蚜虫基因体解析荣登生命科学顶尖期刊首页分子农业新里程:贺昆虫系发育遗传学研究团队
生农学院昆虫学系张俊哲副教授所率领之研究团队,在过去两年间加入国际蚜虫基因体联盟(International Aphid Genomics Consortium),参与蚜虫基因体计画.本项跨国计画研究成果,发表於最新一期生命科学顶尖期刊「PLoS Biology」(过去五年平均影响系数 14.662;生物学领域排名第一).难能可贵的是,本篇论文成为当期之主题文章,而期刊封页之主题图片(feature image) (图一),正是由张老师研究室 (图二) 所提供.
蚜虫基因体由美国贝勒医学院 (Baylor College of Medicine) 的人类基因体定序中心 (Human Genome Sequence Center) 进行定序,主要参与国为美,法,日等国;全球总共约有十余国的科学家参与蚜虫基因体计画.张俊哲老师在整个研究计画中被赋予担任「生殖基因组」组长之重任,统筹蚜虫生殖基因之注解工作 (annotation).除此之外张老师与团队成员吕晓铃博士生还参与发育基因之分析,作为研究蚜虫生殖与早期发育之重要分子基础.由於蚜虫基因体解码为大型研究计画,基因体序列蕴含之丰富生物资讯,非一篇研究论文所能涵盖.因此,参与基因体计画之研究单位,将独立分析与研究之成果投稿至「昆虫分子生物学」(Insect Molecular Biology) 期刊,由该期刊将审核接受之稿件汇集成「蚜虫基因体专刊」.在专刊当中,张老师与其博士生黄廷宇同学针对蚜虫胚胎前端如何决定,以及头部之形成发表重要论文,揭橥＂钟楼怪人″(hunchback) 基因在蚜虫胚胎前端特化可能扮演之新角色;另外,团队成员吕晓铃,林季玮两位博士班同学,偕同张老师参与由日本国家基础生物学研究所 (National Institute of Basic Biology) 主导之发育基因解析工作,也同时发表於专刊当中.除了上述两大科学期刊,有关本次蚜虫全基因体定序与解析之消息亦披露於英,美,日,西班牙,纽西兰等国之媒体.
基因体序列被喻为「生命之书」,或是「生命之操作手册」.对蚜虫这个重大农业害虫而言,蚜虫基因体解码对了解其特殊之生活史,以及进行虫害防治具有极大之助益.据张老师表示: 蚜虫为半翅目昆虫,以刺吸式口器吸吮植物汁液,并藉此传播病毒.蚜虫具有性与无性世代,世代之转换,受光照周期调控.当蚜虫大发生时,以「孤雌生殖胎生」之方式繁衍,其繁殖速率甚为惊人.在校总区农场所栽培之金针花被黄花粉蚜布满时,由远眺还以为整棵植株正在繁花盛开!目前蚜虫有性与无性世代切换之分子机制仍属未知,不过在拥有整个基因体之序列资料库后,即可利用功能性基因体 (functional genomics) 工具,对蚜虫世代交替,传播病毒,与内共生菌之代谢关系等机制进行分子层次之解析.换言之,若有一天可找到有性与无性世代之「切换序列」,就有希望把蚜虫维持在生殖周期长达 3,4 个月的有性世代,大幅降低蚜虫数量,达到显著之防治果效.
目前已知之蚜虫多达 5000 余种,本次之基因体定序以豌豆蚜 (Acyrthosiphon pisum) 为目标物种,主要原因在於其过往累积之研究资料较为丰富,而且其体积较大,利於解剖操作.单套的豌豆蚜基因体具有 4 条染色体 (3 条体染色体加上 1 条性染色体),总长约有 4.6 亿个碱基对.这项定序与分析的工作,在比较基因体学 (comparative genomics) 方面具有重大意义,因为这是目前所发表之昆虫基因体序列中,属於最基础的半变态 (hemimetabolous) 之昆虫序列 (例如:相较於蚜虫,果蝇则为高度分化之完全变态昆虫),这对於了解昆虫基因体之全貌,颇有参考价值.由张老师得知,当整个蚜虫基因体联盟成员开会研商分析成果时,最令大家惊讶的是蚜虫的基因体出现其他已知昆虫基因体所没有的大规模基因重复 (gene duplication) 现象,约有 2000 个基因家族 (gene families) 具此特色!例如生殖基因 vasa 在蚜虫基因体中竟然出现 4 个同源基因,这是在果蝇,家蚕,蜜蜂,甲虫等昆虫基因体中所未曾发现的.或许上述大规模之基因重复现象,正反映蚜虫复杂之生活史.然而,解析这些重复基因的功能,也将成为分子生物学家未来的重大挑战.
对於能够参与本次之跨国合作计画并获致重大的成果,张老师与其研究团队非常感谢国科会与农委会防检局之经费支持,同时他们也特别感谢中研院刑禹依研究员的水稻基因体研究室,由於他们的经验分享,使张老师团队在参与蚜虫基因体分析之初步阶段,面对庞大的基因体资料库能由手忙脚乱到顺利上手;当然,蚜虫基因体联盟组成员积极无私地分享分析成果,并且排除万难地进行合作,也是计画顺利完成之关键.自 2002 年迄今,张老师已有三篇论文受刊登於国际学术期刊封面 (2002 年:非洲沙漠飞蝗;2006,2010 年:豌豆蚜虫).有趣的是,这些封面图片的主角都属「非模式物种」(non-model organisms).据张老师分享:所有的「模式物种」都来自於「非模式物种」;而且研究非模式物种常常可发现令人意想不到的现象与生物学意涵,这正是研究的乐趣之一.虽然研究非模式物种所能使用之分子工具相当有限,而且大部分需自行开发;但挑战之所在,也是成就感之所在.盱衡目前危害农作甚钜,造成粮食危机之害虫绝大部份都属於非模式物种!或许蚜虫基因体之研究,对研究其他重要农业害虫具有某程度之参考与启发.