生命按下“暂停键”超基因控制昆虫滞育发生的机制

摘要：衰老是生命体不可避免的一种自然现象，而有些生物却可以在特定时间段内给自己的生命按下暂停键，减缓时间流逝引起的生命衰老。这一奇特的现象在昆虫中称为滞育(diapause)，可以让生命短暂暂停的神奇现象。

生命按下暂停键，超基因控制昆虫滞育发生机制。

衰老是生命体不可避免的一种自然现象，而有些生物却可以在特定时间段内给自己的生命按下暂停键，减缓时间流逝引起的生命衰老。这一奇特的现象在昆虫中称为滞育(diapause)，可以让生命短暂暂停的神奇现象。

这种现象在其他生物中像熊、蝙蝠、松鼠等哺乳动物以及像乌龟、蛇、青蛙等两栖类鱼类甚至植物中也有报道，也就是我们熟知的冬眠。极端的生存环境往往会诱导生物进化出独特的生存策略。滞育/冬眠就是生命体长期进化中适应极端环境的范例，它可以调控生命体在遇到不利的外界环境时进入一种低代谢发育暂停的状态，帮助生命体度过逆境延长存活时间，外界条件适宜时再次启动发育程序。

近日中国农业科学院深圳农业基因组研究所萧玉涛团队在《Cell Reports》上在线发表了题为Asupergenecontrols fa cultative dia pause in thecrop pest Helicoverpa ar migera的研究论文。该研究通过分离群体构建、QTL定位、基因编辑等方法揭示了昆虫自然种群中染色体倒位形成的超基因控制昆虫滞育发生的分子机制。

超基因(super genes)是指作用于一种性状或者作用于系列相关性状的几个紧密连锁的基因位点，它们共同影响着生物的某些复杂性状。超基因的存在使得物种内存在更多变异。

棉铃虫(Helicoverpa armigera)属于鳞翅目夜蛾科，是一种世界性的重大农业害虫。棉铃虫在我国分为华南群体、东部群体和新疆群体。华南与新疆地区棉铃虫群体在滞育性状上存在明显区别。新疆群体在每年冬季进入滞育状态以躲避严寒，而华南群体则可以周年发育。

基于这一差异性状，研究团队构建了两个种群的F2分离群体，通过QTL定位鉴定到Z染色体上一个~5.9Mb的区域与滞育性状显著关联。随后分别构建了新疆和华南群体的染色体水平基因组，通过共线性比较在1号Z染色体上鉴定到1个倒位inversion，其大小为5.9Mb，与QTL E区域重叠，通过Hi-C数据和PCR扩增确认了该倒位。

为了证实该倒位与滞育性状连锁，构建了第二个F2分离群体，通过极端条件筛选出滞育和非滞育个体，通过分子标记确认了倒位，与滞育性状存在紧密连锁。分别测定了新疆和华南地区棉铃虫的12个单头的转录组数据，发现倒位并没有引起倒位断点，周围基因的表达出现显著变化。

倒位区间内共注释到214个基因，结合课题组之前研究共鉴定到33个基因存在群体分布比例差异的SNPs位点，其中包括重要的节律通路(感受光周期)基因：Period、Clock、Cycle，分别位于倒位的前端(7.0Mb)、中端(9.6Mb)和后端(11.1Mb)。

Period基因存在两个非同义突变(p.Val745lle和p.Ala1007Pro)，Clock基因也存在两个非同义突变(p.Gly504Asp和p.Pro578Ser)，Cycle基因存在5个非同义突变(p.Val96Gly、p.Ser99Pro、p.Arg108Thr、p.Ala356Pro和p.Ala433Val)。

其中多个突变位点位于蛋白的关键结构域，位点的突变影响了二聚体PER、TIM以及CYC、CLK的结合位置和结合能力。随后对这三个节律基因开展功能验证，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对Period、Clock和Cycle进行敲除。

经过3代的筛选获得了敲除纯合品系Period-/Clock-/-(16bp插入)和Cycle-/-(19bp删除)，将敲除品系和对照品系放置于滞育条件下，对照品系进入滞育状态，而3个敲除品系均表现为正常发育。无法进入滞育状态。敲除品系的蛹在化蛹后15-17天达到羽化高峰，而对照品系的蛹仍然保持滞育状态，最终86.8%的对照个体进入滞育状态，而敲除品系只有4.6%~8.7%的个体进入滞育。