雜食性是農業(yè)害蟲重要的適應性策略。取食多種作物對害蟲種群的維持和爆發(fā)具有重要的保障意義,。雜食性害蟲抗藥性演化速度也明顯更快,。遷飛是昆蟲重要的生活史對策,，是昆蟲對外界環(huán)境在空間上的適應,。昆蟲的遷飛既不是無規(guī)律的突然發(fā)生,，也不是在個體發(fā)育過程中對某些不良環(huán)境因素的暫時性反應,，而是物種在進化過程中長期適應環(huán)境的遺傳特性,，是一種種群行為,。農業(yè)害蟲的大規(guī)模遷飛是導致遷入地危害爆發(fā)的重要原因,。然而關于昆蟲遷飛機制的研究仍不完善。

近日,，基因組所蕭玉濤團隊和樊偉團隊聯(lián)合中國農業(yè)科學院植物保護研究所,，在國際知名生物學雜志《BMC生物學（BMC Biology）》上在線發(fā)表了題為“Chromosome-level genome of black cutworm provides novel insights into polyphagy and seasonal migration in insects”的研究論文,。研究發(fā)布了小地老虎染色體水平基因組，通過組學和實驗相結合的方式,，對小地老虎雜食性和遠距離季節(jié)遷飛等行為機制進行了解析,，研究發(fā)現(xiàn)小地老虎通過不同的代謝酶抵御多樣化的植物次生物質，揭示了節(jié)律通路,、激素合成通路以及能量代謝通路在昆蟲遠距離遷飛中的重要作用,。該研究為害蟲綠色防控提供潛在靶點，并促進了對害蟲遠距離遷飛適應性的理解,。

遠距離的遷徙

小地老虎,，又稱土蠶、地蠶等,，具有廣泛的寄主范圍,，不僅可以危害糧食、蔬菜作物,，還可以危害林木,、果樹和花卉等苗木，是地老虎中分布最廣泛,、危害最嚴重的世界性害蟲,。小地老虎同時也是一種季節(jié)性遠距離遷飛害蟲，其遷飛能力極強,，可連續(xù)遷飛500km以上,，是研究昆蟲雜食和遷飛行為進化機制的重要模型。

雜食性的“關鍵”蛋白：ABC轉運蛋白

通過三代基因組測序技術,，研究人員組裝注釋了一個高質量的小地老虎染色體水平參考基因組,，基因組大小515Mb, N50長度17.58Mb。注釋到19,412個編碼基因,，其中參與寄主植物次生物質代謝第Ⅰ,、Ⅱ階段的基因家族CYP450，GST呈現(xiàn)顯著擴張,，其中多個代謝酶基因在受到寄主植物誘導后顯著上調表達,。相對保守的第Ⅲ階段ABC轉運蛋白并未出現(xiàn)明顯擴張，但其表達受寄主植物誘導明顯,。采用CRISPR/Cas9技術對誘導明顯的AiABCA1和AiABCC3基因進行敲除,，敲除AiABCA1的個體對煙草的敏感性顯著增加，而敲除AiABCC3的個體對棉花的敏感性顯著增加,，證實了ABC轉運蛋白在昆蟲對植物次生物質代謝中的重要作用,，也揭示了害蟲可通過不同的代謝酶抵御多樣化的植物次生物質，進而適應性取食多種作物,。

遷徙的基因密碼

研究人員通過位于渤海灣的北城隍島對小地老虎南遷期和北遷期的飛行狀態(tài)成蟲進行燈光誘集,，對成蟲的頭部和腹部分別取樣進行轉錄組測序,。同時，對室內群體采用吊飛的方式模擬不同飛行時間,。對遷飛-吊飛的成蟲頭部轉錄組進行比較分析發(fā)現(xiàn),，隱花色素Cry2和MagR基因的表達在遷飛群體顯著升高，而在吊飛群體中無顯著變化,。推測Cry2和MagR高表達在遷飛過程中具有重要作用,。進一步通過CRISRP/Cas9技術對Cry2基因進行敲除，發(fā)現(xiàn)敲除個體羽化時間紊亂,，生物鐘節(jié)律被打破,。

通過對保幼激素合成和降解通路進行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)通路基因除JHEH擴張外,，其余基因較為保守,。遷飛群體和吊飛群體中Epoxidase和JHAMT2的表達均呈現(xiàn)顯著上調的趨勢，表明Epoxidase和JHAMT2基因在飛行過程具有重要作用,。能量代謝對于昆蟲長距離遷飛至關重要,。通過對遷飛和吊飛群體的腹部轉錄組進行比較分析，發(fā)現(xiàn)小地老虎在飛行初期（吊飛30min）主要以碳水化合物,、脂類作為能量供給,，隨著飛行時間的延長（吊飛1h和10h）能量供給主要為脂類代謝，其中Ecill,、CPT2,、Acads等脂類代謝基因的表達顯著上調。而經過長時間飛行后的遷飛狀態(tài)成蟲,，其能量代謝途徑呈現(xiàn)下調趨勢,，包括氧化磷酸化、脂代謝途徑等,，推測昆蟲遷飛過程中采用動態(tài)調整能量代謝速率的方式延長遷飛距離。

圖 | 小地老虎節(jié)律通路鑒定及跨海遷飛群體的表達模式

綜上,，該研究對小地老虎寄主植物適應性和遠距離遷飛機制的研究提供了重要證據(jù),。研究成果為害蟲綠色防控提供潛在靶點，并促進了對害蟲遠距離遷飛適應性的理解,。

基因組所靳明輝副研究員,、劉博副研究員、鄭偉剛博士,、劉聰輝副研究員,、劉振興和苑鶴博后為論文共同第一作者，中國農業(yè)科學院植物保護研究所吳孔明研究員,、基因組所樊偉研究員和蕭玉濤研究員為共同通訊作者,。本研究工作得到中國農業(yè)科學院創(chuàng)新工程,，國家自然科學基金，深圳市科技創(chuàng)新計劃的支持,。

原文鏈接：https://doi.org/10.1186/s12915-022-01504-y