康乐院士团队最新Nature子刊

蝗虫具有基因组庞大、多型性以及X0性别决定系统的特征。

2025年9月1日，中国科学院动物研究所康乐独立通讯在Nature Genetics在线发表题为“Chromatin dynamics of a large-sized genome provides insights into polyphenism and X0 dosage compensation of locusts”的研究论文。该研究构建了沙漠蝗虫和亚洲飞蝗的染色体水平基因组，并绘制了飞蝗的完整染色质图谱。研究发现，基因组扩增与内含子区域增强子数量的增加相关。

为了探究增强子扩增的功能，该研究鉴定出一个远端增强子，它与独居蝗虫和群居蝗虫的行为差异有关。在X0性别系统中，H4K16ac的富集和H4K20me1的缺失维持了雄性体细胞中X连锁基因的平衡表达。值得注意的是，在基因间区域，依赖于距离的H4K16ac富集逐渐减弱，揭示了大型基因组中一种特殊的剂量补偿机制。此外，依赖于距离的H4K16ac导致近期从常染色体易位的X连锁基因剂量补偿进化滞后。因此，扩展的内含子和基因间区域在大型基因组中形成了独特的染色质调控景观。

亚洲飞蝗（Locusta migratoria）基因组大小为6.9 Gb，是大基因组昆虫的典型代表，具有显著的密度依赖性多型性和X0性别决定系统。多型性或表型可塑性是指具有相同基因型或基因组的生物体根据环境变化而改变其表型的能力，具有明显的表观遗传学特征。多型性是蝗虫独有的生物学特性，它促使蝗虫在散居期和群居期之间快速进行行为转换，以适应种群密度的变化。行为变化导致蝗虫聚集，最终形成破坏性的蝗群。因此，蝗虫散居期和群居期之间的行为差异是最重要的阶段性差异，也是蝗灾爆发的主要原因。Henna基因编码多巴胺生物合成中最关键的酶，该酶决定了蝗虫的行为变化。行为可塑性在转录水平上受到显著调控，而转录水平又受染色质调控的影响。与果蝇等基因组较小的物种相比，亚洲飞蝗中Henna基因的大小增加了32倍，这主要是由于内含子长度的增加。因此，Henna基因在亚洲飞蝗中是一个独特的案例，可用于研究染色质在昆虫多型性调控中的作用，尤其是在内含子区域扩展方面。

性别分化与染色质调控密切相关。蝗虫是X0性别决定系统的典型代表，该系统以雄性异配子为特征。尽管未配对的同源染色体会破坏基因表达的平衡，但两性之间X染色体数量的差异可以通过剂量补偿来缓解。涉及组蛋白修饰的剂量补偿策略在不同的性别决定模型中存在差异。然而，像蝗虫这样的严格遵循孟德尔遗传的专性性别决定系统的剂量补偿机制仍未得到解决。原则上，由于环境更宽敞，性染色体和常染色体之间的易位基因在大基因组中比在小基因组中更频繁地嵌入基因间区域。由雄性特异性致死复合物（MSL）催化的H4K16ac扩散可以促进剂量补偿向缺乏MSL结合的侧翼基因间区域扩散。因此，大基因组中广阔的基因间区域为探索剂量补偿及其在基因易位中的作用及其相关的扩散效率提供了一个理想的系统。

该研究构建了亚洲飞蝗的染色体水平基因组组装，以全面注释染色质结构。以多型性为例，比较了染色质差异，探讨了顺式调控元件在蝗虫行为变化中的作用。此外，该研究确定了XX雌性中等位基因感知的X连锁表达，并探讨了组蛋白修饰在平衡X连锁表达的丧失和维持中的作用。研究进一步构建了沙漠蝗虫染色体水平的基因组组装图，揭示了组蛋白修饰在蝗虫X连锁基因易位中的作用。

图1 亚洲飞蝗的染色体水平组装（图源自Nature Genetics）

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41588-025-02330-y