作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2018/5/23 9:27:27
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昆虫基因组学:绿色防控的核心

 

基于组学数据构建的昆虫分子系统发育关系。根据Misof et al. 2014 Science 论文改编

■本报记者 李晨

“围绕基因组产生新型的绿色植保技术,是行得通的。基因组研究对于中国植保的未来是一个非常重要的核心。”近日,由中国农业科学院深圳农业基因组研究所(下称基因组所)主办的昆虫基因组与绿色防控大会在深圳举行,中国工程院院士、中国农业科学院副院长吴孔明在会上希望,昆虫学家们能够通过对结构基因组和功能基因组逐步研究和深入探索,为中国的害虫防治演化出颠覆性技术。

深圳一直高度重视现代农业发展。深圳市经信委张万巧处长说,目前深圳已培育引进20多个生物育种创新团队,构建了分子设计育种、农业基因组大数据分析平台等六大创新公共服务平台,孵化出11家种业企业。在昆虫基因组研究飞速发展的今天,此次大会汇聚国内知名专家学者共商学科发展大计,将进一步巩固我国在昆虫基因组研究领域的国际地位,把我国昆虫基因组学研究推向更高层次。

繁复而古老的昆虫

昆虫是生物界种类最丰富的古老类群。中国农业大学昆虫学系教授周欣告诉记者,目前地球上已知的昆虫有100万种左右,估计全世界昆虫总数在1000万种以上。昆虫与人类息息相关,既有造成巨大生产和健康危害的农业和卫生害虫,如小菜蛾每年可造成50亿美元的损失,蚊虫叮咬每年可导致72.5万人死亡;也有为农业生态系统提供关键服务功能的类群,地球上75%以上的开花植物都依靠昆虫来授粉。

吴孔明接受《中国科学报》记者采访时表示,从大的生态系统来讲,昆虫与人类、农业和林业有着非常密切的关系,一些重大的科学研究与成就解决的就是昆虫学问题。

现在,科学家尝试从演化历史、多样性模式和适应性分子机制的角度入手,回答昆虫如何成功适应自然环境的科学问题。周欣告诉记者,由于昆虫谱系复杂而古老,存在了4亿到5亿年,经历过多次灭绝和爆发,可用来追溯的基因数量很少。为了构建古老的系统发育关系,必须依靠基因组大数据的帮助。

随着测序技术的快速发展,在生物大数据的潮流下,昆虫学研究也迈入基因组时代。昆虫学家利用各种组学研究手段,如基因组、转录组、蛋白组、代谢组等产生了大量的生物数据,从系统生物学的角度来解决昆虫学研究中的问题,为昆虫学研究带来了新的视角,为农业害虫绿色防控提供了新策略。

“这是一个很好的时代,创造数据的能力飞速提高。这又是一个令人焦虑的时代,没有数据,唯恐错过;数据太多,不知所措。”浙江大学昆虫科学研究所教授李飞告诉记者,测序技术的突破带来昆虫数据的井喷式增长,现已达到13843 TB。根据美国国立生物技术信息中心Genome数据库统计,有261个昆虫基因组完成组装并且提交到该中心数据库。大数据分析方法因其省时、省力、更高效,成为当前研究的重要手段。

不过,“拥有数据,并不等于科学。”李飞说。

“无组学难研究”

“我的学生做任何研究之前会问我,老师,有没有基因组?如果没有就很难开展后续工作。”中国科学院上海植物生理生态研究所研究员黄勇平说,现在是“无组学难研究”。基因组研究是现代昆虫学研究的基础性工作,没有这个基础,可以说开展工作很困难。

来自美国弗吉尼亚理工大学的屠志坚教授在蚊子基因组研究上走在了世界前沿。他介绍,蚊子共有3对染色体,其中按蚊的性染色体是XY染色体。而黄勇平在进行家蚕研究时,原本想借鉴屠志坚的一些研究结论,结果们发现,家蚕有28对染色体,性染色体是ZW染色体,与蚊子 “差异很大,难以借鉴”。

黄勇平正在研究如何实现家蚕的工厂化养殖,其中,优良品种是实现规模化的重要因素。要想选育出缫丝强度好,能取食低成本人工饲料,丝绸不易起皱、泛黄,耐抗疾病的优良家蚕品种,必须以基因组研究为基础,把好的基因整合到同一个品种里去。

屠志坚研究蚊子性别决定问题,也是基于基因组。全世界蚊子有3000多种,但只有少数蚊种的雌蚊吸食人血,传播疾病,假如研究清楚蚊子的性别决定问题将有助于对蚊媒传染病的控制。

此次大会上,记者看到国内科学家正在利用基因组手段研究各种与农业密切相关的害虫。例如,中国科学院动物研究所研究员王宪辉在研究飞蝗聚群行为的基因组学基础,华南师范大学昆虫科学与技术研究所教授李胜揭开了蟑螂为什么拥有强大生命力的分子秘密,中国农科院植保所研究员王桂荣探索了棉铃虫嗅觉识别的分子机制,基因组所研究员萧玉涛用基因组学研究地老虎迁飞和抗寒机制……

“现在不管做什么研究,基因组是一个必备的手段。有了基因组之后,对功能基因发掘、育种、生物安全、病害防治、食品安全等都是一个很好的研究手段。”萧玉涛说。

中国科学家主动出击

“整体上,我国昆虫基因组研究在国际上属于第一阵营。”吴孔明向记者强调,不管是农业,还是医学方面的昆虫基因组研究,中国科学家抓住了现在快速发展的机遇。

2011 年,美国昆虫学家和多位国际著名昆虫学家联合提出了雄心勃勃的5000 种昆虫全基因组测序计划(i5K)。近年来,我国科学家参与该计划,并在家蚕、小菜蛾、飞蝗、褐飞虱等基因组测序以及比较和功能基因组学等方面取得了突出的成绩。

随后,中国科学家开始参与和主导国际研发计划。周欣就是2011年启动的千种昆虫转录组进化项目(1KITE)的中方主要负责人。该项目共有16个国家120位科学家参与。目前已经研究了1456种昆虫物种,获得了4.5 TB的数据、3000万个基因,优化了系统发育基因组学的方法,系统树的数据支持度高,解析了一系列困难的系统关系,也为昆虫基因组学研究提供了基本演化框架。

不仅如此,中国科学家也开始考虑建立数据库的问题。长期以来,全球基因组数据免费共享,但都集中在几个国外的大数据库中。“大数据研究的前提是拥有数据,但数据在别人的手上。”李飞说。这也是他在实验室整理了几个数据库的初衷,目前有InsectBase昆虫基因组数据库、ChiloDB二化螟基因组数据库、iPathDB昆虫信号通路构建数据库、Waspbase寄生蜂数据库、入侵有害生物基因组数据库等。

黄勇平更在大会上呼吁,科学家应该和国内测序公司一起努力做中国自己的测序产品,“难度很大,起点很高。但哪怕一开始很贵,我们都愿意去试”。

“我们基因组所将借此大会契机,牵头发起TOP1000昆虫基因组计划。希望昆虫学家们能积极参与到这项工作中来。”基因组所所长黄三文研究员告诉《中国科学报》记者。

萧玉涛进一步向记者解释,TOP1000计划将为昆虫学家提供一个便利的研究平台,充分发挥基因组所在基因组装和拼接方面的特长,以合作方式开展基因组研究,并为合作团队培养基因组学人才。他们将首批选择最重要的1000种昆虫开展基因组合作研究。

屠志坚告诉记者,TOP1000计划一旦做好,将为今后的昆虫学研究和应用提供很好的资源。

《中国科学报》 (2018-05-23 第6版 科研)
 
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