摘要：溫帶臭蟲Cimexlectularius，在從前的二十年里，是世界范疇內(nèi)普遍存在的一種人體皮外寄生蟲。臭蟲防治雌蟲飽血后產(chǎn)卵，每次產(chǎn)卵數(shù)個，一生可產(chǎn)卵75～200個，最多達(dá)540個。卵白色，長圓形，大小為0.8～1.3×0.4～0.6mm，一端有略偏的小蓋，卵殼上有網(wǎng)狀紋，常粘附在成蟲活動和穩(wěn)匿處，如床板、蚊帳、家具、墻壁、地板和天花板的縫隙里，在18～25℃條件下經(jīng)1周即可孵出若蟲。除了對殺蟲劑抗性的加強，這種寰球化范疇的害蟲增加可能與國際交換跟貿(mào)易有關(guān)。溫帶臭蟲基因組及其14,220個編碼蛋白質(zhì)的基因全面展示了其與創(chuàng)傷性受精、減少化學(xué)感應(yīng)相干的專性吸血基因、宿主-共生體的彼此作用以及多少個對殺蟲劑抗性的機制相干的基因。基因組測序跟解釋為將來對溫帶臭蟲殺蟲劑抗性、人類-臭蟲跟共生體-臭蟲的彼此作用關(guān)聯(lián)、臭蟲作為人類皮外寄生蟲奇特的生物學(xué)特點供給了堅實的基本。
研究背景
溫帶臭蟲Cimexlectularius，證明與人類有3000年甚至更多年的接洽。二戰(zhàn)后，因為殺蟲劑的自由利用，這個物種在一些經(jīng)濟(jì)跟政治牢固的國際多少乎滅絕，然而在一些不發(fā)達(dá)國度、弱勢地區(qū)還有大量的與老鼠、雞跟其它動物相干的群體存在。然而，在從前的20年左右，溫帶臭蟲在除南極洲外的每個大陸大量的暴發(fā)。溫帶臭蟲的疾速擴大與國際旅行、二手資料的轉(zhuǎn)換、對有溫帶臭蟲組織的無知、臭蟲對有機氯、有機磷酸酯類跟擬除菊酯等重要殺蟲劑的抗性進(jìn)化。
作為人類皮外寄生蟲，溫帶臭蟲的勝利擴大是由其以下多少個方面的生物特點造成的。首先，溫帶臭蟲的所有生命階段都專性地食血，并以血液作為單一的養(yǎng)分跟水分來源。這種養(yǎng)分的專一化須要專性的化學(xué)感應(yīng)體系來探測、發(fā)明跟接收適合的宿主。并且，兩個不同的溫帶臭蟲家系研究表明，與人類有關(guān)跟與老鼠有關(guān)的兩個家系有不同的化學(xué)感應(yīng)特化。另外，吸血作用須要特別的酶跟相干的代謝通路來恰當(dāng)?shù)叵邮昭海⑻幚矶嘤嗟乃郑贿@種專化作用也驅(qū)動與內(nèi)共生體的轉(zhuǎn)化關(guān)聯(lián)，例如沃爾巴克氏體(一種革蘭氏陰性細(xì)菌）可能產(chǎn)生脊椎動物血液中缺乏的要害微量元素。
溫帶臭蟲通過創(chuàng)傷性受精來滋生，雄性用改進(jìn)的生殖器官刺進(jìn)雌性腹部的角質(zhì)層，將精液帶入雌性的淋巴體系。這種滋生方法受到性別抵觸的強烈抉擇，包含性傳播細(xì)菌，及抉擇免疫體系來影響臭蟲-病原菌的互作。臭蟲表示出對近親滋生作用的抗性，這可能與有利基因復(fù)合物的固定，增進(jìn)局部適應(yīng)的有毒等位基因，如對殺蟲劑抗性基因的清除有關(guān)。有意思的是，遠(yuǎn)親滋生不表示出劣勢，而是雜種上風(fēng)最小化且短暫。溫帶臭蟲被認(rèn)為是美國錐蟲的潛在載體，不像其它的吸血節(jié)肢動物，可能直接判斷人類病原物的傳播。最后，存在殺蟲劑抗性的種群大量擴增，存在擬除菊酯抗性的溫帶臭蟲數(shù)量是不抗性的10,000倍。
通過進(jìn)化基因組剖析跟大量的人工解釋，本文報道了溫帶臭蟲極其相干的細(xì)菌基因組。本研究揭示了溫帶臭蟲與其生活方法相干的進(jìn)化適應(yīng)，包含化學(xué)感應(yīng)基因的明顯減少，血液代謝相干基因的擴大跟各種其它物種與殺蟲劑抗性相干的基因集。另外，研究人員鑒定了從沃爾巴克氏體跟沙雄菌等細(xì)菌中橫向遷徙的基因。
研究資料
對各種殺蟲劑敏感的溫帶臭蟲，進(jìn)行基因組測序，并作為轉(zhuǎn)錄組測序中的對比處理。在27℃,50±5%RH跟光周期
12:12前提下保存培養(yǎng)，喂食37℃水域保溫的兔子血。取第23代自交系的個體基因組DNA。
研究策略
IlluminaHiSeq2000s測序平臺，PE100。滅臭蟲沸水澆燙：臭蟲不耐高溫，可用開水將蟲卵和成蟲全部燙死、，對有臭蟲孳生的床架、床板等用具可搬至室外，用裝有沸水的水壺口對準(zhǔn)縫隙，緩慢移動澆燙，務(wù)必使縫隙處達(dá)到高溫，以燙死臭蟲及其卵，對孳生有臭蟲的衣服、蚊帳，可用開水浸泡。小片段文庫180bp，500bp，大片段文庫3kb，8kb，測序深度分辨為62.4X,77.9X,44.42X,21.21X。
研究結(jié)果
1基因組的總體特點跟直系同源剖析
基因組終極組裝成650.47Mb，1,402個scaffolds跟45,073個contigs，N50長度分辨為7.17Mband23.5kb。比預(yù)估的基因組大小小25%，這可能是因為異染色質(zhì)跟重復(fù)序列不組裝的結(jié)果。料想了14,220個蛋白質(zhì)編碼基因，總共有1,352個是感興趣的基因，包含273個角質(zhì)層蛋白基因跟114個化學(xué)感觸體基因進(jìn)行了人工校訂。評估了組裝跟基因料想的完全性，鑒定了昆蟲基因組中守舊的Hox基因簇跟自噬基因。總的來說，與七種節(jié)肢動物昆蟲基因組比較，溫帶臭蟲基因集跟基因組有少量的的喪失，大概10%，然而仍然存在很高的完全性，來進(jìn)前進(jìn)一步的剖析。溫帶臭蟲中，超過80%的基因至少與一種節(jié)肢動物存在直系同源基因。用8個節(jié)肢動物的1,734個單拷貝的直系同源基因來構(gòu)建體系進(jìn)化樹。
圖1溫帶臭蟲跟其它節(jié)肢動物的體系進(jìn)化關(guān)聯(lián)及直系同源比較
注：體系進(jìn)化剖析表明溫帶臭蟲是另一種半翅目昆蟲-豌豆蚜的姊妹系。
2宿主定位、專性血液為食跟免疫
溫帶臭蟲專一性的以血液為食，并且跟蚊子等其它吸血性昆蟲不同，它所有的未成熟期跟成熟期的昆蟲均專性地血液為食品跟水的來源。溫帶臭蟲偏向于以人類作為寄主，也以多種脊椎動物為寄主。溫帶臭蟲在環(huán)境中與人的彼此作用，可能料想宿主位置。它頭部兩側(cè)的膠囊有明顯凸起的復(fù)眼，在宿主識別中起到一定的作用。與其視力的低辨別率相一致，溫帶臭蟲存在與半翅目昆蟲所共有的單眼紫外跟長波長感觸視蛋白家族，這也與傍晚活動的昆蟲相一致。溫帶臭蟲中編碼生物鐘的基因在果蠅跟哺乳動物中同樣呈現(xiàn)，然而缺乏與生物鐘的感光相干CRY1跟JET序列。因此，臭蟲或者可能成為研究生理節(jié)律的模式昆蟲，尤其是那些在弱光或黑暗環(huán)境中棲身的動物。
昆蟲感觸器中嗅覺跟味覺的處理是依附化學(xué)感觸體的三個基因家族：嗅覺受體、味覺受體跟離子受體。嗅覺受體在黑暗環(huán)境中通過嗅覺來尋找錯誤、宿主定位跟導(dǎo)航中起到要害的作用。味覺受體的重要作用是調(diào)處味覺—更重要的是發(fā)明甜或苦的增味劑—以及感觸二氧化碳。親離子受體由古動物的離子移變的谷氨酸鹽受體進(jìn)化而來，與嗅覺跟味覺有關(guān)。作者鑒定了48個嗅覺受體、24個GR
S、30個親離子受體基因。滅臭蟲沸水澆燙：臭蟲不耐高溫，可用開水將蟲卵和成蟲全部燙死、，對有臭蟲孳生的床架、床板等用具可搬至室外，用裝有沸水的水壺口對準(zhǔn)縫隙，緩慢移動澆燙，務(wù)必使縫隙處達(dá)到高溫，以燙死臭蟲及其卵，對孳生有臭蟲的衣服、蚊帳，可用開水浸泡。溫帶臭蟲化學(xué)感觸體基因集居中，與其適中的化學(xué)生態(tài)的龐雜性相一致，它像采采蠅一樣是專性的吸血昆蟲，然而存在普遍的脊椎動物寄主，而虱則以人類作為唯一的寄主。臭蟲基因組中不糖受體，而在采采蠅、虱子等吸血性昆蟲當(dāng)中也不發(fā)明。臭蟲基因組中化學(xué)感觸體基因家族有一些擴大跟進(jìn)化，同時存在11個物種特異性的增味劑結(jié)合蛋白，14個化學(xué)感觸體蛋白比其它吸血性昆蟲存在較強的守舊性。
獲得血液的一個重要妨礙是宿主止血，宿主通過血小板聚集、纖維蛋白交聯(lián)、血管緊縮跟免疫應(yīng)答來避免血液的消散。臭蟲唾液轉(zhuǎn)錄組跟蛋白質(zhì)組的樹破，有助于咱們對其唾液的龐雜性、吸血昆蟲奇特的適應(yīng)性進(jìn)行研究。臭蟲三磷酸腺苷雙磷酸酶有多個成員，參加依附ADP的血小板聚集克制蛋白。另外，鑒定了12個一氧化氮受體多磷酸肌醇磷酸酶基因家族成員，6個昆蟲基因組中最大的水解酶家族Ap4a家族成員。唾液蛋白的擴增使臭蟲可能從同一宿主屢次取食血液，而不會使宿主苦楚。
脊椎動物的血液富含蛋白質(zhì)跟脂類，然而缺乏微量養(yǎng)分。因為其較高的水分含量，須要特定的一套消化酶來消化。對臭蟲基因組的剖析，發(fā)明了187個潛在的消化酶基因。與大多數(shù)昆蟲比較，臭蟲存在較少的絲氨酸蛋白酶，然而其蛋白酶與吸血的長紅獵蝽、虱類似。臭蟲的組蛋白酶D大量擴大，它是一種調(diào)節(jié)酸性pH的天門冬氨酸蛋白酶，被認(rèn)為與血液的代謝有關(guān)。
血液的消化須要將其中多余的水分移除，水通道蛋白在這一進(jìn)程起重要作用。臭蟲有7或8個AQP基因，在大多數(shù)昆蟲中6-8個為畸形范疇。在肽類激素跟胺受體中，作者鑒定了一個完全的利尿跟抗利尿激素及其受體正確地啟動跟終止利尿。與長紅獵蝽不同，臭蟲質(zhì)有一個基因編碼抗利尿神經(jīng)肽激素。
像吸血蜱跟錐蝽，但不像其余吸血昆蟲，臭蟲可能禁受長時光的饑餓。這種適應(yīng)須要養(yǎng)分的堅持跟禁止多余水分消散、脫水導(dǎo)致的逝世亡，后者尤其依附于水通道蛋白跟熱激蛋白的差別表白。總的來說，臭蟲中熱激蛋白跟自噬基因與其它昆蟲類似，這名義你給它們的不同可能是與極其脫水跟抗饑餓有關(guān)。這些基因序列可能幫助人們揭示臭蟲耐極其脫水跟饑餓的生理跟行念頭理。
臭蟲的基因組中存在較多的Toll,Imd跟Jak/STAT免疫通路相干的基因。
圖2臭蟲基因組宿主定位跟吸血方面相干的鑒定
a：多種昆蟲的化學(xué)受體相干基因；b：多種昆蟲的唾液功能相干基因；c：多種昆蟲組蛋白酶D構(gòu)建的體系進(jìn)化樹。
3共生跟橫向基因遷徙
因為血液中養(yǎng)分物質(zhì)的不足。專性吸血作用會導(dǎo)致特別微量元素的缺乏。沃爾巴克氏體是昆蟲中常見的一種體內(nèi)寄生蟲，可能影響寄主的成長跟滋生，它與臭蟲進(jìn)化出了共生的養(yǎng)分關(guān)聯(lián)。沃爾巴克氏體為臭蟲供給滋生跟發(fā)育所需的各種維生素B。作者解釋了維生素B代謝跟決定相干的基因，與其它昆蟲類似，臭蟲中含有維生素B攝取跟轉(zhuǎn)換必須的基因。
用盤算管道從組裝好的臭蟲基因組中檢測細(xì)菌基因組，作為候選的細(xì)菌中橫向遷徙的基因。溫帶臭蟲的內(nèi)共生體沃爾巴克氏體組裝成16個scaffolds。另外，與溫帶臭蟲相干的葡萄球菌基因組多少乎組裝完全，包含15個scaffolds，其中有3個質(zhì)粒跟一個大概3.16Mb的染色體。葡萄球菌在臭蟲中體內(nèi)常見，并且通過性接觸傳播。第三個sacfford與果膠桿菌存在同源序列組裝成，這種菌與動物相干，sacfford只有250kb大小，而果膠桿菌基因組大概有5Mb，作者琢磨它是臭蟲中大片段的橫向基因插入引起的，還須要進(jìn)一步的研究來確認(rèn)。
臭蟲基因組中有大量的細(xì)菌LGT基因。除了以上探討的局部，有805個＞100bp候選LGTs散在散布在全部基因組上。臭蟲基因組中候選LGTs在14種節(jié)肢動物中數(shù)量最多。來自殘雄菌屬的LGTs數(shù)量最多，在已經(jīng)測定基因組的昆蟲中十分常見。臭蟲中的LGT是奇特的插入序列，而在其它的昆蟲基因組中則不發(fā)明。
LGT基因插入后，個別通過插入及降解跟喪失來進(jìn)化。因此，LGTs與宿主DNA結(jié)構(gòu)類似。然而，有些真菌LGTs可能進(jìn)化出存在功能的基因。臭蟲中大多數(shù)的候選LGTs在成熟的個體中不表白，有一個例外，臭蟲中的來源于沃爾巴克氏體LGT基因，編碼馬鈴薯樣蛋白的基因。細(xì)菌中馬鈴薯樣蛋白基因與其致病性相干。臭蟲中的這個LGT在雄性成熟個體中表白，而在雌性成熟個體中不表白。這一基因的功能還須要進(jìn)一步判斷，然而可能琢磨它與臭蟲特別的受精進(jìn)程有關(guān)。
圖3臭蟲基因組組裝后＞100bp的候選橫向基因遷徙
a：鑒定的候選LGTs數(shù)量；b：候選LGTs的長度。
4殺蟲劑抗性相干基因
從前的二十年，臭蟲對擬除菊酯抗性的加強導(dǎo)致其大面積暴發(fā)。為了剖析其起因，作者對有殺蟲劑抗性的昆蟲進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測序，剖析了與殺蟲劑抗性相干的基因。電壓門控鈉離子通道基因的兩個漸變體可能使臭蟲存在擬除菊酯抗性。細(xì)胞素色P450s在臭蟲對殺蟲劑的抗性中也起作用。ATP-結(jié)合盒轉(zhuǎn)運體與外源物質(zhì)的轉(zhuǎn)運有關(guān)，在存在殺蟲劑抗性的昆蟲中量增加，臭蟲中一共有54個ABC轉(zhuǎn)運體。羧酸酯酶在殺蟲劑的代謝中起到要害的作用，存在殺蟲劑抗性的臭蟲中，編碼這個酶的基因大量復(fù)制。角質(zhì)層在臭蟲對殺蟲劑的抗性中從很多個方面起作用，鑒定了273個角質(zhì)層基因，其中CPR基因家族呈現(xiàn)擴增。
5創(chuàng)傷性受精
臭蟲的雌性進(jìn)化出了一個新的器官，可能通過超彈性節(jié)肢蛋白來減少交配時產(chǎn)生的創(chuàng)傷。作者對基因組的剖析，發(fā)明臭蟲節(jié)肢彈性蛋白基因家族擴大，有13個基因存在多少丁質(zhì)結(jié)構(gòu)域，并富含＞20%的甘氨酸。這個基因家族的擴大是臭蟲特有的。
研究論斷
臭蟲基因組的序列將幫助人們理解它作為人體皮外寄生蟲的生物學(xué)特點，如圖4。
圖4臭蟲基因組要害生物學(xué)進(jìn)程概要
注：紅色：臭蟲的個別生物學(xué)特點；黑色，通過基因組序列剖析跟人工校訂獲得的要害生物學(xué)識題
