草业科学与技术学院班丽萍团队在亚洲玉米螟W染色体进化研究方面取得重要进展

  近日，中国农业大学班丽萍团队在中科院一区Top期刊BMC biology（5年IF=7.1）在线发表题为《亚洲玉米螟W染色体上基因的获得与丢失》（Gene gain and loss from the Asian corn borer W chromosome）的研究论文。

  亚洲玉米螟（鳞翅目，螟蛾科）是我国玉米生产中最重要的害虫，以幼虫蛀穗、蛀秆为害。与我们熟知的XY型物种不同，亚洲玉米螟属ZW型物种。性染色体进化过程通常伴随着W/Y染色体的退化，通常表现为蛋白编码基因的丢失和重复元件的富集等。研究发现Y染色体退化过程中会保留一些与雄性功能相关的基因，但对于W染色体是否也保留了与雌性特定功能相关的基因知之甚少。

  该研究结合三代测序PacBio和Hi-C技术成功组装了亚洲玉米螟染色体水平的基因组，并利用雌雄个体重测序和覆盖度分析鉴定出Z、W和30条常染色体（图1A和2）。通过基因组注释、全基因组表达分析发现W染色体上的绝大多数基因都呈现低表达活性和假基因化，并且富集大量的重复序列，这都是W染色体退化的表现（图1B-E）。

图2. 亚洲玉米螟Z、W和常染色体的鉴定

  共线性分析发现，尽管Z染色体在鳞翅目昆虫间高度保守，但W染色体与已有的其他鳞翅目昆虫W染色体序列（图3）或Z染色体（图4）几乎没有保守性，这与W染色体的非典型性起源一致（即起源于B染色体）。此外，W基因的同源物均匀分布在整个基因组中（图4），其中，绝大多数W同源基因没有内含子，或者相对Z/常染色体同源基因发生了内含子丢失，这可能是逆转录转座导致。这种逆转录转座是随机发生的，W染色体通过逆转录转座获得这些基因后，并不能保持其表达活性，因此大多数基因很快就沉默（图1D-E），只保留了一小部分与雌性功能相关基因的表达活性（表1）。

图3. 亚洲玉米螟系统发育树及其与其他鳞翅目昆虫基因组的共线性分析

图4. W基因的同源基因

表1  具有表达活性W基因的功能分析

  这一研究揭示了亚洲玉米螟W染色体的退化过程，包括大量重复元件的积累和快速的基因获得，大多数基因在复制到W染色体上之后随即发生了假基因化，仅保留了那些与雌性功能相关基因的表达活性。以上研究揭示了W染色体与Y染色体的许多相同之处，对于理解性染色体的演化和性别特定功能的基因的进化具有重要意义。

中国农业大学博士研究生戴雯婷为该论文第一作者，班丽萍教授为通讯作者，英属哥伦比亚大学Judith E. Mank教授对本研究提供了指导和帮助。该研究得到了国家重点研发计划(2022YFD1400500)和北京市现代农业产业技术体系(BAIC02-2024)的资助。

论文网址：https://doi.org/10.1186/s12915-024-01902-4