蚜虫转录组研究进展

曾学梅 李鹏 农向

摘要：转录组学是从分子水平研究和探讨细胞或蚜虫的特定组织中的基因从转录起始到翻译之前的情况，是基因表达的桥梁。蚜虫类是同翅目中较大的类群，其可以传播植物病毒，对农业造成极大损失，当前，已对大豆蚜、豌豆蚜等6种蚜虫进行过转录组测序，测序研究多在于对分子机制、基因筛选、对环境的适应性及其共生体互作的研究。对蚜虫转录组的研究，可以为蚜虫资源的开发提供丰富的组学资源，有助于控制蚜虫种群数量、抗药性及防治蚜虫灾害的发生，以及更深入的研究蚜虫生长发育的过程及特异性基因的发掘。

关键词：蚜虫 转录组 转录组测序 基因

一、蚜虫转录组的研究方向

1.为基因鉴定、筛选和发掘提供数据

对蚜虫转录组的研究集中在基因鉴定，筛选等领域。如对某一生长发育时期的蚜虫个体或蚜虫身体的一个部位的RNA序列进行测序，统计出单基因（unigenes）和转录本的个数，与数据库的序列比对和注释，可以获得表达差异基因及与该蚜虫的生长发育或者挖掘出相关身体部位完成生命活动有关的基因。

2.为蚜虫的生物防治提供依据

蚜虫种群活动频繁时常常会引发煤污病等。目前，农业上最主要的是采用农药防治，这种防治方法通过喷洒低毒的杀虫剂以达到灭蚜的目的，但不可避免的会使动物体内的农药残留物越积越多，危害人体健康。对造成灾害的蚜虫种类进行转录组的测序，并选择在生长发育、能量代谢等过程中高表达的unigenes，将这些活跃性较高的碱基序列进行体外扩增，目的是为了得到双链的RNA（dsRNA），最后将其导入蚜虫体内，筛选引起干扰素反应的RNA（dsRNA）[6-8]。

3.有助发现蚜虫体内小分子RNA（small RNA）

存在于蚜虫体内的小分子RNA是在蚜虫体内不参与翻译形成蛋白质的小分子非编码RNA，这些小分子非编码RNA在蚜虫体内能够调控基因的表达过程的转录水平，之前局限于桑格测序技术的缺点，很难对这部分RNA进行系统全面的研究。目前，新一代测序技术对蚜虫的小分子RNA测序特别是其体内拷贝数较低的小分子RNA研究已成为可能，其结果导致发现了更多的的小分子RNA，大量的microRNA由此被发现，利用得到的数据处理结果来分析相关的靶标基因，促使microRNA的未知功能被发掘，这将会极大地促进对蚜虫转录水平的调控机制的认识及研究。

二、国内外蚜虫转录组研究概况

1.国外蚜虫转录组研究概况

国际蚜虫基因组联盟成功对豌豆蚜通过鸟枪测序法进行测定，并对相关基因进行预测。结果显示：其有35000个基因，30%-50%基因与已研究昆虫同源，37%的基因与已研究昆虫无法找到同源。

通过对转录组的研究分析发现部分基因的功能，了解到一些蚜虫不同生长发育时期的基因差异表达、同源性基因及功能蛋白的功能预测。Ji等测序了桃蚜不成熟若虫和完全成熟的桃蚜的转录组序列，发现了两个不同的发育阶段的桃蚜有2244个基因差异性表达，其中多与激素生成、角质层形成、新陈代谢、食物消化和吸收有关。Guo等对危害棉的蚜虫和粉虱进行了全基因组的转录分析，分析得到了两种昆虫基因的不同转录调控机制，还观察到转录相关基因的表达。Peter等对来自广泛寄主范围的绿桃蚜和狭窄宿主范围的蚜虫樱桃蚜和禾谷缢管蚜进行转录组和蛋白质分析，分析了不同的蚜虫基因表达的重叠和差异效应，不同的差异效应可能涉及到蚜虫特异过程。

蚜虫转录组的研究可以为我们研究蚜虫对转基因植物产生抗性的机制带来很大的便利。Radhika等对俄罗斯小麦蚜虫摄取有抗性基因小麦的并在体内产生毒素的蚜虫和无毒蚜虫的肠道转录组进行分析，发现有毒小麦蚜虫会产生多于无毒蚜虫的蛋白酶以此来对抗抗性小麦的毒性。

蚜虫的共生体与宿主蚜虫的相互作用的分子机制和影响蚜虫基因的表达情况通过转录组的研究可以更清楚地了解到。Burke等对沙雷菌属和豌豆蚜虫的共生体进行的研究表明有28个基因表现出与S. symbiotica感染表达的变化，并且这些变化幅度很小，产生的代谢影响很可能是共生体自身的代谢或宿主基因表达的转录后修饰的结果。此外，蚜虫转录组的研究可以了解引起植物防御的分子机制，Valentina等对番茄蚜虫转录组学的研究，了解到蚜虫可以根据不同的激素相关信号传导途径交叉传播而引发番茄的防御反应。

外部环境影响蚜虫的生殖发育可以通过研究转录组的变化来进行一定的了解。Trionnaire等用转录组学和蛋白质组学方法了解蚜虫生殖模式改变的开关的分子基础，检测到豌豆蚜虫头部中调节的转录物和多肽的变化 。

转录组的研究能够帮助我们认识到蚜虫对杀虫剂抗性机制，不同种类蚜虫基因表达不同，对同种灭蚜药物的抗性机制也不同。Silva等分析了三种基因型桃蚜的全基因组转录反应，每种基因型对抗胆碱酯酶杀虫剂均表现出不同的抗性机制，分析转录可塑性的高低，可以说明该蚜虫物种进化的潜在适应杀虫剂的几率。在不同逆境逆境因子胁迫下，蚜虫转录组的研究能够表明、预测蚜虫基因转录情况和调控的分子机制，以此来判断蚜虫对环境改变的适应能力。Vickers等的研究表明，干旱会导致蚜虫的生殖能力明显下降，并且发现干旱程度对桃蚜的基因表达具有显著影响，说明蚜虫对干旱胁迫具有很强的适应性。Braultdeng等对摄取了病毒的豌豆蚜进行了转录组学分析其肠道的基因，在这些肠道基因中，仅有5%的参与细胞内运输，胞吞和信号的转导，所以并不能很明确的了解这种病毒-豌豆蚜载体的相互作用，但仍可以说明该病毒并没有严重扰乱豌豆蚜细胞的代谢。

国外研究蚜虫转录组多在于研究蚜虫基因表达的分子调控机制（图1）。

2.国内蚜虫转录组研究概况

国内对蚜虫的研究倾向于对蚜虫基因谱系的完善、转基因抗虫靶标基因的选择、及编码功能性蛋白的基因的鉴定。薛文鑫等利用新一代测序技术对不同生长发育時期的麦长管蚜的触角相关基因表达后的转录组序列测序和基因注释，通过分析转录组数据，完善了麦长管蚜的OBPs和CSPs基因谱系，得到了完整的基因谱系，并首次在麦长管蚜中发现、挖掘到与麦长管蚜触觉相关的基因，同时也证明了转录组学的研究可以为相关的基因组和蛋白质组的研究提供很大的帮助。不仅能够发掘功能基因、完善基因谱系，而且能够鉴定功能性蛋白。Yong Zhang等（2017）对麦长管蚜进行了转录组分析，鉴定出33079个序列与唾液腺基因相关unigenes，对所有获得的unigenes进行比对。王大海等利用高通量测序系统对麦长管蚜的转录组进行测序，其分析结果表明，转录组分析的结果与基因组分析的结果表现出一致性，肯定了转录组能够鉴定基因，确定基因的功能。并成功筛选出了四个能沉默麦长管蚜体内基因，引起麦长管蚜死亡的unigenes。

研究蚜虫转录组帮助了解这个蚜虫物种的种群遗传学，Duan等对麦蚜转录组进行了测序，这些数据丰富了蚜虫的遗传学资源，有助于基因的发现及亲缘关系较近的蚜虫种类的鉴定。蚜虫线粒体基因组的测序在实际中是比较困难的，蚜虫转录组的测序可以帮助完善线粒体基因组的数据。Song等使用了转录组测序技术来确定豇豆蚜虫的所有37个线粒体基因， 并证明是有效的获得整套通过基于PCR的线粒体基因组测序困难的昆虫的基因组数据策略。

蚜虫物种间遗传因素上的差别目前尚未深入了解，蚜虫在转录组学上的差异序列分析将为蚜虫遗传因素差异研究、蚜虫的生物变异的分子机制及蚜虫对宿主植物适应和进化所涉及的基因提供珍贵的遗传学资源。Liu等测序得到一套麦蚜虫的转录组数据，在公共数据库中与豌豆蚜的mRNA序列比较，结果共有4，857个unigenes被发现，预测到可能会参与次生代谢和异生代谢，导致这两种蚜虫分化的186种可能。蚜虫转录组的测序研究可反映基因表达的水平，了解蚜虫生态适应性的分子机制。Li等对两个不同生长阶段的棉蚜进行转录组测序，结果显示，夏季对棉花蚜虫的挑战比对棉花苗期的挑战要小。

综上所述，国内的研究倾向于对蚜虫转录组的测序、探明基因转录的分子调控机制，以内容文章数量所占比例的形式呈现出来。

3.转录组测序的蚜虫种类

目前对蚜虫转录组的测序种类的数量在昆虫这一大类群里所占比例极小，只涉及到6种农作物有害蚜虫：大豆蚜、麦蚜、豌豆蚜、棉蚜、桃蚜、豇豆蚜。随着新一代测序技术的成熟、普及，研究者对昆虫种类的转录组测序也在逐渐增多，但多数研究者比较倾向于对个体较大的昆虫种类的测序，对蚜虫这类小型昆虫的关注度不高，小型昆虫转录组的测序多集中在双翅目，对蚊、蝇种类的测序较多。

参考文献：

[1] Sijun Liu.et. PLoS One，2012，7（9）： e45161

[2] 高朝宝，中国生物学通报，2011，27（15）：229-232

[3] Wheeler D A.Nature，2008，452（7189）：872-876.

[4] Jenny A. PLOS Pathogens，2015.

[5] 石振武，现代农业科技，2014，14：115-116

[6] Stoeckli E T.. European Journal of Neuroscience， 2012， 35（12）：1811.

[7] Izant JG， Cell 1984，36（4）：1007-1015.

[8] Fire AZ. In： Angewandte Chemie International Edition. vol. 46： 2007： 6966-6984.

[9] 丁建栋.. 复旦大学， 2012.

[10]International Aphid Genomics Consortium .Genome sequence of the pea aphid Acyrthosiphon pisum PLoS Biol 2010，8.

[11]R Ji. Front Plant Sci ，2016. Vol.7.1562

[12] 薛文鑫. 基于触角转录组的麦长管蚜OBPs和CSPs基因鉴定及表达谱研究[D].中国农业科学院，2016.

[13] Zhang Y；Fan J.et. Transcriptome analysis of the salivary glands of the grain aphid， Sitobion avenae.2017

[14] Xinle Duan PloS one ， 2017 ， 12 （6） ：e0178496

[15] Nan Song， PloS one ， 2016，11（6）：1-14

[16] Qi Liu.et. BMC Genomics ，2014， 15：10-23

[17] Zhao-Qun Li.et. PLoS ONE，2013，8（12）： e83180

[18] Ming-Sheng Bai.et. Food Chemistry，2010：306-310

第一作者簡介：曾学梅，女，（1995.9-），大学本科在读，生物科学专业；#为并列第一作者

*通讯作者：农向，（1980.11-）博士，副教授，研究方向为林业病虫害，nongx2008@163.com

致谢：本论文得到四川省大学生创新创业训练计划项目：基于转录组的居竹伪角蚜蜡粉分泌基因筛选：编号201610649048）；四川省属高校科研创新团队项目：林业有害生物（18TD0032）资助。