11月15日晚，國際學(xué)術(shù)期刊Cell Reports封面文章在線報道了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)牛長纓教授團(tuán)隊與中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心詹帥研究員團(tuán)隊合作的研究成果—“Behavioral and genomic divergence between a generalist and aspecialist fly”。該研究以專食性柑橘大實蠅和多食性橘小實蠅為研究對象，綜合利用基因組學(xué)、比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)、行為學(xué)和分子遺傳學(xué)等手段，解析了兩種近緣種實蠅行為與食性差異的分子機(jī)理。

 

　　昆蟲是地球上生物多樣性最為豐富的動物類群。其中，取食植物的植食性昆蟲占將近一半。在昆蟲與寄主植物長期的協(xié)同演化過程中，昆蟲對寄主的適應(yīng)性進(jìn)化顯著地驅(qū)動了種群分化與物種形成。在自然界中，絕大多數(shù)植食性昆蟲（約98%）為專食性昆蟲，即以一種或少量近緣物種為宿主；而多食性昆蟲占極少數(shù)（約2%）。昆蟲的食性演化雖已在果蠅屬中有較為深入的開展，但在非模式物種中，特別是大量的農(nóng)林果蔬害蟲中，相關(guān)研究仍較為匱乏。

 

　　本研究選取果實蠅屬的一對近緣物種——專食性的柑橘大實蠅（Bactrocera minax）和多食性的橘小實蠅（Bactrocera dorsalis）為研究系統(tǒng)。柑橘大實蠅主要分布在我國及南亞地區(qū)，僅以未成熟的柑橘類果實為寄主。而橘小實蠅是世界性檢疫害蟲和重要的果蔬害蟲，分布在非洲、歐洲、亞洲和環(huán)太平洋等地區(qū)，危害香蕉、柑橘、芒果等46個科的250多種水果和蔬菜。

 

　　實蠅對寄主的選擇主要取決于成蟲的產(chǎn)卵偏好——性成熟的雌蟲選擇合適的寄主產(chǎn)卵后，便決定了下一代的寄主。為便于實驗開展，研究人員首先利用長讀長測序平臺和Hi-C輔助組裝技術(shù)，構(gòu)建了兩種實蠅的高質(zhì)量參考基因組。通過比較兩種實蠅在寄主定位前后的轉(zhuǎn)錄組差異，發(fā)現(xiàn)相關(guān)基因均顯著富集于光傳導(dǎo)通路，提示視覺可能在實蠅的寄主定位過程中發(fā)揮重要作用。

 

　　研究人員進(jìn)一步建立了多種行為檢測體系，以探究視覺信號對兩種實蠅寄主選擇的影響。室內(nèi)的色盤選擇實驗顯示專食性的柑橘大實蠅偏好綠色，而多食性的橘小實蠅偏好黃色，與其各自的寄主顏色（未成熟柑橘和成熟的多種果實）一致，證明了實蠅通過視覺對顏色的識別在其寄主定位過程中起關(guān)鍵作用。鑒于嗅覺在昆蟲感知環(huán)境過程中已報道的普遍作用，研究人員還在非寄主顏色的色盤中添加寄主植物的氣味，發(fā)現(xiàn)雖然偏好程度有所下降，但實蠅仍然表現(xiàn)出對寄主顏色的顯著偏好。研究人員進(jìn)一步開展了半野外籠罩實驗，結(jié)果依然顯示兩種實蠅均顯著趨向于模擬果實顏色和性狀的色球，而非涂有寄主氣味的其它顏色色球。以上一系列實驗表明，至少在近距離范圍內(nèi)，顏色偏好性對于實蠅的寄主定位起主導(dǎo)作用。同時，不同的實驗也分別顯示專食性的柑橘大實蠅在寄主定位過程中對視覺的依賴程度更高。研究人員還發(fā)現(xiàn)實蠅科的物種在基因組中只保留了對長光波敏感的視蛋白基因Rh1、Rh2和Rh6，RNA干擾實驗顯示Rh6在實蠅寄主定位中起重要作用。有意思的是，研究人員發(fā)現(xiàn)Rh6基因在柑橘大實蠅受到強(qiáng)烈的純化選擇，而選擇并不發(fā)生在多食性的橘小實蠅中，與行為學(xué)所觀測到的柑橘大實蠅視覺更敏感一致。

 

　　另一方面，研究人員發(fā)現(xiàn)，在沒有視覺信號影響的情況下，寄主氣味仍然能夠有效吸引兩種實蠅，并且在多食性的橘小實蠅中表現(xiàn)更為明顯。與之相關(guān)，研究人員發(fā)現(xiàn)嗅覺受體基因家族（OR）在橘小實蠅基因組中顯著擴(kuò)張，包括OR7a和OR83c等在果蠅中已報道和實蠅的相關(guān)寄主配體化合物的識別有關(guān)，并且群體遺傳學(xué)分析發(fā)現(xiàn)嗅覺受體基因在橘小實蠅中受到普遍的正選擇。以上結(jié)果提示多食性的橘小實蠅可能具有更高可塑性的嗅覺系統(tǒng)，其對氣味的敏感性也優(yōu)于柑橘大實蠅。

 

　　綜上，該研究從行為角度和分子水平分別揭示了視覺和嗅覺在果實蠅屬中驅(qū)動專食性與多食性形成的各自作用，為深入理解植食性昆蟲食性進(jìn)化的機(jī)制提供了新的認(rèn)知。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王耀輝博士（現(xiàn)中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后）和中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心房剛奇博士后為論文共同第一作者，牛長纓教授和詹帥研究員為共同通訊作者。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心黃勇平研究員為該研究提供了重要指導(dǎo)和研究平臺，聯(lián)合國國際原子能機(jī)構(gòu)／國際實蠅委員會主席RuiPereira博士為該研究提供指導(dǎo)。

 

　　本研究得到國家自然科學(xué)基金國際（地區(qū)）合作與交流項目、國家自然科學(xué)基金面上項目、公益性行業(yè)科研專項、國際原子能機(jī)構(gòu)基金和中國科學(xué)院等項目資助。

 

　　【人物簡介】

 

　　牛長纓，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，國際實蠅委員會委員，長期致力于實蠅寄主定位及食性進(jìn)化的機(jī)制研究，并基于行為學(xué)研發(fā)實蠅綠色防控新技術(shù)。近年來取得了一系列研究進(jìn)展，研究成果發(fā)表在CellReports、BMCBiology、InsectBiochemistry Molecular Biology，Journalof Pest Science和Pest Management Science等國際學(xué)術(shù)期刊。

 

　　詹帥，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員。主要從事昆蟲適應(yīng)性進(jìn)化研究，探究昆蟲在適應(yīng)環(huán)境過程中食性、季節(jié)性適應(yīng)等行為的遺傳機(jī)制和演化規(guī)律。研究成果發(fā)表在Cell、Nature、NatureEcology & Evolution、Nature Communications等國際學(xué)術(shù)期刊。