“飛蝗作為昆蟲學(xué)的經(jīng)典研究模式，已有200多年的歷史，然而其遺傳背景十分復(fù)雜，染色體很多，基因組過大，逐漸在現(xiàn)代生物學(xué)研究中淡出，在上世紀(jì)50年代之后，其模式地位逐漸被果蠅代替。”中科院院士、中科院動(dòng)物研究所所長康樂在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)說。隨著飛蝗基因組的破解，這種有著長期研究歷史的昆蟲將可能重返科研舞臺(tái)中心，成為現(xiàn)代生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究的重要研究模式系統(tǒng)。
在多年研究基礎(chǔ)上，康樂帶領(lǐng)中科院動(dòng)物所生態(tài)基因組學(xué)研究組對(duì)飛蝗基因組進(jìn)行了測(cè)序、組裝、注釋，揭示了飛蝗的食性、遷飛、群聚等奧秘。為揭示蝗災(zāi)暴發(fā)機(jī)制以及開發(fā)可持續(xù)性治理策略和新的控制方法提供了基因組資源，也為推動(dòng)飛蝗成為研究人類疾病和行為的生物醫(yī)學(xué)模型奠定了重要基礎(chǔ)。
動(dòng)物體形大小與基因組大小并不成比例，這是當(dāng)今生物學(xué)界的一個(gè)謎。據(jù)課題組副研究員王憲輝介紹，飛蝗基因組是現(xiàn)在人類解析出的最大的動(dòng)物基因組，達(dá)到6.5GB，是人類基因組的兩倍多，約是果蠅基因組的30倍。
飛蝗基因組的“龐大”主要是重復(fù)序列在基因組中過多積累造成的。飛蝗基因組約60%的區(qū)域由重復(fù)序列組成，有2639個(gè)重復(fù)序列的家族，數(shù)量最多的兩類重復(fù)序列是DNA轉(zhuǎn)座子和line轉(zhuǎn)座子,它們?cè)诨蚪M中分別占到24%和17%。研究人員表示，飛蝗基因組中重復(fù)序列家族僅占整個(gè)基因組60%左右的區(qū)域，這說明飛蝗基因組具有高復(fù)雜性特征。為了獲得可靠的生物學(xué)基因，研究人員在克服雜合度、工具改進(jìn)、數(shù)據(jù)組裝、基因注釋等方面做了大量探索工作。
此次研究的第二個(gè)亮點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)了群居型和散居型飛蝗之間的轉(zhuǎn)變奧秘，首次揭示出兩型轉(zhuǎn)變的深層次原因。該課題組楊鵬程博士表示，研究發(fā)現(xiàn)調(diào)控神經(jīng)可塑性的基因在表達(dá)量、DNA甲基化以及可變剪切方面都有明顯變化。這些基因可能在控制飛蝗形成大的群體過程中發(fā)揮重要功能。
同時(shí)，飛蝗具有很強(qiáng)的遷飛能力，研究組發(fā)現(xiàn)，飛蝗基因組中參與脂肪酸合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝過程的許多基因家族發(fā)生明顯擴(kuò)增現(xiàn)象。因?yàn)橹舅崾谴蠖鄶?shù)長距離遷飛昆蟲的能量物質(zhì)，從而解釋了飛蝗擁有卓越飛行能力的遺傳基礎(chǔ)。
此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)飛蝗身體中的代謝解毒酶類(糖苷鍵轉(zhuǎn)移酶)的基因數(shù)目在所有已測(cè)序昆蟲中最為豐富。這類酶能夠降解禾本科植物中存在的特定次生代謝物，為解釋飛蝗以禾本科植物為食的原因提供了重要線索。
“發(fā)現(xiàn)飛蝗的致死基因和兩型轉(zhuǎn)變的奧秘也可以啟發(fā)人們發(fā)展新型農(nóng)藥。”康樂介紹說。課題組已預(yù)測(cè)了51個(gè)潛在的藥物靶點(diǎn)基因，可用于后續(xù)的藥物篩選工作，實(shí)驗(yàn)室未來還會(huì)培育一些轉(zhuǎn)基因蝗蟲用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
“蝗蟲本身也是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要成員，沒有必要將其趕盡殺絕。只要它們不嚴(yán)重危害以生產(chǎn)為目的的農(nóng)作物，應(yīng)該允許一定數(shù)量的蝗蟲存在于自然環(huán)境中。”康樂說。
