecular level will not only provide important information for the molecular mechanism research on host plant adaptation of insects, but also provide a scientific basis for biological control of pests. However, there is no molecular mechanism of host specialization in cotton aphid is clearly illuminated so far. Recent studies have highlighted the potential importance of chemosensory genes (ORs, GRs, OBPs), detoxification gene family (P450, ABC, GST, COE), and salivary proteins in the process of host race formation. In this project, we will collect different host-specialized cotton aphids from six host plants of two different locations in China, and assessed the extent of SNP, InDel and CNV within and among different host races of cotton aphid at those genes by targeted re-sequencing with high depth of coverage. Through comparing the sequencing data between the different biotypes, we will infer the key genes and regulatory pathway related to the formation of host specialization. These inferred genes will be tested and validated by using RNAi technologies. Finally, the molecular regulatory mechanism of host specialization in cotton aphid will be further elucidated in the project.

棉蚜既是全球性分布的害虫，也是一种理想的研究昆虫寄主适应性的生物模型。对棉蚜寄主专化性分子机制的研究不仅可以为昆虫寄主适应性形成机制的研究提供重要信息，同时也为害虫生物防治提供理论支撑。但目前深层次的对棉蚜寄主专化性形成过程中寄主适应机制的研究仍未见有报道。因此本研究拟针对棉蚜的不同寄主专化型，采用目标捕获测序技术，对不同寄主专化型棉蚜中化学受体基因（ORs、GRs和OBPs），唾液蛋白以及解毒基因家族（P450、ABC、GST和COE）进行高通量重测序分析，鉴定关键控制棉蚜寄主专化性相关基因；利用RNAi技术对鉴定的棉蚜寄主专化性相关基因进行功能验证。推测影响棉蚜寄主专化性形成的关键基因及其作用通路，进而阐明棉蚜寄主专化性形成的分子调控机制。

本课题通过全基因组高通量测序技术与多种生物信息学分析方法对棉蚜基因组进行了组装、注释和评估，结合比较基因组学、行为学、分子生物学、基因组重测序以及群体遗传学等分析方法和技术，对棉蚜的寄主专化性分子机制进行了初步研究。首先，通过对棉蚜全基因组数据的重新组装与分析，获得了一个高质量的棉蚜基因组，基因组大小为294Mb，包含4,724个scaffold，N50为438Kb。通过对棉蚜基因组的解毒酶基因、免疫相关基因以及一些化学受体基因的注释和统计，利用比较基因组的方法，发现化学受体基因的数量可能与棉蚜的寄主范围相关。其次，在我国13个省份采集了不同寄主上90个棉蚜群体，通过对不同寄主上的棉蚜对棉花的偏好性行为学实验，结果表明棉蚜物种内存在棉花型和葫芦科型两种寄主专化型的分化。最后，以我们构建的棉蚜基因组作为参考序列，通过对不同地理区域不同寄主上的79个棉蚜个体进行基因组文库构建、重测序以及群体遗传学分析，发现棉蚜的系统发生关系与其寄主有显著的相关性。由此表明寄主植物在棉蚜的进化过程中发挥着重要的作用，并且棉花寄主与葫芦科寄主上的棉蚜发生了显著的遗传分化。除此之外，通过对两种寄主专化型的棉蚜群体进行了遗传分化系数（FST）分析，发现两种专化型棉蚜遗传分化比较大的基因主要与蛋白转运、甲基转运以及神经等相关。综上所述，本课题不仅为研究棉蚜生物学特征和进化研究提供了高质量的基因组信息，而且也为棉蚜寄主专化性分子机制的研究提供了新的方向。