红马利筋甲虫基因组为植物与昆虫相互作用提供了进化见解

研究常见的红色马利筋甲虫如何安全地以有毒植物为食的秘密有助于从基因组角度阐明昆虫与植物相互作用的生态、进化和经济影响。

尽管红马利筋甲虫与经过近 150 年的研究，阿肯色州农业实验站的一位科学家最近与孟菲斯大学和威斯康星大学奥什科什分校的同事一起做了一件其他人没有做过的事情：整理甲虫的基因组及其与植物相关的基因库。摄食和其他生物学特性。

研究人员对宿主专长马利筋甲虫（Tetraopes tetrophamus）的整个基因组进行了测序和组装。然后，他们将基因组生物学的各个方面与一种近亲——亚洲长角甲虫（光肩星天牛）进行了比较，这是一种外来入侵物种，以多种对林业重要的树木为食。

他们的研究“从红马利筋甲虫基因组中对化学感觉和特殊食草性的功能和进化见解”是发表在遗传杂志。

该研究的主要作者里奇·亚当斯（Rich Adams）说：“从生物学的角度来看，有很多对应关系表明，马利筋甲虫与其有毒马利筋宿主之间的长期相互作用应该会影响两个相互作用伙伴的生物学。” “但是，迄今为止，还没有人组装出马利筋甲虫基因组，这为解决昆虫和植物之间的许多有趣问题打开了大门。”

亚当斯是昆虫学系农业统计学助理教授阿肯色大学系统农业部。他还是农业数据分析中心（实验站的一项新举措）的成员，并在戴尔邦珀斯农业、食品和生命科学学院教授统计课程。

科学发展

乳草和乳草甲虫（Tetraopes 属）在一个多世纪的生态学、进化论、、毒素的生物化学等等，亚当斯说。亚当斯解释说，它们还提供了昆虫和植物之间共同分化模式的有趣且令人信服的案例，这意味着植物和昆虫在相互作用的历史中共同进化的时间上具有相似性。

研究小组表明，红色乳草甲虫的 ABC 运输家族基因明显扩展，这可能有助于它们以乳草为食，并将其毒素隔离在甲虫组织内。马利筋以其有毒的乳胶混合物而闻名，它会影响维持心脏细胞跳动的钠、钙和钾的平衡。亚当斯说，这个基因组提供了对甲虫进化到与其有毒马利筋宿主安全相互作用的基因的深入了解。

“马利筋会产生一种特别令人讨厌的毒素，称为强心苷，以及随之而来的其他类型的毒素，”亚当斯说。 “对于许多吃它的昆虫来说，毒素会阻塞它们的钠钾泵。但是这种甲虫开发了一种方法，不仅可以抵抗毒素，还可以隔离它，保留它，以确保甲虫本身免受可能的-成为掠食者。”

该研究还查明了负责嗅觉、味觉和代谢酶的基因的差异，这些酶可以很好地降解植物细胞。亚当斯说，它为探索长角甲虫和其他食草甲虫专门以植物为食的生态和进化提供了一个新的有利位置。

在农业、人类健康方面的应用

这些发现可能有助于我们了解和识别导致农业和林业害虫的遗传因素，使它们能够成功地以植物为食，并逃避控制措施。大多数能够消化木本植物材料的动物依靠肠道中的微生物来分解植物细胞壁。然而，许多食草甲虫却不然。

亚当斯说，许多以植物为食的甲虫，包括长角甲虫，通过微生物的水平基因转移获得了分解植物细胞壁的能力。他说，通过观察甲虫基因组内编码的蛋白质的多样性，科学家可以了解甲虫生物学、进化和多样性的基因组基础，以及它们与植物相互作用的倾向。

亚当斯说：“大自然已经创造了令人难以置信的基因和基因组多样性，但我们尚未破译。” “了解这种多样性对于为农业、林业和人类健康提供信息具有巨大的希望。食草甲虫在没有代谢酶的情况下将很难以植物为食，因为没有代谢酶它们就无法有效地进食。”

除了研究马利筋甲虫的基因组 DNA 之外，研究小组还收集了雄性和雌性红马利筋甲虫触角的 RNA，以了解更多关于它们如何通过化学感应寻找配偶和食物的信息。

“更多地了解化学感应生物学？生物体如何感知其环境，例如感知宿主植物或繁殖伙伴？对于理解昆虫与植物的相互作用具有广泛的相关性，这与农业和林业密切相关，”亚当斯说。

RNA 谱为四足动物提供了第一个转录组资源。转录组包含一系列被转录成有机体在组织或细胞组中表达的 RNA 分子。

Adams 解释说，DNA 提供基因序列，RNA 提供“基因及其表达的更好分辨率，包括基因生成的频率”。

更多信息：Richard Adams 等人，从红色马利筋甲虫、四眼四眼虫（天牛科：唇形科）基因组中对化学感受和特殊食草性的功能和进化见解，遗传杂志（2024）。DOI：10.1093/jhered/esae049

由阿肯色大学系统农业部提供