研究研究揭示黑水虻獨特生物學特性的遺傳基礎並實現品系改良

2021-01-20 生物谷



11月26日，國際學術期刊Cell Research 在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心黃勇平研究組聯合詹帥研究組、王四寶研究組及華中農業大學教授喻子牛、浙江大學副教授張志劍和華中師範大學教授楊紅等團隊合作完成的研究工作「Genomic landscape and genetic manipulation of the black soldier fly Hermetia illucens， a natural waste recycler」。該研究通過整合基因組、轉錄組、宏基因組等多組學手段揭示了黑水虻獨特生物學特性的

遺傳

基礎，並通過基因編輯等手段實現了黑水虻品系的初步改良。

隨著人口增加和城市化進程的發展，城市生活垃圾等汙染問題日益嚴重。傳統的垃圾處理方式（如填埋、焚燒等）由於佔地和二次汙染等問題已無法滿足國家生態文明建設規劃和城市環境可持續發展的要求。農村家禽和家畜飼養過程中產生的排洩物也需要更好的處理方式。新型無害化、可持續利用的垃圾處理方式亟待開發與利用。黑水虻（Hermetia illucens）是腐生性的雙翅目水虻科昆蟲，能夠生存在骯髒環境中取食糞便等有機廢棄物，並轉化為自身儲存的高蛋白，廣泛應用於高價值的動物飼料。因此，具有資源化利用有機廢棄物的巨大潛力。但長期以來，由於缺乏基因組資源和遺傳操作手段，嚴重製約了黑水虻分子水平的功能研究和品系的

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改良。

研究人員通過高通量測序和生物信息分析構建了黑水虻1.1Gb高質量基因組，預測了16700個黑水虻蛋白編碼基因，基因組覆蓋度接近100%。黑水虻基因組遠大於主要的雙翅目蠅類昆蟲，存在大量的重複片段和基因組複製現象。比較基因組分析顯示：黑水虻的解毒基因、嗅覺受體、免疫通路等基因家族發生顯著擴張。特別是免疫通路的識別與效應模塊，同時在黑水虻與家蠅基因組中大量複製，提示昆蟲對骯髒環境的適應可能是通過免疫識別與效應模塊的複製來實現。研究人員進一步探究黑水虻取食不同糞便和餐廚垃圾後自身基因表達和腸道微生物群落的變化情況，發現黑水虻響應不同種類有機廢棄物的是同一批基因，包括大量的免疫、消化相關基因及物種特異性基因，而腸道菌群的多樣性受不同種類有機廢棄物的影響較大，但厚壁菌門始終佔據優勢地位。研究人員還首次建立了黑水虻基因編輯平臺，通過CRISPR/Cas9技術成功敲除黑水虻滯育相關基因Ptth和翅發育調節基因Vg。其中，Ptth突變體黑水虻發育停滯在幼蟲期超過90天，可實現幼蟲期連續取食，顯著提升黑水虻的利用效率；Vg突變體黑水虻幼蟲發育正常，但成蟲失去飛行能力，藉助合理的

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手段有望顯著降低黑水虻成蟲的飼養和回收難度。

資源昆蟲的研究和應用是昆蟲科學的重要研究領域。分子植物卓越中心有多個團隊從事家蠶和黑水虻等資源昆蟲的研究，致力於通過基因編輯、合成生物學等手段揭示資源昆蟲重要性狀的分子機制，並實現資源昆蟲的種質改良和工業化利用。該項研究由多家科研單位、多個研究組合作完成，研究成果為黑水虻品系的改良與工業化利用奠定了重要基礎。華中農業大學教授張吉斌團隊貢獻了重要的水虻品系和相關材料，詹帥和王四寶團隊各自發揮了重要作用。分子植物卓越中心研究生房剛奇、寇宗慶與華中農業大學博士蔡珉珉為該論文的共同第一作者，黃勇平和詹帥、張吉斌以及美國德州農工大學Jeffery K. Tomberlin為共同通訊作者；楊紅、張志劍等指導了部分工作的開展。該研究得到中科院和科技部項目的資助。(

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