项目文章| 三代测序助力蝶蛹金小蜂高质量基因组发布

近日,浙江大学叶恭银教授与方琦副教授团队联合美国罗彻斯特大学和美国密苏里大学,在Molecular Ecology Resources杂志在线发表题为“A Chromosome-Level Genome Assembly of the Parasitoid Wasp Pteromalus Puparum的研究论文。该研究利用三代测序技术组装出了蝶蛹金小蜂高质量的染色体水平基因组,为寄生蜂的分子生物学、系统进化和生物防治研究提供了有价值的资源。浙江大学博士生叶昕海、严智超博士(现为南京农业大学副教授)、博士生杨义为论文共同第一作者,浙江大学叶恭银教授与方琦副教授、美国罗彻斯特大学John H. Werren教授为本文共同通讯作者。此外,浙江大学李飞教授、姚洪渭副教授,美国密苏里大学宋齐生教授等共同参与完成此项研究工作。希望组承担了本研究中二代、三代测序及Hi-C测序工作。
膜翅目寄生蜂在农田生态系统中是一类非常重要的生物防治的昆虫,蝶蛹金小蜂(Pteromalus puparum)是十字花科蔬菜害虫菜粉蝶蛹期优势内寄生蜂。它能够将一种或多种寄生因子注入寄主体内,用来抑制寄主免疫、调控寄主生长发育和营养代谢等生理活动,是研究寄生蜂与宿主相互作用的理想实验室模型。

                                                      图1蝶蛹金小蜂在其寄主菜粉蝶上的生活史

本研究结合短读长、长读长测序和Hi-C技术,生成了高质量染色体水平蝶蛹金小蜂基因组装配。组装的基因组大小为338 Mb,contig N50为38.7 kb,scaffold N50为1.16 Mb,结合Hi-C数据将scaffold组装到5条染色体上,scaffold N50提升至65.8 Mb,其中96%以上的组装碱基位于染色体上。基因组BUSCO评估达98%,表明该装配具有很高的完整性,为后续研究提供了极好的基因组资源。

                                图 2 蝶蛹金小蜂基因组景观。I 5条染色体;II 重复序列密度;III 基因密度;IV GC含量。

研究者利用蝶蛹金小蜂及其他12中代表性膜翅目昆虫的3399个单拷贝基因构建系统发育树,蝶蛹金小蜂与丽蝇蛹金小蜂进化关系最为接近,在约19 Mya年前发生分化(图3a)。GO分析发现蝶蛹金小蜂基因组中,扩张基因家族富集在核小体装配、染色质组织、蛋白质分解代谢过程、细胞凋亡过程和对氧化应激的响应等通路;几丁质分解代谢过程和脂质代谢过程中显示出显著收缩的基因家族(图3b)。

蝶蛹金小蜂及其他12中代表性膜翅目昆虫系统发育分析。
毒液是影响寄生蜂成功寄生宿主的最重要工具之一。寄生蜂毒液包含许多生物活性化合物,可以操纵宿主的代谢和基因表达,从而为幼虫创造合适的环境。本研究对蝶蛹金小蜂基因组中的毒液蛋白编码基因进行了注释,研究了70个已被鉴定的毒液基因在染色体上的位置和分布。大多数毒液基因(52)散布在基因组中,不会串联排列;但是,涉及串联重复的三个毒液基因家族出现在三个不同的染色体上,表明可能由于串联重复而扩大了基因家族。
进一步的研究发现蝶蛹金小蜂基因组中P450基因的极显著扩张(图4)。蝶蛹金小蜂P450基因的扩张可能进化为用于克服宿主体内的不同代谢产物,例如植物来源的毒素和杀虫剂;也可能与其多样的寄主范围有关。

                                                 图4蝶蛹金小蜂中细胞色素P450基因

本研究是昆虫高质量基因组组装研究的极好范例,并将为寄生蜂分子生物学、系统进化及生物防治研究提供有价值的资源。

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