曾學(xué)梅 李鵬 農(nóng)向

摘要：轉(zhuǎn)錄組學(xué)是從分子水平研究和探討細(xì)胞或蚜蟲的特定組織中的基因從轉(zhuǎn)錄起始到翻譯之前的情況，是基因表達(dá)的橋梁。蚜蟲類是同翅目中較大的類群，其可以傳播植物病毒，對(duì)農(nóng)業(yè)造成極大損失，當(dāng)前，已對(duì)大豆蚜、豌豆蚜等6種蚜蟲進(jìn)行過轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，測(cè)序研究多在于對(duì)分子機(jī)制、基因篩選、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性及其共生體互作的研究。對(duì)蚜蟲轉(zhuǎn)錄組的研究，可以為蚜蟲資源的開發(fā)提供豐富的組學(xué)資源，有助于控制蚜蟲種群數(shù)量、抗藥性及防治蚜蟲災(zāi)害的發(fā)生，以及更深入的研究蚜蟲生長(zhǎng)發(fā)育的過程及特異性基因的發(fā)掘。

關(guān)鍵詞：蚜蟲 轉(zhuǎn)錄組 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序 基因

一、蚜蟲轉(zhuǎn)錄組的研究方向

1.為基因鑒定、篩選和發(fā)掘提供數(shù)據(jù)

對(duì)蚜蟲轉(zhuǎn)錄組的研究集中在基因鑒定，篩選等領(lǐng)域。如對(duì)某一生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的蚜蟲個(gè)體或蚜蟲身體的一個(gè)部位的RNA序列進(jìn)行測(cè)序，統(tǒng)計(jì)出單基因（unigenes）和轉(zhuǎn)錄本的個(gè)數(shù)，與數(shù)據(jù)庫(kù)的序列比對(duì)和注釋，可以獲得表達(dá)差異基因及與該蚜蟲的生長(zhǎng)發(fā)育或者挖掘出相關(guān)身體部位完成生命活動(dòng)有關(guān)的基因。

2.為蚜蟲的生物防治提供依據(jù)

蚜蟲種群活動(dòng)頻繁時(shí)常常會(huì)引發(fā)煤污病等。目前，農(nóng)業(yè)上最主要的是采用農(nóng)藥防治，這種防治方法通過噴灑低毒的殺蟲劑以達(dá)到滅蚜的目的，但不可避免的會(huì)使動(dòng)物體內(nèi)的農(nóng)藥殘留物越積越多，危害人體健康。對(duì)造成災(zāi)害的蚜蟲種類進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序，并選擇在生長(zhǎng)發(fā)育、能量代謝等過程中高表達(dá)的unigenes，將這些活躍性較高的堿基序列進(jìn)行體外擴(kuò)增，目的是為了得到雙鏈的RNA（dsRNA），最后將其導(dǎo)入蚜蟲體內(nèi)，篩選引起干擾素反應(yīng)的RNA（dsRNA）[6-8]。

3.有助發(fā)現(xiàn)蚜蟲體內(nèi)小分子RNA（small RNA）

存在于蚜蟲體內(nèi)的小分子RNA是在蚜蟲體內(nèi)不參與翻譯形成蛋白質(zhì)的小分子非編碼RNA，這些小分子非編碼RNA在蚜蟲體內(nèi)能夠調(diào)控基因的表達(dá)過程的轉(zhuǎn)錄水平，之前局限于桑格測(cè)序技術(shù)的缺點(diǎn)，很難對(duì)這部分RNA進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究。目前，新一代測(cè)序技術(shù)對(duì)蚜蟲的小分子RNA測(cè)序特別是其體內(nèi)拷貝數(shù)較低的小分子RNA研究已成為可能，其結(jié)果導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了更多的的小分子RNA，大量的microRNA由此被發(fā)現(xiàn)，利用得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果來分析相關(guān)的靶標(biāo)基因，促使microRNA的未知功能被發(fā)掘，這將會(huì)極大地促進(jìn)對(duì)蚜蟲轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)及研究。

二、國(guó)內(nèi)外蚜蟲轉(zhuǎn)錄組研究概況

1.國(guó)外蚜蟲轉(zhuǎn)錄組研究概況

國(guó)際蚜蟲基因組聯(lián)盟成功對(duì)豌豆蚜通過鳥槍測(cè)序法進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示：其有35000個(gè)基因，30%-50%基因與已研究昆蟲同源，37%的基因與已研究昆蟲無法找到同源。

通過對(duì)轉(zhuǎn)錄組的研究分析發(fā)現(xiàn)部分基因的功能，了解到一些蚜蟲不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的基因差異表達(dá)、同源性基因及功能蛋白的功能預(yù)測(cè)。Ji等測(cè)序了桃蚜不成熟若蟲和完全成熟的桃蚜的轉(zhuǎn)錄組序列，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)不同的發(fā)育階段的桃蚜有2244個(gè)基因差異性表達(dá)，其中多與激素生成、角質(zhì)層形成、新陳代謝、食物消化和吸收有關(guān)。Guo等對(duì)危害棉的蚜蟲和粉虱進(jìn)行了全基因組的轉(zhuǎn)錄分析，分析得到了兩種昆蟲基因的不同轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，還觀察到轉(zhuǎn)錄相關(guān)基因的表達(dá)。Peter等對(duì)來自廣泛寄主范圍的綠桃蚜和狹窄宿主范圍的蚜蟲櫻桃蚜和禾谷縊管蚜進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)分析，分析了不同的蚜蟲基因表達(dá)的重疊和差異效應(yīng)，不同的差異效應(yīng)可能涉及到蚜蟲特異過程。

蚜蟲轉(zhuǎn)錄組的研究可以為我們研究蚜蟲對(duì)轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)生抗性的機(jī)制帶來很大的便利。Radhika等對(duì)俄羅斯小麥蚜蟲攝取有抗性基因小麥的并在體內(nèi)產(chǎn)生毒素的蚜蟲和無毒蚜蟲的腸道轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有毒小麥蚜蟲會(huì)產(chǎn)生多于無毒蚜蟲的蛋白酶以此來對(duì)抗抗性小麥的毒性。

蚜蟲的共生體與宿主蚜蟲的相互作用的分子機(jī)制和影響蚜蟲基因的表達(dá)情況通過轉(zhuǎn)錄組的研究可以更清楚地了解到。Burke等對(duì)沙雷菌屬和豌豆蚜蟲的共生體進(jìn)行的研究表明有28個(gè)基因表現(xiàn)出與S. symbiotica感染表達(dá)的變化，并且這些變化幅度很小，產(chǎn)生的代謝影響很可能是共生體自身的代謝或宿主基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄后修飾的結(jié)果。此外，蚜蟲轉(zhuǎn)錄組的研究可以了解引起植物防御的分子機(jī)制，Valentina等對(duì)番茄蚜蟲轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究，了解到蚜蟲可以根據(jù)不同的激素相關(guān)信號(hào)傳導(dǎo)途徑交叉?zhèn)鞑ザl(fā)番茄的防御反應(yīng)。

外部環(huán)境影響蚜蟲的生殖發(fā)育可以通過研究轉(zhuǎn)錄組的變化來進(jìn)行一定的了解。Trionnaire等用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)方法了解蚜蟲生殖模式改變的開關(guān)的分子基礎(chǔ)，檢測(cè)到豌豆蚜蟲頭部中調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄物和多肽的變化 。

轉(zhuǎn)錄組的研究能夠幫助我們認(rèn)識(shí)到蚜蟲對(duì)殺蟲劑抗性機(jī)制，不同種類蚜蟲基因表達(dá)不同，對(duì)同種滅蚜藥物的抗性機(jī)制也不同。Silva等分析了三種基因型桃蚜的全基因組轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，每種基因型對(duì)抗膽堿酯酶殺蟲劑均表現(xiàn)出不同的抗性機(jī)制，分析轉(zhuǎn)錄可塑性的高低，可以說明該蚜蟲物種進(jìn)化的潛在適應(yīng)殺蟲劑的幾率。在不同逆境逆境因子脅迫下，蚜蟲轉(zhuǎn)錄組的研究能夠表明、預(yù)測(cè)蚜蟲基因轉(zhuǎn)錄情況和調(diào)控的分子機(jī)制，以此來判斷蚜蟲對(duì)環(huán)境改變的適應(yīng)能力。Vickers等的研究表明，干旱會(huì)導(dǎo)致蚜蟲的生殖能力明顯下降，并且發(fā)現(xiàn)干旱程度對(duì)桃蚜的基因表達(dá)具有顯著影響，說明蚜蟲對(duì)干旱脅迫具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。Braultdeng等對(duì)攝取了病毒的豌豆蚜進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析其腸道的基因，在這些腸道基因中，僅有5%的參與細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸，胞吞和信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)，所以并不能很明確的了解這種病毒-豌豆蚜載體的相互作用，但仍可以說明該病毒并沒有嚴(yán)重?cái)_亂豌豆蚜細(xì)胞的代謝。

國(guó)外研究蚜蟲轉(zhuǎn)錄組多在于研究蚜蟲基因表達(dá)的分子調(diào)控機(jī)制（圖1）。

2.國(guó)內(nèi)蚜蟲轉(zhuǎn)錄組研究概況

國(guó)內(nèi)對(duì)蚜蟲的研究?jī)A向于對(duì)蚜蟲基因譜系的完善、轉(zhuǎn)基因抗蟲靶標(biāo)基因的選擇、及編碼功能性蛋白的基因的鑒定。薛文鑫等利用新一代測(cè)序技術(shù)對(duì)不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的麥長(zhǎng)管蚜的觸角相關(guān)基因表達(dá)后的轉(zhuǎn)錄組序列測(cè)序和基因注釋，通過分析轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，完善了麥長(zhǎng)管蚜的OBPs和CSPs基因譜系，得到了完整的基因譜系，并首次在麥長(zhǎng)管蚜中發(fā)現(xiàn)、挖掘到與麥長(zhǎng)管蚜觸覺相關(guān)的基因，同時(shí)也證明了轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究可以為相關(guān)的基因組和蛋白質(zhì)組的研究提供很大的幫助。不僅能夠發(fā)掘功能基因、完善基因譜系，而且能夠鑒定功能性蛋白。Yong Zhang等（2017）對(duì)麥長(zhǎng)管蚜進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析，鑒定出33079個(gè)序列與唾液腺基因相關(guān)unigenes，對(duì)所有獲得的unigenes進(jìn)行比對(duì)。王大海等利用高通量測(cè)序系統(tǒng)對(duì)麥長(zhǎng)管蚜的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測(cè)序，其分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄組分析的結(jié)果與基因組分析的結(jié)果表現(xiàn)出一致性，肯定了轉(zhuǎn)錄組能夠鑒定基因，確定基因的功能。并成功篩選出了四個(gè)能沉默麥長(zhǎng)管蚜體內(nèi)基因，引起麥長(zhǎng)管蚜死亡的unigenes。

研究蚜蟲轉(zhuǎn)錄組幫助了解這個(gè)蚜蟲物種的種群遺傳學(xué)，Duan等對(duì)麥蚜轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了測(cè)序，這些數(shù)據(jù)豐富了蚜蟲的遺傳學(xué)資源，有助于基因的發(fā)現(xiàn)及親緣關(guān)系較近的蚜蟲種類的鑒定。蚜蟲線粒體基因組的測(cè)序在實(shí)際中是比較困難的，蚜蟲轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序可以幫助完善線粒體基因組的數(shù)據(jù)。Song等使用了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)來確定豇豆蚜蟲的所有37個(gè)線粒體基因， 并證明是有效的獲得整套通過基于PCR的線粒體基因組測(cè)序困難的昆蟲的基因組數(shù)據(jù)策略。

蚜蟲物種間遺傳因素上的差別目前尚未深入了解，蚜蟲在轉(zhuǎn)錄組學(xué)上的差異序列分析將為蚜蟲遺傳因素差異研究、蚜蟲的生物變異的分子機(jī)制及蚜蟲對(duì)宿主植物適應(yīng)和進(jìn)化所涉及的基因提供珍貴的遺傳學(xué)資源。Liu等測(cè)序得到一套麥蚜蟲的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，在公共數(shù)據(jù)庫(kù)中與豌豆蚜的mRNA序列比較，結(jié)果共有4，857個(gè)unigenes被發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)到可能會(huì)參與次生代謝和異生代謝，導(dǎo)致這兩種蚜蟲分化的186種可能。蚜蟲轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序研究可反映基因表達(dá)的水平，了解蚜蟲生態(tài)適應(yīng)性的分子機(jī)制。Li等對(duì)兩個(gè)不同生長(zhǎng)階段的棉蚜進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，結(jié)果顯示，夏季對(duì)棉花蚜蟲的挑戰(zhàn)比對(duì)棉花苗期的挑戰(zhàn)要小。

綜上所述，國(guó)內(nèi)的研究?jī)A向于對(duì)蚜蟲轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序、探明基因轉(zhuǎn)錄的分子調(diào)控機(jī)制，以內(nèi)容文章數(shù)量所占比例的形式呈現(xiàn)出來。

3.轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的蚜蟲種類

目前對(duì)蚜蟲轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序種類的數(shù)量在昆蟲這一大類群里所占比例極小，只涉及到6種農(nóng)作物有害蚜蟲：大豆蚜、麥蚜、豌豆蚜、棉蚜、桃蚜、豇豆蚜。隨著新一代測(cè)序技術(shù)的成熟、普及，研究者對(duì)昆蟲種類的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序也在逐漸增多，但多數(shù)研究者比較傾向于對(duì)個(gè)體較大的昆蟲種類的測(cè)序，對(duì)蚜蟲這類小型昆蟲的關(guān)注度不高，小型昆蟲轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序多集中在雙翅目，對(duì)蚊、蠅種類的測(cè)序較多。

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第一作者簡(jiǎn)介：曾學(xué)梅，女，（1995.9-），大學(xué)本科在讀，生物科學(xué)專業(yè)；#為并列第一作者

*通訊作者：農(nóng)向，（1980.11-）博士，副教授，研究方向?yàn)榱謽I(yè)病蟲害，nongx2008@163.com

致謝：本論文得到四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：基于轉(zhuǎn)錄組的居竹偽角蚜蠟粉分泌基因篩選：編號(hào)201610649048）；四川省屬高校科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目：林業(yè)有害生物（18TD0032）資助。