红色乳草甲虫基因组为植物昆虫相互作用提供了进化见解

研究普通红马利筋甲虫如何安全地以有毒植物为食的秘密，有助于从基因组角度阐明昆虫与植物相互作用的生态、进化和经济影响。

尽管人们对红乳草甲虫和乳草植物之间的关系进行了近150年的研究，但阿肯色州农业实验站的一位科学家最近与孟菲斯大学和威斯康星大学奥什科什分校的同事一起做了其他人从未做过的事情-管理甲虫的基因组及其与植物取食和其他生物性状相关的基因库。

研究人员对寄主专一的马利筋甲虫(Tetraopestetrophthalmus)的整个基因组进行了测序和组装。然后，他们将基因组生物学的各个方面与寄主通才的亚洲长角甲虫(Anoplophoraglabripennis)进行了比较，后者是一种外来入侵物种，以多种对林业至关重要的树木为食。

他们的研究成果《从红马利筋甲虫的基因组看化学感受和专门食草的功能和进化见解》发表在《遗传杂志》上。

“从生物学角度来看，有很多研究结果表明，乳草甲虫和有毒乳草寄主之间的长期相互作用应该会影响相互作用双方的生物学特性，”这项研究的主要作者里奇·亚当斯(RichAdams)说道。“但迄今为止，还没有人组装过乳草甲虫基因组，这为解决昆虫和植物界面上许多有趣的问题打开了大门。”

亚当斯是阿肯色大学农业系统分部昆虫学和植物病理学系的农业统计学助理教授。他还是实验站新设立的农业数据分析中心的成员，并在戴尔·邦珀斯农业、食品和生命科学学院教授统计学课程。

科学发展

亚当斯说，乳草和乳草甲虫(Tetraopes属)是生态学、进化、发育生物学、毒素生物化学等研究的一个多世纪的宝贵模型。它们还提供了一个有趣且令人信服的昆虫和植物共同分化模式案例——这意味着植物和昆虫在相互作用的历史中在共同进化的时间上有相似之处，亚当斯解释说。

研究小组发现，红乳草甲虫的ABC运输家族基因明显增多，这可能有助于它们以乳草为食，并将其毒素隔离在甲虫组织内。乳草以其有毒的乳胶混合物而闻名，这种混合物会影响维持心脏细胞泵血的钠、钙和钾的平衡。亚当斯说，这个基因组让我们了解到甲虫进化出了哪些基因，可以安全地与有毒的乳草宿主互动。

“马利筋会产生一种特别有害的毒素，称为强心苷，以及伴随而来的其他毒素，”亚当斯说。“对于许多食用这种毒素的昆虫来说，这种毒素会阻塞它们的钠钾泵。但这种甲虫不仅发展出了一种抵抗毒素的方法，而且还能隔离毒素，保留毒素，从而保护甲虫自身免受潜在捕食者的伤害。”

这项研究还确定了负责嗅觉、味觉和分解植物细胞的代谢酶的基因差异。亚当斯说，这为探索天牛和其他食草甲虫专门取食植物的生态和进化提供了一个新的有利位置。

在农业、人类健康中的应用

这些发现可能有助于我们了解和识别塑造农业和林业害虫的遗传因素，使它们能够成功地以植物为食，并逃避控制。大多数能够消化木本植物的动物依靠肠道中的微生物来分解植物细胞壁;然而，许多食草甲虫却没有。

亚当斯说，许多以植物为食的甲虫，包括长角甲虫，通过微生物的水平基因转移获得了分解植物细胞壁的能力。通过观察甲虫基因组中编码的蛋白质的多样性，他说科学家可以了解甲虫生物学、进化和多样性的基因组基础，以及它们与植物相互作用的倾向。

亚当斯说：“大自然已经创造了令人难以置信的基因和基因组多样性，我们还没有破解这些多样性。了解这种多样性对农业、林业和人类健康大有裨益。食草甲虫如果没有代谢酶，就很难以植物为食，因为它们没有代谢酶就无法有效地进食。”

除了研究马利筋甲虫的基因组DNA之外，研究小组还收集了雄性和雌性红马利筋甲虫触角的RNA，以进一步了解它们如何通过化学感应寻找配偶和食物。

亚当斯说：“更多地了解化学感应生物学——生物如何感知其环境，例如感知宿主植物或生殖伴侣——对于理解昆虫与植物的相互作用具有广泛的意义，这与农业和林业密切相关。”

RNA图谱为四足动物提供了第一个转录组资源。转录组包含一系列基因，这些基因被转录成生物体在组织或细胞组中表达的RNA分子。

DNA提供基因序列，而RNA则提供“对基因及其表达的更好分辨率，包括基因产生的频率”，亚当斯解释说。

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