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Thelocustgenomeprovidesinsightintoswarm
formationandlong-distanceflight
蝗虫的基因组对集群和长途飞行提供了见解
Locustsareoneoftheworld’smostdestructiveagriculturalpestsandrepresentausefulmodelsysteminentomology.Herewepresentadraft6.5GbgenomesequenceofLocustamigratoria,whichisthelargestanimalgenomesequencedsofar.OurfindingsindicatethatthelargegenomesizeofL.migratoriaislikelytobebecauseoftransposableelementproliferationcombinedwithslowratesoflossfortheseelements.Methylomeandtranscriptomeanalysesrevealcomplexregulatorymechanismsinvolvedinmicrotubuledynamic-mediatedsynapseplasticityduringphasechange.Wefindsignificantexpansionofgenefamiliesassociatedwithenergyconsumptionanddetoxification,consistentwithlong-distanceflightcapacityandphytophagy.Wereporthundredsofpotentialinsecticidetargetgenes,includingcys-loopligand-gatedionchannels,G-protein-coupledreceptorsandlethalgenes.TheL.migratoriagenomesequenceoffersnewinsightsintothebiologyandsustainablemanagementofthispestspecies,andwillpromoteitswideuseasamodelsystem.
蝗虫是一个世界上最具破坏性的农业害虫,并且在昆虫学中代表一个有用的模式系统。
在这里,我们提出了东亚飞蝗6.5Gb的基因组序列的草案,这是迄今为止序列最长的动物基因组。
我们的研究结果表明,东亚飞蝗的大基因组可能是因为转座子的增加再加上这些基因缓慢的丢失速率。
甲基化和转录组分析表明状态变化过程中涉及的微管动态介导突触的可塑性这一机制是一个复杂的调控机制。
我们发现了具有远距离飞行能力和植食性的与能源消耗和解毒相关的基因家族的显著扩张。
我们报道了很多有关潜在杀虫剂的靶基因,包括半胱氨酸型配体门控离子通道,G蛋白偶联受体和一些致死基因。
东亚飞蝗基因组序列为生物学和可持续管理提供了关于这种害虫物种的新的见解,并会促进其作为一个模式系统的广泛使用。
Sincethedawnofagrariancivilization,locustplagueshavebeenviewedasoneofthemostdevastatingnaturaldisasters,linkedwithfamine,strifeanddissolutionofsocietalorderasdocumentedintheBible,theQur’anandChinesehistoricalrecords1,2.Unfortunately,locustplaguescontinuetocausedestructioneventoday.Forexample,in1988,locustswarmscoveredanenormousareaofsome29millionsquarekilometres,extendingoverorintopartsofupto60countries,resultinginbillionsofdollarsineconomiclosses3.Theprimarycurrentmethodforcombatinglocustoutbreaksisthroughintensivesprayingofchemicalpesticides;however,theiroverallusefulnesshasbeenwidelydebatedbecauseoftheirhighlynegativeimpactonhumanandenvironmentalhealth,andonbiologicaldiversity2.
由于农业文明的曙光,蝗灾已被视为最具破坏性的自然灾害之一,伴随着有饥荒,内乱以及社会秩序解体,这些都在圣经、古兰经和中国的历史中有所记载。
不幸的是,蝗灾即使在今天也在造成不断的破坏。
例如,在1988年,蝗虫群覆盖了约29万平方公里的巨大区域,延伸或到达了60个国家的部分地区,造成数十亿美元的经济损失。
目前防治蝗虫爆发基本的方法是通过化学农药密集喷洒的方式;然而,他们的整体实用性得到了广泛的争论,因为它们对人类和环境的健康以及对生物的多样性都有非常不利的影响。
Locustsaregrasshopperspecieswithswarmingandlongdistancemigratorybehaviours1.Locustswarmsformsuddenlyandunpredictablythroughthecongregationofbillionsofinsects,whichcanflyhundredsofkilometreseachday,andevencrossoceans4.Theyarepolyphagousandasingleindividualconsumesitsownbodyweightinfoodin1day;thisis,proportionately,60–100timesahuman’sdailyconsumption1.Locustsarecharacterizedbyadensity-dependentphasepolyphenism,whichinvolvesavarietyofbiologicalandphenotypictraits,includingchangesinbodycolour,morphology,behaviour,physiology,immuneresponsivenessandothers5–9.Anincreaseinpopulationdensitytriggersthetransformationfromawell-hiddensolitariousphasetoanovertlynoticeablegregariousphase,whichresultsinanextensiveaggregationofindividuals1.Thisphasechangeoccursquicklyandreversibly,anditsspeedvariesamongspecies10.Theentiretransformationprocessofphasechangepivotsaroundabehaviouralchange,whichhasbeenproposedtoberegulatedbytheperipheralandcentralnervoussystem(CNS)11–13.
蝗虫是具有集群和长途迁徙行为的蝗虫物种。
蝗虫集群非常突然和不可预料,在数十亿的昆虫中,他们可以每天飞行几百公里,甚至横跨大洋。
他们是杂食性的,并且一个单独的个体一天中消耗自己的体重来提供能量;这些能量相当于人类日常消耗量的60-100倍。
蝗虫具有密度制约的非遗传多型性特征,它拥有多样性的生物和表型性状,包括体色的变化、形态、行为、生理、免疫反应和其他一些性状。
种群密度的增加触发了蝗虫从一个很好的隐蔽性独居状态转变到一个公开的明显的群居状态,从而导致了个体的大量聚集。
这个状态变化发生得非常快并且是可逆的,其速度在不同物种之间也有所不同。
整个状态转变过程的核心是行为的改变,这已经被认为是由外周和中枢神经系统(CNS)调控的。
Themigratorylocust,Locustamigratoria,isthemostwidespreadlocustspeciesandhaslongservedasamodelorganismforinsectmorphology,behaviourandphysiologicalresearch14–16.HereweprovideadraftgenomesequenceofL.migratoria,thelargestanimalgenomesequencedsofar.Weassesschangesofgenefamiliesrelatedtolong-distancemigration,feedingandotherbiologicalprocessesuniquetothelocustandidentifygenesthatmightserveaspotentialpesticidetargets.Combiningasetoftranscriptomeandmethylomedatafromgregariousandsolitariouslocusts,werevealpotentialneuronalregulatorymechanismsunderlyingphasechangeinthelocust.
飞蝗属的东亚飞蝗,是最普遍的蝗虫物种并长期作为昆虫形态学研究形态和生理的模式生物。
在这里,我们提供了东亚飞蝗的基因组序列草图,是迄今最大的动物基因组序列。
我们评估了基因家与长途迁徙,觅食和其他蝗虫特有的生物过程的变化和可能成为潜在的杀虫剂的目标基因,。
结合一组来自群居和独居的昆虫的转录组和DNA甲基化的数据,我们揭示了蝗虫潜在的以神经调节机制为基础的状态变化。
Results
Genomeassembly.Wesequencedthegenomeofasingle,eightgenerationinbredfemaleindividualofL.migratoria,worldwidedistributedagricult
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