“飞蝗蔽日，食禾至尽”，蝗灾长久以来都对农业生产造成重要威胁。作为世界性的农业害虫，飞蝗（Locusta migratoria）群聚成灾的机制一直是世界科学家力求攻克的关键课题。现在，中国科学院动物研究所康乐院士领衔的科研团队破译了飞蝗的全基因组序列图谱，研究结果昨日发表在《自然-通讯》上。就此，果壳网编辑前往中科院动物所，对康乐团队进行了采访。
经过测序、组装、注释等工作，研究者构建出约6.3Gb大小的飞蝗基因组图谱——这是迄今已测序最大的动物基因组。飞蝗基因组大小约是果蝇基因组大小的30余倍，约为人类基因组的两倍多。飞蝗基因组中有大量的重复序列（占全基因组的60%），其中DNA转座子和重复序列（LINE）反座子居多，分别占基因组的24%和17%，而这些序列在飞蝗基因组中的丢失率较低，因此飞蝗基因组才会那么大。“直翅目在进化上处于比较基部的位置，包括蝗虫在内的直翅目昆虫，基因组通常都比较大，”康乐院士推测：“这可能是出于适应环境的需要而采取的策略，它们会保留一些重要的序列，以更好地应对环境变化。”这些重复序列的具体意义，还有待进一步研究查明。
昆虫纲中一些完全变态昆虫（Holometabolous）、不完全变态昆虫（Hemimetabolous）与鳃足纲蚤状蚤（D. pulex）的系统发育关系及基因组大小。DPU：蚤状蚤；LMI：飞蝗；API：碗豆蚜；PHU：体虱；NVI：金小蜂；AME：蜜蜂；TCA：赤拟谷盗；BMO:家蚕；AGA：冈比亚按蚊；DME：黑腹果蝇。图片来源：Xianhui Wang, et al. (2014) Nature Communications
飞蝗之所以能够对农业造成极大危害，主要原因在于蝗群的长途迁飞能力和强大的摄食能力。蝗虫个体1天能够摄入与自身重量相等的食物，这种食量大概是人每天进食量的60~100倍之多。“禾草皆光”之后，蝗群又迁飞到其他田地继续为患。通过分析飞蝗基因组信息，研究者发现了多个与脂肪酸代谢相关的基因，这些基因组成了高效的能量供应体系，为飞蝗长距离“飞”的能力提供了能量保障。另外，飞蝗基因组中含有68个编码糖苷键转移酶的基因，是所有昆虫中最多的。这类代谢解毒酶类能够降解禾本科植物（水稻、小麦等）中的特定次生代谢物，编码这类酶的基因家族在飞蝗基因组中的扩张，可能对飞蝗“吃”的能力至关重要。
此外，研究者还对两种不同习性的飞蝗的脑组织进行了转录组和甲基化组对比分析。飞蝗可分为群居型和散居型两型，能够从散居型转变到群居型——大的飞蝗聚群可达10亿只。
群居型（Gregarious）和散居型（Solitarious）的飞蝗。图片来源：Xianhui Wang, et al. (2014) Nature Communications
这两种类型的飞蝗，脑部基因表达具有显著差异，与神经发育和可塑性调控相关的多个基因呈现不同的甲基化模式。与激酶、信号转导蛋白、微管蛋白等系统相关的基因转录以及可变剪接情况，在两种类型的飞蝗中也多有不同。
“群居型的飞蝗，迁飞能力显著强于散居型的飞蝗。”康乐院士对果壳网说：“研究组多年来致力于研究飞蝗两型转变机制，希望能够开发出环境友好的行为调节剂，使群居型的飞蝗转变为散居型。”目前，对飞蝗的控制手段主要集中在剧毒化学农药和生物农药形式。
其实，“蝗虫是生态系统中的重要部分，只要蝗虫不对农业造成明显的危害，我们应该允许蝗虫以一定的种群密度存在于自然界中。”康乐院士透露，他们通过筛选飞蝗基因组中特有的药物靶点，为RNA干扰等新的蝗灾防治手段提供研究基础。
中科院动物研究所的实验室中饲养的群居型飞蝗。图片来源：Calo
这项研究由中科院动物所、深圳华大基因研究院和中科院北京生命科学研究院等中国研究机构合作完成。这份宝贵的基因组图谱为飞蝗发展成生物医学的研究模型提供了有利工具，针对蝗灾形成机制与控制方法的研究也能据此争取各方面突破。