人才强校 | 中国农大李志红教授团队揭示橘小实蝇起源、全球入侵路径及热适应性机制

中国农大新闻网讯 近日，中国农业大学植物保护学院、农业农村部植物检疫性有害生物监测防控重点实验室李志红教授团队与国内外有关机构合作在国际知名学术期刊《前沿研究杂志》（Journal of Advanced Research）上发表了题为“世界性水果害虫—橘小实蝇基因组揭示其全球入侵史和热适应性机制”（“Genomes of the cosmopolitan fruit pest Bactrocera dorsalis (Diptera: Tephritidae) reveal its global invasion history and thermal adaptation”）的研究论文。橘小实蝇是全球关注的水果杀手，被我国列为进境检疫性有害生物，同时在我国水果出口中受到主要贸易国的高度关注。该研究针对橘小实蝇种类界定争议、全球扩散路径不明、热适应性机制不清的科学问题，通过获取高质量染色体水平参考基因组、构建单核苷酸多态性位点数据库、全基因组关联分析及RNA干扰验证，明确了橘小实蝇和杨桃实蝇是两个物种；揭示了橘小实蝇起源于印度南部地区并在贸易和移民等活动的驱动下，通过三条独立的扩散路径在全球扩散，即印度北部—东南亚北部—东南亚南部、印度北部—东南亚北部—中国—夏威夷、印度南部—非洲大陆—马达加斯加；同时发现Cyp6a9基因(Cytochrome P450 6a9)可显著提高橘小实蝇的热适应性,从而增加其入侵适应力。

该研究利用基因组三代测序技术，结合Hi-C和全长转录组测序，重新组装出橘小实蝇565 Mb的基因组，并挂载到6条染色体上，为后续研究提供了高质量参考基因组。通过对全世界28个国家50个地理种群的487个橘小实蝇样本和3个国家3个地理种群的25个杨桃实蝇样本的基因组重测序，基于全基因组SNPs数据的系统发育和群体遗传分析，证明杨桃实蝇应该作为一个独立的系统发育种，而非橘小实蝇的同物异名。此外，在橘小实蝇的缅甸和印度尼西亚种群样本中都发现了杂交个体，进一步证明了橘小实蝇和杨桃实蝇在野外存在基因交流。

图1 橘小实蝇群体遗传结构

该研究综合基于橘小实蝇遗传多样性和遗传分化分析、系统发育树分析、主成分分析、遗传结构分析、LD衰减分析与基因交流分析等结果，清晰地揭示了该虫的起源地为印度南部，以印度为中心通过3条主要路径入侵扩散至其他国家地区，即（1）第一条路径为印度南部—斯里兰卡—非洲，并通过莫桑比克入侵马达加斯加；（2）第二条路径为印度南部—尼泊尔、孟加拉国—东南亚北部—东南亚南部；（3）第三条路径为印度南部—尼泊尔、孟加拉国—东南亚北部—中国南部—中国中部，并且通过中国入侵至夏威夷。此前尚未有人研究清楚夏威夷种群的来源，该研究首次揭示了入侵至夏威夷的橘小实蝇源于中国东南部沿海地区。

图2 橘小实蝇全球入侵扩散路径示意图

为了揭示橘小实蝇的热适应性机制，该研究基于全基因组关联分析共筛选出27个基因与11个温度环境变量耦合，其中细胞色素P450 CYP6家族的Cyp6a9基因与10个温度环境变量耦合，可能是最关键的基因。后续的RNAi介导的功能验证实验证明Cyp6a9可以显著提高橘小实蝇的热适应性，从而增加其入侵适应力。当Cyp6a9的表达被抑制后，经38℃热驯化后的橘小实蝇在45℃高温胁迫下的生存率显著下降。

图3 橘小实蝇全基因组与11个温度环境变量耦合的GWAS位点

图4 基于RNA干扰验证Cyp6a9在橘小实蝇热适应中的功能

该研究为橘小实蝇的进化历程和温度适应性的遗传基础提出了新见解。中国农业大学植物保护学院张岳（2021年获博士学位，现为中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所博士后）为论文第一作者，李志红为论文通讯作者，刘山林、廖祖兴（本科生）、赵岩（研究生）、秦誉嘉、郭韶堃、李虎、柳丽君、赵紫华等参与该研究。来自中国检验检疫科学研究院以及比利时、印度、马来西亚、马达加斯加、苏里南、印度尼西亚、巴布亚新你内亚、肯尼亚、塞内加尔、巴基斯坦等相关机构的合作者也参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金（No. 31972341）的资助，也得到了欧盟H2020 FF-IPM项目（No. 818184）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jare.2022.12.012