Cell Reports | 基因组所萧玉涛团队揭示超基因控制昆虫滞育发生的机制

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）萧玉涛团队在《细胞报告（Cell Reports）》上在线发表了题为“A supergene controls facultative diapause in the crop pest Helicoverpa armigera”的研究论文。该研究通过分离群体构建、QTL定位、基因编辑等方法，揭示了昆虫自然种群中染色体倒位形成的超基因控制昆虫滞育发生的分子机制。

衰老是生命体不可避免的一种自然现象，而有些生物却可以在特定时间段内给自己的生命按下“暂停键”，减缓时间流逝引起的生命衰老。这种可以让生命短暂暂停的神奇现象奇特的现象在昆虫中称为滞育（diapause）。这种现象在其他生物中像熊、蝙蝠、松鼠等哺乳动物以及像乌龟、蛇、青蛙等两栖类、鱼类甚至植物中也有报道，也就是我们熟知的冬眠。极端的生存环境往往会诱导生物进化出独特的生存策略。滞育/冬眠就是生命体长期进化中适应极端环境的范例。它可以调控生命体在遇到不利的外界环境时进入一种低代谢、发育暂停的状态，帮助生命体度过逆境，延长存活时间，外界条件适宜时再次启动发育程序。

超基因（super genes）是指作用于一种性状或者作用于系列相关性状的几个紧密连锁的基因位点，它们共同影响着生物的某些复杂性状。超基因的存在使得物种内存在更多变异。

棉铃虫（Helicoverpa armigera）属于鳞翅目夜蛾科，是一种世界性的重大农业害虫。棉铃虫在我国分为华南群体、东部群体和新疆群体。华南与新疆地区棉铃虫群体在滞育性状上存在明显区别，新疆群体在每年冬季进入滞育状态以躲避严寒，而华南群体则可以周年发育。

图1 | 棉铃虫华南群体和新疆群体滞育性状差异

基于这一差异性状，研究团队构建了两个种群的F2分离群体，通过QTL定位鉴定到Z染色体上一个~5.9 Mb的区域与滞育性状显著关联。随后，分别构建了新疆和华南群体的染色体水平基因组，通过共线性比较在1号Z染色体上鉴定到1个倒位（inversion），其大小为5.93Mb，与QTL1区域重叠。通过Hi-C数据和PCR扩增确认了该倒位。

图2 | QTL关联分析

为了证实该倒位与滞育性状连锁，构建了第二个F2分离群体，通过极端条件筛选出滞育和非滞育个体，通过分子标记确认了倒位与滞育性状存在紧密连锁。分别测定了新疆和华南地区棉铃虫的12个单头的转录组数据，发现倒位并没有引起倒位断点周围基因的表达出现显著变化。倒位区间内共注释到214个基因，结合课题组之前研究，共鉴定到33个基因存在群体分布比例差异的SNPs位点，其中包括重要的节律通路（感受光周期）基因：Period，Clock和Cycle，分别位于倒位的前端（7.0Mb），中端（9.6Mb）和后端（11.1Mb）。Period基因存在两个非同义突变（p.Val745Ile和p.Ala1007Pro），Clock基因也存在两个非同义突变（p.Gly504Asp和p.Pro578Ser），Cycle基因存在5个非同义突变（p.Val96Gly, p.Ser99Pro, p.Arg108Thr, p.Ala356Pro和p.Ala433Val）。其中多个突变位点位于蛋白的关键结构域，位点的突变影响了二聚体PER:TIM以及CYC:CLK的结合位置和结合能力。

图3 | 染色体倒位内基因变异类型

随后对这三个节律基因开展功能验证，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对Period，Clock和Cycle进行敲除，经过3代的筛选获得了敲除纯合品系Period-/-（62bp删除）, Clock-/-（16bp插入）和Cycle-/-（19bp删除）。将敲除品系和对照品系放置于滞育条件下，对照品系进入滞育状态，而3个敲除品系均表现为正常发育，无法进入滞育状态。敲除品系的蛹在化蛹后15-17天达到羽化高峰，而对照品系的蛹仍然保持滞育状态。最终，86.8%的对照个体进入滞育状态，而敲除品系只有4.6%~8.7%的个体进入滞育。上述结果表明，Period，Clock和Cycle三个基因均可以影响昆虫滞育。染色体倒位的产生，使得这3个控制滞育的关键基因共分离，增强昆虫对外界环境的感知力，使其更好的适应环境变化。

图4 基于CRISPR/Cas9的关键基因功能验证

在自然种群中，尤其是农业害虫领域，超基因存在的普遍性和其在进化上的意义在很大程度上仍然未知。这项研究发现染色体倒位抑制了重组，导致控制滞育的3个关键基因共分离，形成了控制滞育的超基因。该成果不仅加深了我们对超基因的认识，也解析了害虫滞育现象背后复杂的遗传调控机制，有助于揭示生物体在极端环境中存活的适应性进化机制，扩展我们对生物多样性和表型可塑性机制的认识。两个审稿人均对该项工作给予积极评价。

“I think the results are extremely interesting and potentially of high interests to folks working on the evolution of inversions and the evolution of seasonality”；

翻译：这项研究非常有趣，对于研究染色体倒位的进化和感知季节模式的进化提供重要参考。

“In general,I really enjoyed the research being reported! This is a very ambitious project that is providing really important insights to understanding the evolution of diapause”。

翻译：我非常喜欢这项研究，研究结果为进一步理解滞育的进化提供了非常重要的见解。

基因组所（大鹏湾实验室）靳明辉研究员、彭炎博士后为论文的共同第一作者，基因组所（大鹏湾实验室）萧玉涛研究员，中国农业科学院吴孔明院士和基因组所（大鹏湾实验室）汪鸿儒研究员为论文的共同通讯作者。基因组所（大鹏湾实验室）已毕业硕士彭捷、于松淼，副研究员徐琦，助理研究员吴超和博士后朱经云等团队成员参与了此研究。基因组所（大鹏湾实验室）周永锋研究员对这项研究提出了宝贵的指导。