水平基因转移在昆虫中广泛存在,增强鳞翅目

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期刊：Cell

影响因子：66.85

发表时间：年8月

一、研究背景

昆虫起源于约4.8亿年前，是地球上最繁盛的动物类群，已被描述种超过万，占所有动物物种50%以上。这个古老的动物类群在发育、行为、社会性、生态等方面展现出丰富的多样性。水平基因转移（Horizontalgenetransfer，HGT）是指跨不同物种直接进行基因水平传递。那么，丰富多样的昆虫体内存在多少HGT基因？昆虫如何获得“飞来”的外源基因？这些基因对昆虫生存具有什么生物学意义？

图1昆虫中的基因水平转移

二、研究亮点

1.结合个高质量的昆虫基因组以及HGT高通量筛选算法，鉴定到个HGT基因；

2.内含子获得事件改变了HGT的适应性；

3.蝴蝶和蛾均从李斯特菌Listeria中获得同一个水平转移基因LOC；

4.HGT获得基因增强鳞翅目动物雄性求偶行为。

三、研究思路

图2研究思路

四、研究结果

1.昆虫体内存在大量水平基因转移（HGT）

结合个高质量的昆虫基因组以及HGT高通量筛选算法，研究者共鉴定到个HGT基因。其中，鳞翅目（蝴蝶和蛾）获得16个HGT基因/物种，半翅目获得13个HGT基因/物种，鞘翅目获得6个HGT基因/物种，膜翅目获得3个HGT基因/物种。通过使用BLAST和系统发育结合技术检测，这个HGT获得性基因可能来自个假定供体物种。其中，79%的HGT基因是从细菌中获得，13.8%是从真菌中获得，2.6%是从病毒中获得，3%是从植物中获得，剩下1.6%的来源未知。

图3水平基因转移在昆虫中分布

图4种假定供体物种的分布2.HGT获得基因内含子的起源及HGT在昆虫中的适应性在个HGT获得的基因中，个基因包含个内含子。基于昆虫HGT基因和供体中的对应基因的比较基因组学研究，发现这个内含子都是插入昆虫基因组后获得的。通过对内含子的DNA序列进行了BLASTN搜索，发现这些内含子都来自于昆虫基因组，88%内含子是富含重复的DNA序列，包括DNA转座子、LTR转座子(51.6%)和未分类重复。通过对假定的供体和受体基因组以及所有本地昆虫基因中个HGT-获得基因的基因结构进行分析，发现昆虫的HGT-获得基因长度显著长于供体物种的相应基因，但显著短于昆虫的本地基因。进一步研究了HGT获得基因在进化过程中的基因结构变化，发现基因长度、内含子长度和内含子数量随进化时间明显增加，而CDS长度随进化时间没有显著变化。这些结果表明从本地昆虫基因组中获得的内含子序列，使这些外源基因的长度增加到本地基因的平均长度，参与了昆虫基因组中HGTs的适应。图4内含子获得事件改变了HGT的适应性3.蝴蝶和蛾从李斯特菌中获得增强求偶行为的水平转移基因进一步分析发现蝴蝶和蛾均从李斯特菌中获得同一个水平转移基因LOC。通过CRISPR-Cas9基因编辑技术，研究人员把农业害虫小菜蛾体内的LOC进行敲除，结果发现，相比较野生型小菜蛾，突变体小菜蛾后代数目少了约70%，但是突变体的生长发育（如体长、进食、运动、生殖器官等）均未受到影响。通过行为学实验进一步验证，发现突变体雄虫对雌虫的求偶欲望显著地降低。说明蝴蝶和蛾HGT基因LOC有助于增强雄虫对雌虫求偶行为。图4LOC增强了鳞翅目动物的雄性求偶行为

五、研究结论

本研究结合个高质量的昆虫基因组以及HGT高通量筛选算法鉴定到个HGT基因。基于昆虫HGT基因和供体中的对应基因的比较基因组学研究，发现HGT基因伴随着昆虫适应性演化。进一步分析，发现蝴蝶和蛾均从李斯特菌中获得同一个水平转移基因LOC，基因敲除技术证明了该基因增强了鳞翅目动物的雄性求偶行为。本研究系统性地解析了昆虫纲水平转移基因，为昆虫提供了高质量的HGT基因资源库，为昆虫生物科学、农业害虫防治、以及昆虫生物多样性研究提供了开创性思路。

阅读原文

HGTiswidespreadininsectsandcontributestomalecourtshipinlepidopterans.Cell,.

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