中国农业科学 2015,48(17):3454-3462
Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2015.17.012
中国农业昆虫基因组学研究概况与展望
张传溪
（浙江大学昆虫科学研究所，杭州310058）
摘要：昆虫种类繁多，变异惊人，是地球上最大的动物类群，其中不少种类是农业上的重要害虫或益虫。自从2000年黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）基因组发表以来，当代的昆虫学研究已经越来越多地依赖于从基因组和转录组所获得的信息。为了更好地理解昆虫生物学特性和增强应对那些严重影响人类健康、粮食供应和经济安全的各种卫生、农林害虫的能力，更好地利用那些在维持自然和农业生态系统不可或缺的昆虫以及那些为人类提供丝、蜂蜜和药品的昆虫，需要了解它们的基因组和转录组信息。目前世界上已经有50多种昆虫的基因组被报道，近10年来中国科学家也已经完成了家蚕（Bombyx mori）、小菜蛾（Plutella xyllostella）、东亚飞蝗（Locusta migratoria manilensis）、榕小蜂（Ceratosolen solmsi）和褐飞虱（Nilaparvata lugens）的基因组测定和分析，还有一批重要农业昆虫的基因组正在分析中，这其中包括烟粉虱（Bemisia tabaci）、斜纹夜蛾（Spodoptera litura）、二化螟（Chilo suppressalis）、白背飞虱（Sogatella furcifera）、灰飞虱（Laodelphax striatellu）和若干寄生蜂种类。自从2010年中国率先在国际上报道了2种昆虫（烟粉虱和褐飞虱）的转录组和表达谱以来，短短几年仅国内就已经有上百个昆虫转录组得到分析。同时，家蚕、东亚飞蝗和褐飞虱的功能基因组研究也取得了很大的进展, 例如，用40个品系重测序揭示了家蚕在驯化过程中相关的基因变化，通过信号通路分析解析了东亚飞蝗散居型和群居型转换的分子机制，以及发现了2个胰岛素受体是控制稻飞虱长、短翅型可塑性发育的“分子开关”。在基因组和转录组基础上，通过基因功能的研究和挖掘，结合应用新的基因组定点编辑技术和RNAi技术，将使害虫的防治和益虫的利用出现革命性的变化。
关键词：农业昆虫；基因组；功能基因组学；展望
Current Research Status and Prospects of Genomes of
Insects Important to Agriculture in China
ZHANG Chuan-xi
(Institute of Insect Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058)
Abstract: Insects are the largest class of all living things with overwhelming diversity in the earth. Many of them are of agricultural importance: serious crop pests or beneficial insects. Modern entomological researches are more and more relying on information obtained from different insect genomes and transcriptomes since Drosophila melanogaster genome being sequenced in 2000. To better understand insect biology and transform our ability to manage insects that threaten our health, food supply, and economic security and to use beneficial insects that are essential to the maintenance and productivity of natural and agricultural ecosystems or provide us with silk, honey, medicine and other insect products, we need to know their genomic and transcriptomic information. Up to date, genomes of more than 50 insect species have been sequenced and analyzed around the world, and genomes of five insects of agricultural importance, including the domestic silkworm (Bombyx mori), the diamondback moth (Plutella xylostella), the oriental migratory locust (Locusta migratoria manilensis), the fig wasp (Ceratosolen solmsi) and the brown planthopper (Nilaparvata lugens), have been analyzed during the past decade in China, and genome sequencing for several
收稿日期：2015-01-05；接受日期：2015-04-03
基金项目：国家“973”计划（2010CB126205）
联系方式：张传溪，Tel：0571-********；E-mail：chxzhang@https://www.doczj.com/doc/ab35548.html,
17期张传溪：中国农业昆虫基因组学研究概况与展望 3455
agricultural insects including the whitefly (Bemisia tabaci), the oriental leafworm moth (Spodoptera litura), the rice stem borer
(Chilo suppressalis), the white backed planthopper (Sogatella furcifera), the small brown planthopper (Laodelphax striatellu) and
several parasite wasps, are in progress. Transcriptomes of the whitefly and brown planthopper were reported in China in 2010, first
two insect transciptomes reported in the world. Hundreds of insect transcriptomes have been reported in China since that year. Many
important progresses in the functional genomics of the silkworm, the locust and the brown planthopper have been achieved, including
the resequencing of 40 varieties of silkworm genomes which revealed domestication events and genes in silkworm, the uncovering of
the precise mechanism of phase changes of the migratory locust, and the finding of that two insulin receptors determine alternative
wing morphs in planthoppers. Data mining of insect genomes and transcriptomes, together with newly developed targeted genome
editing and RNAi technologies, will lead to a revolutionary change in insect pest control and beneficial insect utilization.
Key words: agricultural insects; genome; functional genomics; prospect
昆虫种类繁多，已知约180万种，占动物种类的3/4以上，是地球上数量最多的动物群体，其踪迹几乎遍布世界的每一个角落。除种类繁多外，昆虫生物量也十分惊人。昆虫与人类生活息息相关，许多种类是农牧业的害虫和益虫（农林害虫、卫生害虫，生态平衡因子、传播花粉、工业原料、中药宝库、美味食品、清洁环境、工艺观赏、科研材料、基因宝库、生物反应器等）。例如，75%以上的显花植物依赖于昆虫为其授粉，如果没有昆虫，自然生态系统和农业生态系统就会崩溃。又如，虽然经过人们的努力防治，还是有20%以上的农林牧产品因昆虫危害而损失。昆虫严重影响人类的另一重要方面是虫传疾病，因此而死亡的人数众多。长期以来，人们对重要卫生害虫和农业昆虫的发生规律、防治方法或利用途径进行了多维度的研究，取得了一系列重要成果。2000年，果蝇基因组完成[1]，使昆虫学研究进入了一个新时代，为昆虫科学研究提供了新机遇，对全面了解昆虫的遗传、进化、系统发育、生长、发育、变态和繁殖等各方面信息起到了不可替代的作用，并对研究者利用昆虫的遗传信息在分子水平上改造和应用昆虫提供了最基本的依据。
1 不同昆虫基因组研究意义
昆虫不同种类生物学特性差异巨大，在基因组组成上表现巨大多样性。仅依赖模式生物果蝇的基因组信息，无法解释和深入研究不同类群昆虫生物学特性的巨大差异，很多情况下也难以仅利用果蝇基因组信息进行不同昆虫特异、重要生物学特性的分子机理研究。随着昆虫科学从传统观测分析进入分子机理水平研究，迫切需要不同类群代表性昆虫的基因组信息。笔者将以水稻最主要害虫褐飞虱为例说明重要基因组信息的重要性。首先，褐飞虱不耐低温，不能在我国绝大部分稻区越冬，却通过迁飞连续频繁暴发危害近半个世纪。为了实现其源头控制，迫切需要了解每年的虫源地及其迁飞的具体路径，遗憾的是目前我们还只能主要靠大气环流推测，缺乏确切的遗传分子标记检测。而有效的分子标记开发，就需要了解褐飞虱不同地理种群的基因组差异。另一方面，褐飞虱可以在不同环境条件下产生长翅型和短翅型，长翅型适合于长距离迁飞和扩散以逃避不良环境和发现新的适合资源，而短翅型由于发育历期短产卵量大而适于大量快速繁殖，在褐飞虱迁入新稻区后可以快速扩大种群，因此翅二型可变发育是稻飞虱成灾的重要机制。尽管数十年来很多昆虫研究者进行了大量研究，确定激素和很多环境因子会影响翅型分化，但对昆虫翅型控制的分子“开关”这个谜一直未能解开，其信号通路解析也需要基因组和转录组信息。其次，褐飞虱适应水稻品种抗性能力很强（所谓“致害性变异”），一个抗褐飞虱的水稻品种推广后，短则一年，多者三载，褐飞虱就能克服其抗性。这对抗性育种提出了极大的挑战。为了为抗性育种提供指导，研究者需要了解褐飞虱致害性变异的分子机理。褐飞虱致害性变异是种群遗传结构变异吗？还是表观遗传问题？或是共生微生物在作祟？这无不要求有其基因组信息。再次，褐飞虱寄主高度专一性，只取食水稻汁液，但已有研究表明水稻汁液营养成分组成是十分不平衡的。像水稻的韧皮部汁液中含有大量的蔗糖，却缺少必需氨基酸以及只含有少量的氮素化合物，这对于单食性的褐飞虱来说是远远不够的。那在如此营养不平衡的食物来源下，共生微生物是如何与其“狼狈为奸”，让褐飞虱繁殖如此之快以致大暴发？这也需要褐飞虱和共生菌基因组的代谢通路信息加以解释，并通过发现共生体系的薄弱环节为通过“抑菌治虫”提供潜在途径。此外，褐飞虱繁殖能力很强，有些农药能刺激生殖，对多种农药适应性很快，抗药性很强，还传播多种水稻病毒病。这些与其频频成灾相关的重要特性的机理
3456 中国农业科学48卷
都还不很清楚，其深入研究也迫切需要基因组信息支撑。褐飞虱在分类上属于不完全变态的半翅目昆虫，口器为刺吸式，其生活周期短，有系统的RNAi现象，其基因组解析可使之成为半翅目昆虫乃至不完全变态昆虫的一个研究模式。
2 昆虫基因组学研究概况
昆虫全基因组测序研究，大致可以分为3个阶段：第1阶段是开拓阶段，黑腹果蝇[1]的全基因组测序，是一个里程碑，开创了包括昆虫在内所有动物基因组研究的新纪元；第2阶段是2002—2009年零星阶段，全基因组测序集中在完全变态昆虫的几个主要目，包括双翅目的冈比亚按蚊（Anopheles gambiae，2002年）[2]和埃及伊蚊（Aedes aegypti，2007年）[3]以及12种果蝇（2007年）[4]、鳞翅目家蚕（Bombyx mori，2004年）[5]、膜翅目意大利蜜蜂（Apis mellifera，2006年）[6]和赤拟谷盗（Tribolium castaneum，2008年）[7]，此阶段测序成本很高，只有少量研究机构的零星昆虫基因组报道；第3阶段是2010年后的暴发阶段，随着二代测序技术发展，成本下降，更多数量和来自更多不同分类地位的昆虫基因组被不同研究机构解析，至2014年底膜翅目昆虫有3种丽蝇蛹集金小蜂（Nasonia spp.，2010年）[8]、佛罗里达弓背蚁（Camponotus floridanus）和印度跳蚁（Harpegnathos saltator，2010年）[9]、顶切叶蚁（Acromyrmex echinatior，2011年）[10]、大头切叶蚁（Atta cephalotes，2011年）[11]、阿根廷蚁（Linepithema humile，2011年）[12]、红收割蚁（Pogonomyrmex barbatus，2011年）[13]、火蚁（Solenopsis invicta，2011年）[14]等7种蚂蚁，叶榕小蜂（Ceratosolen solmsi，2013年）[15]、隧蜂（Lasioglossum albipes，2013年）[16]；双翅目有致倦库蚊（Culex quinquefasciatus，2010年）[17]、达氏按蚊（Anopheles darlingi，2013年）[18]、中国按蚊（A. sinensis，2014年）[19]、南极摇蚊（Belgica antarctica，2014年）[20]、范氏摇蚊（Polypedilum vanderplanki，2014年）和云足多集摇蚊（P. nubifer，2014年）[21]、采采蝇（Glossina morsitans，2014年）[22]；鳞翅目有帝王蝶（Danaus plexippus，2011年）[23]、红带袖蝶（Heliconius melpomene，2013年）[24]、小菜蛾（Plutella xylostella，2013年）[25]。鞘翅目增加了1种，即中欧山松大小蠹（Dendroctonus ponderosae，2013年）[26]；还有半翅目的豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum，2010年）[27]和褐飞虱（Nilaparvata lugens，2014年）[28]；直翅目的东亚飞蝗（Locusta migratoria manilensis，2014年）[29]；虱目的人体虱（Pediculus humanus humanus，2011年）[30]；等翅目的湿木白蚁（Zootermopsis nevadensis nuttingi，2014年）[31]和纳塔尔大白蚁（Macrotermes natalensis，2014年）[32]；也包括了一些小目昆虫，如捻翅目1种捻翅虫（Mengenilla moldrzyki，2012年）[33]；樇目1种竹节虫（Timema cristinae，2014年）[34]。已经发表的昆虫基因组情况见表1。此外，还有多种昆虫基因组测序已经完成，序列数据已经部分或全部公开，但文章尚未发表，如吸血蝽（Rhodnius prolixus）、东美洲熊蜂（Bombus impatiens）、欧洲熊蜂（B. terrestris）和烟草天蛾（Menduca sexta）等数十种昆虫，还有更多的昆虫基因组在测序组装或进一步完善中。目前，已经报道基因组分析的昆虫中，一些基因组较小、杂合率低、容易组装、测序成本低的昆虫，如膜翅目和双翅目昆虫占了最大的比例，但也包括了许多有重要经济意义的昆虫，甚至包括基因组很大的昆虫如基因组6G的东亚飞蝗，此外研究者对在进化上有特殊意义的一些小目昆虫也开始关注。2011年由美国伊利诺香宾大学昆虫学家Gene Robinson领衔的多位国际著名昆虫学家联合提出雄心勃勃的5 000种昆虫全基因组测序计划（i5K，https://www.doczj.com/doc/ab35548.html,/wiki/i5K）。随着测序成本的进一步降低，会有更多的实验室加入到对不同类群昆虫的基因组分析，而先进的实验室会更多地关注重要昆虫的功能基因组研究。
3 昆虫的基因组大小和基因数量
昆虫基因组大小差异显著[35]，目前已经测定的50多种昆虫基因组大小约在89—6 500 Mb，其中基因组最大的东亚飞蝗，达6 525 Mb，基因组最小的南极摇蚊只有89.6 Mb。昆虫基因组大小不同，主要由基因组重复序列数量、基因间隔区长度和平均内含子大小决定。比如，同属于半翅目的豌豆蚜和褐飞虱，豌豆蚜组装的基因组大小只有464 Mb，而褐飞虱为1 141 Mb，比较两者的基因组发现，重复序列即称为转座元件（transposable elements）的可移动DNA片段所占比例是昆虫种类之间基因组大小不同的最主要原因，如褐飞虱基因组重复序列有554.4 Mb（占基因组48.6%），而豌豆蚜只有143.8 Mb（占基因组33.3%）；此外，内含子长度和基因间隔区长度也是影响基因组大小的主要因素，褐飞虱的内含子总长281.4 Mb，豌豆蚜只有114.1 Mb，褐飞虱基因间隔区319.8 Mb，
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表1 已报道的昆虫基因组概览
Table 1 Overview of reported insect genome
物种Species
目科
Order, Family
基因组大小
Genome size
(Mb)
预测蛋白基因
Predicted
protein gene
发表年份
Year
期刊
Journal
第一完成单位
The first complete unit
湿木白蚁Zootermopsis nevadensis nuttingi 等翅目原白蚁科
Isoptera, Termopsidae
493.5 15876 2014
Nature
Communications
Westfalische Wilhelms-University,
Germany
纳塔尔大白蚁Macrotermes natalensis 等翅目白蚁科
Isoptera, Termitidae
1300 16000 2014 PNAS University of Copenhagen, Denmark
竹节虫Timema cristinae 竹节虫目矮竹节虫科
Phasmida, Timematidae
1027 44292 2014 Science University Sheffield, England
东亚飞蝗Locusta migratoria manilensis 直翅目蝗科
Orthoptera, Acrididae
6525 17307
2013
Nature
Communications
中国科学院动物研究所
Institute of Zoology, Chinese Academy
of Sciences
人体虱Pediculus humanus humanus 虱目人虱科
Anoplura, Pediculidae
110 10773 2010 PNAS J Craig Venter Institute, USA
豌豆蚜Acyrthosiphon pisum 半翅目蚜科
Hemiptera, Aphididae
517 34604 2010 Plos Biology Human Genome Sequencing Ctr, USA
褐飞虱Nilaparvata lugens 半翅目飞虱科
Hemiptera, Delphacidae
1141 27571
2014
Genome
Biology
浙江大学
Zhejiang University
意蜂
Apis mellifera 膜翅目蜜蜂科
Hymenoptera, Apidae
236 10157 2006 Nature Human Genome Sequencing Ctr, USA
丽蝇蛹集金小蜂Nasonia vitripennis*膜翅目金小蜂科
Hymenoptera, Pteromalidae
295 17279 2010 Science Harvard University, USA
顶切叶蚁Acromyrmex echinatior 膜翅目蚁科
Hymenoptera, Formicidae
313 17278 2011 Genome Research University of Copenhagen, Denmark
大头切叶蚁Atta cephalotes 膜翅目蚁科
Hymenoptera, Formicidae
318 18093 2011 Plos Genetics University of Wisconsin-Madison,
USA
佛罗里达弓背蚁Camponotus floridanus 膜翅目蚁科
Hymenoptera, Formicidae
238 17064 2010 Science New York University School of
Medicine, USA
印度跳蚁Harpegnathos saltator 膜翅目蚁科
Hymenoptera, Formicidae
297 18564 2010 Science New York University School of
Medicine ,USA
阿根廷蚁Linepithema humile 膜翅目蚁科
Hymenoptera, Formicidae
250.8 16123 2011 PNAS San Francisco State University, USA
红收割蚁Pogonomyrmex barbatus 膜翅目蚁科
Hymenoptera, Formicidae
250—28417177 2011 PNAS Earlham College, USA
火蚁Solenopsis invicta 膜翅目蚁科
Hymenoptera, Formicidae
484.2 16569 2011 PNAS University of Lausanne, Switzerland;
叶榕小蜂Ceratosolen solmsi 膜翅目榕小蜂科
Hymenoptera, Agaonidae
277.9 11412 2013
Genome
Biology
中国科学院动物研究所
Institute of Zoology, Chinese Academy
of Sciences
隧蜂Lasioglossum albipes 膜翅目隧蜂科
Hymenoptera, Halictidae
350.8 13448 2013 Genome Biology Harvard University, USA
赤拟谷盗Tribolium castaneum 鞘翅目拟步甲科
Coleoptera, Tenebrionidae
204 16404 2008 Nature Baylor College of Medicine, USA
中欧山松大小蠹Dendroctonus ponderosae 鞘翅目小蠹科
Coleoptera, Scolytidae
204 13088 2013 Genome Biology University of British Columbia,
Canada
捻翅虫Mengenilla moldrzyki 捻翅目原捻翅虫科
Strepsiptera
165 16772 2012 Current Biology Zoology Research Museum Alexander
Koenig, Germany
黑腹果蝇
Drosophila melanogaster 双翅目果蝇科
Diptera, Drosophilidae
120 13379
2000
Science Celera
Genomics,
USA
12种果蝇Drosophila ssp. 双翅目果蝇科
Diptera, Drosophilidae
111—18713733—168862007 Nature Cornell University, USA
3458 中国农业科学48卷续表1 Continued Table 1
物种Species
目科
Order, Family
基因组大小
Genome size
(Mb)
预测蛋白基因
Predicted
protein gene
发表年份
Year
期刊
Journal
第一完成单位
The first complete unit
埃及伊蚊Aedes aegypti 双翅目蚊科
Diptera, Culicidae
1376 15419 2007 Science Institute for Genomic Research, USA
达氏按蚊Anopheles darlingi 双翅目蚊科
Diptera, Culicidae
201 10481 2013 Nuc Aci Res University of California Riverside,
USA
冈比亚按蚊Anopheles gambiae 双翅目蚊科
Diptera, Culicidae
280 13111
2002
Science Celera
Genomics,
USA
中国按蚊Anopheles sinensis 双翅目蚊科
Diptera, Culicidae
220.8 16766 2014
BMC
Genomics
南京医科大学
Nanjing Medical University
致倦库蚊
Culex quinquefasciatus 双翅目蚊科
Diptera, Culicidae
540 18883 2010 Science University California Riverside, USA
南极摇蚊Belgica antarctica 双翅目摇蚊科
Diptera, Culicidae
89.6 13517 2014
Nature
Communications
Stanford University, USA
范氏摇蚊Polypedilum vanderplanki 双翅目摇蚊科
Diptera, Chironomidae
104 17137
2014
Nature
Communications
NIAS, Japan
云足多集摇蚊P. nubifer 双翅目摇蚊科
Diptera, Chironomidae
107 16553
2014
Nature
Communications
NIAS, Japan
采采蝇Glossina morsitans 双翅目舌蝇科
Diptera, Glossinidae
366 12308 2014 Science King Abdullah University Sci & Tech,
Saudi Arabia
家蚕Bombyx mori 鳞翅目蚕科
Lepidoptera, Bombycidae
428.7 18510 2004
Science 西南大学
Southwest University
小菜蛾
Plutella xylostella 鳞翅目菜蛾科
Lepidoptera, Plutellidae
339.4 18073 2013
Nature
Genetics
福建农林大学
Fujian Agriculture and Forestry
University
帝王蝶Danaus plexippus 鳞翅目斑蝶科
Lepidoptera, Danaidae
273 16866 2011 Cell University Massachusetts Medical
School, USA
红带袖蝶Heliconius melpomene 鳞翅目蛱蝶科
Lepidoptera, Nymphalidae
269 16199 2012 Nature University College London, UK
*同时测定比较的还有另2种Nasonia属昆虫The other 2 kinds of Nasonia insects were tested and compared at the same time
本文撰写完成至校稿期间，又有5种蜜蜂总科昆虫（Science, 2015, 348: 1139-1143)、16种按蚊（Science, 2015, 347: 43）和铜绿蝇（Lucilia cuprina）基因组（Nature Communications, 2015, 6: 7344）被相继报道，未及统计在本表中Twenty-two insect genomes newly reported during the publication of this manuscript were not included in this table, including 5 species from Apoidea (Science, 2015, 348: 1139-1143), 16 Anopheles mosquitoes (Science, 2015, 347: 43) and the sheep blowfly Lucilia cuprina (Nature Communications, 2015, 6: 7344)
而豌豆蚜为143.8 Mb。造成东亚飞蝗基因组高达6 525 Mb的主要原因也是重复序列，可能在进化过程中这些转座元件未被清除出去，存留在基因组中[29]。南极摇蚊是昆虫小基因组的极端例子，其原因也主要是由于缺少重复序列，转座子序列仅占基因组的约0.12%[20]。不过，通过比较南极摇蚊基因组发表之后不久发表的另外两种新测序的摇蚊基因组，可以看出两种摇蚊Polypedilum vanderplanki和P. nubifer的基因组也很小，分别只有104和107 Mb[21]，因此可能摇蚊科昆虫的基因组都很小，这就要归结于摇蚊科支系的基因组进化了。不同种之间基因组大小与进化过程中DNA重复序列扩增或删除、重排关系密切外[36]，也与生物所处的温度环境有关。有研究认为基因组大小往往与生物生存环境的温度成反比[37]，不过南极极端低温条件下的摇蚊基因组如此之小，显然挑战了这一规律。
预测的基因数量与基因组大小并没有直接关系，除与预测的软件种类和参数设置有关外，还可能与环境压力和进化密切相关。竹节虫（Timema cristinae）基因组大小约1 027 Mb，不算最大，但却是目前预测的基因数最多的昆虫，达到44 292个[34]。这与昆虫在进化过程中基因扩张有关。我们通过对褐飞虱和其他14个节肢动物基因家族的研究，发现褐飞虱、豌豆蚜、吸血蝽3种半翅目昆虫的预测基因数目、特异基因数目都比其他昆虫多，显示出半翅目物种的基因扩张是普遍现象。同时也发现，褐飞虱的化学感受相关基因家族收缩，解毒和消化相关基因存在着基因丢失现象，如P450、GST基因数目很少，淀粉降解必需的alpha-淀粉酶，围食膜几丁质的合成酶CHS2也缺失等，这些特点也许与褐飞虱的专一水稻韧皮汁液为食的生活
17期张传溪：中国农业昆虫基因组学研究概况与展望 3459
习性相关[28]。意大利蜜蜂是目前预测的基因数量最少的昆虫，只有10 157个，其他膜翅目昆虫基因数量也都不到19 000个，膜翅目、鞘翅目、双翅目等目昆虫基因数量普遍较少，显然与其在进化过程中没有经历过基因大规模扩张的过程有关。
4 我国农业昆虫基因组研究概况
如前所述，在目前世界上已经报道的50余种昆虫基因组中，我国科学家为主研究的有5种，包括家蚕、小菜蛾、东亚飞蝗、榕小蜂和褐飞虱。西南农业大学向仲怀院士领导的团队在2004年完成的家蚕基因组是最早的一个[5]，其结果为这一重要产丝昆虫遗传改造利用和鳞翅目昆虫研究方面提供了重要基础。此后随着2代测序技术发展和成本下降，2009年开始，我国科学家相继探索利用2代测序技术开展重要害虫褐飞虱、二化螟、小菜蛾等基因组研究，但意料不到的是，与已测双翅目、膜翅目不同，多数农业重要害虫杂合度很高，基因组拼接很困难，使得项目进展迟缓。此后，通过多代连续自交纯化，并采用新的测序和组装策略，即Fosmid-to-Fosmid结合全基因组鸟枪法（WGS），先后完成了小菜蛾和褐飞虱2种复杂基因组，同时通过更大通量的测序，也完成了目前基因组大小达6.5 G的东亚飞蝗的组装。其中，福建农林大学尤民生教授领导的团队完成的小菜蛾基因组分析[25]，对于揭示世界性蔬菜害虫小菜蛾与十字花科植物协同进化及其抗药性的适应进化与治理等均具有重要的科学价值。中国科学院动物研究所康乐院士团队完成的东亚飞蝗基因组[29]，为蝗虫蝗灾治理和直翅目昆虫研究提供了重要基因组信息基础。笔者团队完成的褐飞虱及其2种内共生菌代谢互补基因组[28]，揭示了位于宿主脂肪体内的一种共生真菌和一种共生细菌是如何与宿主褐飞虱“狼狈为奸”，使褐飞虱能仅依赖水稻汁液就能快速繁殖成灾，研究成果为通过切断褐飞虱-共生真菌-共生细菌营养途径防治害虫提供了新视野，也给后续的不同种群间差异、迁飞途径、致害性变异和抗药性的研究提供了基因组基础。此外，中国科学院动物研究所黄大卫研究团队完成的榕小蜂基因组[15]，对于榕小蜂-榕树的特殊共进化研究有重要价值。值得指出的是，上述昆虫基因组测序、组装和注释均在华大基因公司完成，这段时间华大基因公司为我国多种生物基因组发展起到了技术支撑作用。目前，我国多个研究单位正在开展烟粉虱、斜纹夜蛾、二化螟、白背飞虱、多种寄生蜂等一批重要农业昆虫的基因组学研究。
5 我国农业昆虫基因组学应用
随着我国几种昆虫基因组的测定进展，这几种昆虫的研究也同时进入了后基因组时代。家蚕本身是支撑蚕丝产业的物种基础，也是开发新一代生物反应器的材料，同时也是鳞翅目昆虫研究的模式种类。自家蚕基因组框架图完成后，又对家蚕40品系基因变异进行了重测序研究[38]，目前在重要经济性状基因定位克隆、抗病毒病育种、转基因新型有色茧实用蚕品种均已经取得重要进展。在东亚飞蝗基因组信息基础上，康乐院士团队在东亚飞蝗功能基因组方面取得了一系列进展，特别是在飞蝗群居型和散居型两型转变分子机制方面有重要突破[39-40]。在褐飞虱基因组序列基础上，我们通过进一步分析和实验，表明褐飞虱存在系统RNAi[41]，这为利用基于RNAi技术防治稻飞虱提供了基础。对与迁飞和成灾密切相关的稻飞虱翅型相关基因研究也已取得了很大进展[28,42]，并进一步突破性地发现确证了2个序列同源性很高的胰岛素受体是控制长短翅型可塑性发育的“分子开关”[43]。同时，在褐飞虱基因组基础上，我们分析了褐飞虱几丁质合成和降解所需要的关键基因体系，提出了一种昆虫完成几丁质代谢所需参与关键酶的“1+5+1+3”模式，即褐飞虱几丁质合成需要1个合酶的2个可变剪切本（NlChs1a、NlChs1b），几丁质降解至少需要5个NlCht、1个NlHex和3个NlCDA的共同参与[44-46]，由于几丁质是昆虫表皮的主要成分，也是重要的新农药靶标，褐飞虱几丁质合成和降解体系的解析不仅可提升对昆虫蜕皮变态的认识，对害虫防治也有重要参考价值。
6 昆虫转录组学与基因组关系
谈到昆虫基因组，不得不说与之密切相关的转录组分析。自从2010年我们在国际上率先开展烟粉虱和褐飞虱2种昆虫的转录组和表达谱分析[47-48]以来，近几年可以说是极速发展，如用“insect”、“transcriptome”和“China”搜索ISI数据库，短短4年多时间，我国已经发表昆虫转录组相关论文267篇。特别是第二代高通量测序技术高通量、快速、低成本的特点，使RNA-seq有了超强的覆盖度和灵敏性，还可检出许多不曾被预测到的由可变剪接或可变3′多聚腺苷化位点选择导致的mRNA isoforms，以及新的ncRNA和antisense RNA。因此，RNA-seq是基因组研究必不可
3460 中国农业科学48卷
少的伴侣，转录组是连接基因组遗传信息-蛋白质组-基因生物学功能的必然纽带。同时与昆虫全基因组相比，转录组测序得到的序列不含有内含子及其他非编码序列，因此转录组测序有着极高的性价比优势。对更多目前还没有测定全基因组的昆虫来说，要深入研究千差万别的昆虫生物学特性的分子机理，先测转录组更是不二的选择。因此，无论对已测基因组还是没有测定基因组的昆虫来说，转录组和表达谱都是昆虫功能基因和功能基因组研究的重要手段，许多昆虫生物学特性解析都可以从转录组分析和表达谱差异比较入手。
7 展望
随着测序技术快速发展，测序通量越来越大，读长越来越长，基因组测序成本急剧下降，“旧时王谢庭前燕，飞入寻常百姓家”，越来越多的实验室开展了各种昆虫的基因组学研究。昆虫基因组学之“热”，从最近几次相关学术活动可窥一斑。在康乐院士组织下，2013年12月15日在中国科学院动物研究所举办了“首届中国昆虫基因组学及国际5 000种昆虫基因组（i5k）计划研讨会”，有39位学者发言，从全基因组测序、功能基因组学、比较和进化基因组学、生物信息学分析技术等多个主题，热烈探讨了昆虫基因组学未来发展趋势，以及如何推进基因组学在害虫防治、资源昆虫利用、药物靶点开发及进化生物学等方面的应用问题。此后，中国昆虫学会昆虫基因组学专业委员会应运而生，并于2014年10月22—25日在河北保定中国昆虫学会学术年会期间组织了第一次学术活动。上述两次学术会议吸引了来自我国高校和科研院所昆虫学各领域的200多昆虫研究者参与交流讨论，人数之多均超过会议组织方预料。这也从一个侧面说明昆虫基因组学研究，契合了我国昆虫学当前的发展趋势，昆虫学者都意识到基因组学的重要性。值得指出的是昆虫基因组学研究目前毕竟还是颇费经费的研究，宜切忌一哄而上，更不能发篇文章就了事，不然有“钱多人傻”之嫌。Robinson等提出的“i5k”计划[49]，笔者看来也只是美国人提法大胆而已，要在其计划的5年内全部启动几无可能。我国参与“i5k”计划，也务必从实际需要出发，重点选择那些对我国有重要经济和生态价值的昆虫种类。更为重要的是，基因组学序列研究仅仅是万里长征的第一步，要使基因组信息资源在我国科学研究和国民经济发展中充分发挥应有的作用，特别需要后续功能基因组研究的跟进。
随着越来越多的昆虫基因组得到解析，昆虫学的研究发生了前所未有的深刻变化，它不仅为不同昆虫生物学特性的机理研究提供了序列基础，也使我们能从更全局的角度研究一种昆虫的生命活动规律，特别是结合转录组、蛋白组、代谢组等“组学”，使我们对昆虫与环境关系的内在机理在整体上有了更好把握，而不再是“盲人摸象”。生物信息学为基础的基因功能预测和同源性分析比对、靶标基因的敲除和敲入、基因RNAi技术等功能基因组研究手段，使昆虫基因组资源利用研究突飞猛进。特别是在基因组和转录组基础上，通过基因功能的研究和挖掘，应用CRISPR-Cas9介导的基因组定点编辑技术和基因RNAi技术，将使害虫的防治和益虫的利用出现革命性的变化。
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（责任编辑岳梅）