11月15日晚，國際學(xué)術(shù)期刊Cell Reports封面文章在線報(bào)道了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)牛長纓教授團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心詹帥研究員團(tuán)隊(duì)合作的研究成果—“Behavioral and genomic divergence between a generalist and aspecialist fly”。該研究以專食性柑橘大實(shí)蠅和多食性橘小實(shí)蠅為研究對象，綜合利用基因組學(xué)、比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)、行為學(xué)和分子遺傳學(xué)等手段，解析了兩種近緣種實(shí)蠅行為與食性差異的分子機(jī)理。
昆蟲是地球上生物多樣性最為豐富的動(dòng)物類群。其中，取食植物的植食性昆蟲占將近一半。在昆蟲與寄主植物長期的協(xié)同演化過程中，昆蟲對寄主的適應(yīng)性進(jìn)化顯著地驅(qū)動(dòng)了種群分化與物種形成。在自然界中，絕大多數(shù)植食性昆蟲（約98%）為專食性昆蟲，即以一種或少量近緣物種為宿主；而多食性昆蟲占極少數(shù)（約2%）。昆蟲的食性演化雖已在果蠅屬中有較為深入的開展，但在非模式物種中，特別是大量的農(nóng)林果蔬害蟲中，相關(guān)研究仍較為匱乏。
本研究選取果實(shí)蠅屬的一對近緣物種——專食性的柑橘大實(shí)蠅（Bactrocera minax）和多食性的橘小實(shí)蠅（Bactrocera dorsalis）為研究系統(tǒng)。柑橘大實(shí)蠅主要分布在我國及南亞地區(qū)，僅以未成熟的柑橘類果實(shí)為寄主。而橘小實(shí)蠅是世界性檢疫害蟲和重要的果蔬害蟲，分布在非洲、歐洲、亞洲和環(huán)太平洋等地區(qū)，危害香蕉、柑橘、芒果等46個(gè)科的250多種水果和蔬菜。
實(shí)蠅對寄主的選擇主要取決于成蟲的產(chǎn)卵偏好——性成熟的雌蟲選擇合適的寄主產(chǎn)卵后，便決定了下一代的寄主。為便于實(shí)驗(yàn)開展，研究人員首先利用長讀長測序平臺(tái)和Hi-C輔助組裝技術(shù)，構(gòu)建了兩種實(shí)蠅的高質(zhì)量參考基因組。通過比較兩種實(shí)蠅在寄主定位前后的轉(zhuǎn)錄組差異，發(fā)現(xiàn)相關(guān)基因均顯著富集于光傳導(dǎo)通路，提示視覺可能在實(shí)蠅的寄主定位過程中發(fā)揮重要作用。
研究人員進(jìn)一步建立了多種行為檢測體系，以探究視覺信號對兩種實(shí)蠅寄主選擇的影響。室內(nèi)的色盤選擇實(shí)驗(yàn)顯示專食性的柑橘大實(shí)蠅偏好綠色，而多食性的橘小實(shí)蠅偏好黃色，與其各自的寄主顏色（未成熟柑橘和成熟的多種果實(shí)）一致，證明了實(shí)蠅通過視覺對顏色的識別在其寄主定位過程中起關(guān)鍵作用。鑒于嗅覺在昆蟲感知環(huán)境過程中已報(bào)道的普遍作用，研究人員還在非寄主顏色的色盤中添加寄主植物的氣味，發(fā)現(xiàn)雖然偏好程度有所下降，但實(shí)蠅仍然表現(xiàn)出對寄主顏色的顯著偏好。研究人員進(jìn)一步開展了半野外籠罩實(shí)驗(yàn)，結(jié)果依然顯示兩種實(shí)蠅均顯著趨向于模擬果實(shí)顏色和性狀的色球，而非涂有寄主氣味的其它顏色色球。以上一系列實(shí)驗(yàn)表明，至少在近距離范圍內(nèi)，顏色偏好性對于實(shí)蠅的寄主定位起主導(dǎo)作用。同時(shí)，不同的實(shí)驗(yàn)也分別顯示專食性的柑橘大實(shí)蠅在寄主定位過程中對視覺的依賴程度更高。研究人員還發(fā)現(xiàn)實(shí)蠅科的物種在基因組中只保留了對長光波敏感的視蛋白基因Rh1、Rh2和Rh6，RNA干擾實(shí)驗(yàn)顯示Rh6在實(shí)蠅寄主定位中起重要作用。有意思的是，研究人員發(fā)現(xiàn)Rh6基因在柑橘大實(shí)蠅受到強(qiáng)烈的純化選擇，而選擇并不發(fā)生在多食性的橘小實(shí)蠅中，與行為學(xué)所觀測到的柑橘大實(shí)蠅視覺更敏感一致。
另一方面，研究人員發(fā)現(xiàn)，在沒有視覺信號影響的情況下，寄主氣味仍然能夠有效吸引兩種實(shí)蠅，并且在多食性的橘小實(shí)蠅中表現(xiàn)更為明顯。與之相關(guān)，研究人員發(fā)現(xiàn)嗅覺受體基因家族（OR）在橘小實(shí)蠅基因組中顯著擴(kuò)張，包括OR7a和OR83c等在果蠅中已報(bào)道和實(shí)蠅的相關(guān)寄主配體化合物的識別有關(guān)，并且群體遺傳學(xué)分析發(fā)現(xiàn)嗅覺受體基因在橘小實(shí)蠅中受到普遍的正選擇。以上結(jié)果提示多食性的橘小實(shí)蠅可能具有更高可塑性的嗅覺系統(tǒng)，其對氣味的敏感性也優(yōu)于柑橘大實(shí)蠅。
綜上，該研究從行為角度和分子水平分別揭示了視覺和嗅覺在果實(shí)蠅屬中驅(qū)動(dòng)專食性與多食性形成的各自作用，為深入理解植食性昆蟲食性進(jìn)化的機(jī)制提供了新的認(rèn)知。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王耀輝博士（現(xiàn)中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后）和中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心房剛奇博士后為論文共同第一作者，牛長纓教授和詹帥研究員為共同通訊作者。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心黃勇平研究員為該研究提供了重要指導(dǎo)和研究平臺(tái)，聯(lián)合國國際原子能機(jī)構(gòu)／國際實(shí)蠅委員會(huì)主席RuiPereira博士為該研究提供指導(dǎo)。
本研究得到國家自然科學(xué)基金國際（地區(qū)）合作與交流項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、公益性行業(yè)科研專項(xiàng)、國際原子能機(jī)構(gòu)基金和中國科學(xué)院等項(xiàng)目資助。
【人物簡介】
牛長纓，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，國際實(shí)蠅委員會(huì)委員，長期致力于實(shí)蠅寄主定位及食性進(jìn)化的機(jī)制研究，并基于行為學(xué)研發(fā)實(shí)蠅綠色防控新技術(shù)。近年來取得了一系列研究進(jìn)展，研究成果發(fā)表在CellReports、BMCBiology、InsectBiochemistry Molecular Biology，Journalof Pest Science和Pest Management Science等國際學(xué)術(shù)期刊。
詹帥，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員。主要從事昆蟲適應(yīng)性進(jìn)化研究，探究昆蟲在適應(yīng)環(huán)境過程中食性、季節(jié)性適應(yīng)等行為的遺傳機(jī)制和演化規(guī)律。研究成果發(fā)表在Cell、Nature、NatureEcology & Evolution、Nature Communications等國際學(xué)術(shù)期刊。
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