近日,，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室深圳分中心）蕭玉濤團(tuán)隊在《細(xì)胞報告（Cell Reports）》上在線發(fā)表了題為“A supergene controls facultative diapause in the crop pest Helicoverpa armigera”的研究論文,。該研究通過分離群體構(gòu)建、QTL定位,、基因編輯等方法,，揭示了昆蟲自然種群中染色體倒位形成的超基因控制昆蟲滯育發(fā)生的分子機(jī)制,。

衰老是生命體不可避免的一種自然現(xiàn)象，而有些生物卻可以在特定時間段內(nèi)給自己的生命按下“暫停鍵”,，減緩時間流逝引起的生命衰老,。這種可以讓生命短暫暫停的神奇現(xiàn)象奇特的現(xiàn)象在昆蟲中稱為滯育（diapause）。這種現(xiàn)象在其他生物中像熊,、蝙蝠,、松鼠等哺乳動物以及像烏龜,、蛇、青蛙等兩棲類,、魚類甚至植物中也有報道,，也就是我們熟知的冬眠。極端的生存環(huán)境往往會誘導(dǎo)生物進(jìn)化出獨特的生存策略,。滯育/冬眠就是生命體長期進(jìn)化中適應(yīng)極端環(huán)境的范例,。它可以調(diào)控生命體在遇到不利的外界環(huán)境時進(jìn)入一種低代謝、發(fā)育暫停的狀態(tài),，幫助生命體度過逆境,，延長存活時間，外界條件適宜時再次啟動發(fā)育程序,。

超基因（super genes）是指作用于一種性狀或者作用于系列相關(guān)性狀的幾個緊密連鎖的基因位點,，它們共同影響著生物的某些復(fù)雜性狀。超基因的存在使得物種內(nèi)存在更多變異,。

棉鈴蟲（Helicoverpa armigera）屬于鱗翅目夜蛾科,，是一種世界性的重大農(nóng)業(yè)害蟲。棉鈴蟲在我國分為華南群體,、東部群體和新疆群體,。華南與新疆地區(qū)棉鈴蟲群體在滯育性狀上存在明顯區(qū)別，新疆群體在每年冬季進(jìn)入滯育狀態(tài)以躲避嚴(yán)寒,，而華南群體則可以周年發(fā)育,。

圖1 | 棉鈴蟲華南群體和新疆群體滯育性狀差異

基于這一差異性狀，研究團(tuán)隊構(gòu)建了兩個種群的F2分離群體,，通過QTL定位鑒定到Z染色體上一個~5.9 Mb的區(qū)域與滯育性狀顯著關(guān)聯(lián),。隨后，分別構(gòu)建了新疆和華南群體的染色體水平基因組,，通過共線性比較在1號Z染色體上鑒定到1個倒位（inversion）,，其大小為5.93Mb，與QTL1區(qū)域重疊,。通過Hi-C數(shù)據(jù)和PCR擴(kuò)增確認(rèn)了該倒位,。

圖2 | QTL關(guān)聯(lián)分析

為了證實該倒位與滯育性狀連鎖，構(gòu)建了第二個F2分離群體,，通過極端條件篩選出滯育和非滯育個體,，通過分子標(biāo)記確認(rèn)了倒位與滯育性狀存在緊密連鎖。分別測定了新疆和華南地區(qū)棉鈴蟲的12個單頭的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),，發(fā)現(xiàn)倒位并沒有引起倒位斷點周圍基因的表達(dá)出現(xiàn)顯著變化,。倒位區(qū)間內(nèi)共注釋到214個基因，結(jié)合課題組之前研究,，共鑒定到33個基因存在群體分布比例差異的SNPs位點,，其中包括重要的節(jié)律通路（感受光周期）基因：Period,，Clock和Cycle，分別位于倒位的前端（7.0Mb）,，中端（9.6Mb）和后端（11.1Mb）,。Period基因存在兩個非同義突變（p.Val745Ile和p.Ala1007Pro），Clock基因也存在兩個非同義突變（p.Gly504Asp和p.Pro578Ser）,，Cycle基因存在5個非同義突變（p.Val96Gly, p.Ser99Pro, p.Arg108Thr, p.Ala356Pro和p.Ala433Val）,。其中多個突變位點位于蛋白的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域，位點的突變影響了二聚體PER:TIM以及CYC:CLK的結(jié)合位置和結(jié)合能力,。

圖3 | 染色體倒位內(nèi)基因變異類型

隨后對這三個節(jié)律基因開展功能驗證,，利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對Period，Clock和Cycle進(jìn)行敲除,，經(jīng)過3代的篩選獲得了敲除純合品系Period-/-（62bp刪除）, Clock-/-（16bp插入）和Cycle-/-（19bp刪除）,。將敲除品系和對照品系放置于滯育條件下,，對照品系進(jìn)入滯育狀態(tài),，而3個敲除品系均表現(xiàn)為正常發(fā)育，無法進(jìn)入滯育狀態(tài),。敲除品系的蛹在化蛹后15-17天達(dá)到羽化高峰,，而對照品系的蛹仍然保持滯育狀態(tài)。最終,，86.8%的對照個體進(jìn)入滯育狀態(tài),，而敲除品系只有4.6%~8.7%的個體進(jìn)入滯育。上述結(jié)果表明,，Period,，Clock和Cycle三個基因均可以影響昆蟲滯育。染色體倒位的產(chǎn)生,，使得這3個控制滯育的關(guān)鍵基因共分離,，增強(qiáng)昆蟲對外界環(huán)境的感知力，使其更好的適應(yīng)環(huán)境變化,。

圖4 基于CRISPR/Cas9的關(guān)鍵基因功能驗證

在自然種群中,，尤其是農(nóng)業(yè)害蟲領(lǐng)域，超基因存在的普遍性和其在進(jìn)化上的意義在很大程度上仍然未知,。這項研究發(fā)現(xiàn)染色體倒位抑制了重組,，導(dǎo)致控制滯育的3個關(guān)鍵基因共分離，形成了控制滯育的超基因,。該成果不僅加深了我們對超基因的認(rèn)識,，也解析了害蟲滯育現(xiàn)象背后復(fù)雜的遺傳調(diào)控機(jī)制，有助于揭示生物體在極端環(huán)境中存活的適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制,，擴(kuò)展我們對生物多樣性和表型可塑性機(jī)制的認(rèn)識,。兩個審稿人均對該項工作給予積極評價,。

“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”；

翻譯：這項研究非常有趣,，對于研究染色體倒位的進(jìn)化和感知季節(jié)模式的進(jìn)化提供重要參考,。

“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”。

翻譯：我非常喜歡這項研究,，研究結(jié)果為進(jìn)一步理解滯育的進(jìn)化提供了非常重要的見解,。

基因組所（大鵬灣實驗室）靳明輝研究員、彭炎博士后為論文的共同第一作者,，基因組所（大鵬灣實驗室）蕭玉濤研究員,，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院吳孔明院士和基因組所（大鵬灣實驗室）汪鴻儒研究員為論文的共同通訊作者?；蚪M所（大鵬灣實驗室）已畢業(yè)碩士彭捷,、于松淼，副研究員徐琦,，助理研究員吳超和博士后朱經(jīng)云等團(tuán)隊成員參與了此研究,。基因組所（大鵬灣實驗室）周永鋒研究員對這項研究提出了寶貴的指導(dǎo),。