我校校长魏辅文院士在《Nature Communication》期刊发表重要研究成果

发布者:gaoyun发布时间:2023-08-27浏览次数:307

  

近日,我校校长魏辅文院士作为通讯作者在国际重要学术刊物《Nature Communications》(IF17.694)上发表题为“兰花螳螂伪装表型创新的进化基因组学(Evolutionary genomics of camouflage innovation in the orchid mantis)”的研究长文,从演化发育视角揭示兰花螳螂伪装表型创新的分子机制。


生命演化过程中曾出现若干性状创新的重大事件。解析重要性状的起源与演化,离不开发育生物学的技术手段和演化生物学的理论框架。特别是近年来组学和基因编辑技术的飞速发展,演化生物学步入新的发展阶段。

伪装是物种在长期演化过程中产生的躲避捕食者或吸引猎物的一种关键适应策略,涉及身体颜色、图案或体态的改变。自然界中,昆虫伪装现象最为常见,其中最受欢迎且富有魅力的是兰花螳螂(Hymenopus coronatus)。然而,目前关于兰花螳螂伪装表型的演化发育机制尚不清楚。特别是缺乏该类群高质量基因组,阻碍了对其独特表型创新的揭示。


为解决上述科学问题,魏辅文院士团队利用ONT+Hi-C+Illumina+RNA-seq等测序技术组装了兰花螳螂(H. coronatus)和枯叶螳螂(Deroplatys lobata)染色体水平的高质量基因组,结合比较基因组、转录组分析及RNA干扰功能验证,重点解析了兰花螳螂体色、形态、食性以及体型性二型的遗传基础。

在该研究中,兰花螳螂和枯叶螳螂的基因组大小分别为2.88Gb3.96Gb,高于大多数不完全变态昆虫。重复元件占比高(占全基因组的64.94%–66.16%),以及内含子长度较长,可能是基因组较大的主要原因。

该研究利用比较基因组和生化手段,揭示了兰花螳螂发育过程中独特的颜色变化:一龄幼虫呈现红黑色,模仿有毒的猎蝽,采取警戒色的生存策略;从二龄幼虫阶段,开始模仿花朵,呈现白色或粉色。基因家族分析显示,ABC超家族中ScarletWhite在兰花螳螂中显著扩张,两者可结合形成异二聚体,将3-羟基犬尿氨酸运输到色素颗粒中合成眼黄素。生化实验和高效液相色谱测定分析进一步证实了眼黄素是兰花螳螂颜色伪装的关键色素。


1 体色的遗传和生化基础

 

在该研究中,还对兰花螳螂股骨膨大的发生机制做了解析。组织学观察发现股骨膨大区主要是角质层,在兰花螳螂中角质层相关基因Cuticle发生显著扩张。不同发育阶段步肢组织转录组分析显示,Cuticle基因在2龄和5龄的腿部组织中表达明显高于1龄,与股骨膨大相关。结合转录组分析和RNA干扰实验证实了股骨膨大进一步受Wnt信号通路和Ubx调控。


2 步肢股骨形态发生的分子机制

 

性二型性状对性选择和物种生存至关重要。雌性兰花螳螂成体的体型比雄性大2-3倍,蜕皮次数也要多2-3次,是一个典型的性二型案例。该研究对兰花螳螂雌雄个体进行了转录组测序。分析发现,Hippo信号通路和昆虫蜕皮激素的生物合成通路在雌性个体中显著富集。推测Tai基因表达受20-羟基蜕皮激素 (20E)调控,进而TaiHippo通路转录共激活因子Yki相互作用,促进Yki靶向基因的表达,调控变态发育和组织大小。

此外,比较基因组分析发现,胰蛋白酶基因(Trypsin)在兰花螳螂和枯叶螳螂中显著扩张,酶活性分析显示兰花螳螂肠道胰蛋白酶活性显著高于草食性昆虫,可能有利于帮助宿主消化吸收蛋白质,适应食虫食性。

综上,该研究提供了兰花螳螂和枯叶螳螂的高质量参考基因组,揭示了兰花螳螂伪装表型创新的演化发育机制,为螳螂目昆虫研究提供了新的见解和数据支撑。

 

供稿:科技处   编发:宣传部