摘 要：本文綜述了分子生物學(xué)方法對蝗蟲的系統(tǒng)分類、進(jìn)化關(guān)系、全基因組測序、轉(zhuǎn)錄組測序以及功能基因等方面的研究現(xiàn)狀，為蝗蟲研究與防治提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：蝗蟲;系統(tǒng)發(fā)育;全基因組;功能基因

中圖分類號：S-33

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190630007

蝗蟲即蝗總科昆蟲的統(tǒng)稱，歸屬于昆蟲綱直翅目。因其地域分布廣泛、雜食性、食量大、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)是主要的農(nóng)業(yè)害蟲，我國有1200多種[1]，其中飛蝗能夠長距離遷飛，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害最大，飛蝗又分為群居型和散居型，群居型飛蝗危害有大于散居型，兩者可發(fā)生型變。隨著生物技術(shù)以及研究方法的不斷更新和完善，對蝗蟲的研究也逐漸從宏觀轉(zhuǎn)向微觀，尤其對2型轉(zhuǎn)變機(jī)制的研究等。

1 系統(tǒng)分類與進(jìn)化關(guān)系

利用基因克隆技術(shù)，獲得目的基因，并采用生物信息分析軟件等對多樣本目的基因進(jìn)行比對分析、構(gòu)建進(jìn)化樹等以此研究相互親緣關(guān)系、進(jìn)化關(guān)系。目前，用于蝗蟲分類構(gòu)建親緣關(guān)系、進(jìn)化關(guān)系圖譜的基因有16SrDNA、18SrDNA、CoⅠ、CoⅡ基因等[2]，因上述基因序列均具有高度保守性，序列大小適中且較易通過克隆測序獲得而被用于系統(tǒng)分類和進(jìn)化分析。其原理是根據(jù)物種間的基因高度保守區(qū)域反映物種間的親緣關(guān)系，序列的差異區(qū)域而區(qū)分種間關(guān)系。

1.1 16SrDNA、18SrDNA序列

16SrDNA是編碼核糖體RNA亞基（16SrRNA）的基因，其具有高度保守性，且廣泛存在于原核生物中，是分子分類最為常用的序列;18SrDNA是廣泛存在于真核生物編碼核糖體亞基的基因，也是分子系統(tǒng)發(fā)育常用序列，與16SrDNA一樣具有高度保守性。截至目前，F(xiàn)ilipenko KL[3]等人利用16SrDNA的部分序列對九種蝗蟲進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系構(gòu)建。印紅、張道川[4]等人獲得了錐頭蝗科、斑腿蝗科等蝗總科8個科的16SrDNA，并分析構(gòu)建了進(jìn)化樹及相應(yīng)的進(jìn)化關(guān)系。李新江[5]等人利用16SrDNA對6種短鼻蝗構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。印紅等獲得了18SrDNA全長序列，并以此構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹，進(jìn)一步以分子生物學(xué)手段印證了形態(tài)分類結(jié)果闡明了親緣關(guān)系。

1.2 CoⅠ、CoⅡ基因

CoⅠ、CoⅡ基因即細(xì)胞色素氧化酶亞基1亞基和2亞基，是細(xì)胞色素氧化酶的重要組成，均存在與線粒體中，與線粒體的呼吸作用起到關(guān)鍵性作用，此外，此2個基因序列均較為保守，常被用作系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究的序列。在蝗蟲這一物種的研究中，黃原[6]等人通過CoⅠ基因序列的測定，對斑腿蝗科的7個種進(jìn)行了系統(tǒng)分類研究，其研究結(jié)果與形態(tài)分類保持一致。馬蘭[7]等人通過CoⅡ基因片段的測定分析，對22種蝗蟲進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建，并對其序列進(jìn)行分析，闡明其間的相互親緣關(guān)系。肖莉莉[8]、劉艷[9]、張辰艷[10]等人分別對不同蝗蟲物種線粒體基因組全長序列進(jìn)行了測定與分析，為蝗蟲研究提供了重要的分子基礎(chǔ)。

2 全基因組測序與DNA甲基化測序

2.1 全基因組測序

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及測序平臺的不斷更新?lián)Q代，全基因組測序逐漸趨于成熟、成本下降，全基因組測序也逐步成為實驗研究的重要手段。全基因組測序是指對整個生物個體且未知其基因序列利用鳥槍法等獲得整個生物個體基因序列。2014年，康樂[11]等人利用全基因組鳥槍法獲得了一個經(jīng)過8代近交的蝗蟲雌性個體的全基因組序列，并構(gòu)建了系統(tǒng)發(fā)育樹。其研究結(jié)果表明，飛蝗基因組是目前已知動物基因組中最大的，達(dá)到6.5Gb，共包含17307個基因，這些基因也已被其他實驗數(shù)據(jù)得以驗證，如同源基因、RNA-seq/EST等，其中通過數(shù)據(jù)庫比對發(fā)現(xiàn)蝗蟲特有基因4571個。其研究結(jié)果還提出蝗蟲基因組中存在大量重復(fù)序列，多達(dá)2639個重復(fù)序列家族，且內(nèi)含子較長于其他昆蟲，但外顯子個數(shù)相當(dāng)。通過系統(tǒng)進(jìn)化樹分析進(jìn)一步印證了不完全變態(tài)為多系群，且蝗蟲（直翅目）比準(zhǔn)新翅目（蚜蟲和體虱）更古老?；认x的全基因組的序列成功獲得，將為蝗蟲研究奠定分子基礎(chǔ)，也為其他昆蟲的基因組測定提供了一定的基因注釋參考。

2.2 DNA甲基化測序

DNA甲基化即DNA堿基被甲基轉(zhuǎn)移酶催化而轉(zhuǎn)化成含有甲基的堿基，DNA甲基化通常會造成基因表達(dá)受到抑制。在早期對蝗蟲的研究中，楊鵬程[12]等人利用RRBS即重亞硫酸鹽測序?qū)认x全身樣品和群居、散居兩型腦部樣品進(jìn)行了甲基化測序，其結(jié)果指出，在全身樣品中均存在不同程度的甲基化，4%的甲基化出現(xiàn)在CG位點(diǎn)且主要分布于外顯子;在兩型腦部樣品中206個存在差異，此項研究也為日后蝗中生理、防治等提供了新的研究方向。

3 轉(zhuǎn)錄組測序

轉(zhuǎn)錄組指在一定條件下，所研究樣本的所有轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，其包括mRNA、tRNA等，但實際實驗研究中多為mRNA。截至目前，我國學(xué)者康樂、黃元等人先后對不同蝗蟲物種，不同發(fā)育階段進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測序并對所獲得的轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行了分析。其中，康樂教授首次發(fā)表了飛蝗從頭轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果[13]，其結(jié)果鑒別出了105種反轉(zhuǎn)錄子，揭示了1個 copia、1 個BEL、8 個gypsy 和23個非長末端重復(fù)反轉(zhuǎn)錄子，并且確定了可能參與蝗蟲發(fā)育相變等相關(guān)基因，這將會為日后蝗蟲的治理提供一定的分子基礎(chǔ)。黃元等[14]利用PacBio RS II測序平臺對中華稻蝗、中華劍角蝗和短額負(fù)蝗進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄本測序，分別獲得了全長轉(zhuǎn)錄本35995條、32817條、41125條，其中中華稻蝗共有24955條轉(zhuǎn)錄本具有開放式閱讀框，中華劍角蝗23161條，短額負(fù)蝗28281條，并通過注釋分析獲得了大量與生長發(fā)育、免疫等相關(guān)功能基因。這些大量的轉(zhuǎn)錄本數(shù)據(jù)不僅為日后研究蝗中生長發(fā)育等分子機(jī)制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也將為研制蝗蟲防治藥物提供支持。

4 功能基因

4.1 化學(xué)感受基因

化學(xué)感受基因（Chemosensory genes，CSP）是昆蟲在其生命過程中用來覓食、求偶、交流等系列行為極為關(guān)鍵的一類蛋白基因。飛蝗基因組中已鑒定的共有37個化學(xué)感受基因，在群居和散居蝗蟲的研究中，有學(xué)者[15]闡述并證明了飛蝗的受氣味誘導(dǎo)機(jī)制在兩型轉(zhuǎn)變過程中至關(guān)重要。姜峰等對兩型飛蝗的CSP基因的分析表明，其在兩型發(fā)育過程中表達(dá)具有顯著地分布差異性，在蟲卵階段，群居性表達(dá)量要低于散居型，但隨著不斷發(fā)育，其表達(dá)量逐步提升。在蝗蝻與成蟲階段群居型飛蝗CSP基因表達(dá)量均較高，達(dá)到36%。

4.2 Hexamerin

Hexamerin為超家族蛋白，具有高度保守性。昆蟲中的此類蛋白雖然與節(jié)肢動物的血藍(lán)蛋白相似，但其不能像節(jié)肢動物血藍(lán)蛋白那樣能夠攜氧，不能與銅離子結(jié)合，而是進(jìn)化成了一類能夠儲存、釋放氨基酸的功能蛋白，起到調(diào)節(jié)營養(yǎng)吸收的作用[16]。目前，在飛蝗基因組中共鑒定了15個Hexamerin基因，明顯高于其他昆蟲，其氨基酸組成方面，谷氨酸含量中等，丙氨酸、纈氨酸含量較高[15]。

4.3 解毒基因及害蟲防治靶點(diǎn)

在蝗蟲中返現(xiàn)的解讀相關(guān)基因主要有UDP-葡基轉(zhuǎn)移酶（UDP-glycosyltransferases，UGT）、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶、3羧基/膽堿酯酶、ATP結(jié)合盒式蛋白和細(xì)胞色素P450超家族等[15]。其中UDP-葡基轉(zhuǎn)移酶主要參與昆蟲對之物等有毒物質(zhì)進(jìn)行解毒的作用，在飛蝗中已鑒定出68個UDP-葡基轉(zhuǎn)移酶，這個數(shù)目明顯多于其他昆蟲，其序列均保持一定的相似度，且具有明顯的UDP-葡基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域。谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶也具有顯著地解毒功能，其主要是通過催化谷胱甘肽結(jié)合反應(yīng)進(jìn)而起到解毒作用。在飛蝗中，有28個谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶基因，且其全部存在于細(xì)胞溶質(zhì)里。羧基/膽堿酯酶是主要的殺蟲劑及農(nóng)藥作用點(diǎn)，其主要通過控制外來有毒物質(zhì)的解毒以及神經(jīng)發(fā)育過程，在飛蝗中羧基/膽堿酯酶主要分為3類，即取食/解毒、激素/化學(xué)信息素加工和神經(jīng)/發(fā)育，目前以堅定出個數(shù)分別為39、32、9。ATP結(jié)合盒式蛋白即ATP-binding cassette transporter，ABC蛋白家族是一類廣泛分布于各類生物中的基因，其主要功能包括底物轉(zhuǎn)運(yùn)、磺脲抑制劑和核糖體組裝因子等。在飛蝗中有65個家族成員，其在蝗蟲中主要有殺蟲劑耐受和代謝調(diào)節(jié)，其中ABCB和ABCC亞家族數(shù)目分別為19和9個，對外來毒物有解毒作用。大量證據(jù)表明P450基因與殺蟲劑抗性有關(guān)，而蝗蟲中有94個P450基因成員，數(shù)目要高于體虱和蚜蟲，但和其他昆蟲相當(dāng)。

5 討論

在分子水平，對蝗蟲的研究已經(jīng)取得突破性的進(jìn)展，獲得了大量的分子數(shù)據(jù)，例如與系統(tǒng)發(fā)育研究相關(guān)的的6SrDNA、18SrDNA、CoⅠ、CoⅡ基因以及線粒體基因組全場序列，飛蝗的全基因組序列、大量的不同蝗蟲/不同生長發(fā)育階段的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)為進(jìn)一步研究蝗蟲的進(jìn)化、型變、適應(yīng)性等分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，同時也為日后在蝗蟲的防治用藥的研究提供了理論依據(jù)。但如此龐大的數(shù)據(jù)，尤其飛蝗基因組數(shù)據(jù)等以及功能基因、相關(guān)分子機(jī)制都有待于進(jìn)一步挖掘、研究。

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作者簡介：

楊坤（1990-），男，碩士研究生，研究方向：蝗蟲鼠害防治工作。