BMC Biology | 苹果蠹蛾通过一种古老的基因复制实现性信息素的进化

2021年4月23日《BMC Biology》在线发表瑞典隆德大学Christer Löfstedt实验室关于Evolution of the codling moth pheromone via an ancient gene duplication一文。

背景

确定遗传新异性的起源是我们理解新异性状进化的核心。脂肪酸去饱和酶（FAD）基因的多样化在引入脂肪酸衍生物的结构变异方面发挥了根本作用。由于其在产生昆虫的多样性方面的核心作用，由于FAD基因家族在产生化学信息素多样性方面的核心作用，它已成为研究基因家族的扩展如何有助于谱系特异性的进化的模型。通过以苹果蠹蛾为研究系统来破译Δ8Δ10特征结构产生的近似机制。卷叶蛾科昆虫-蠹蛾性信息素为(E8,E10)-十二碳烯醇(codlemone)，其生物合成涉及两个连续的去饱和步骤。其中第一个步骤是不寻常的，因为它产生了一个E9的不饱和度。第二步也是非典型的：它通过1,4脱饱和从E9单烯C12中间物产生一个共轭二烯系统。

同域发生且亲缘关系很近的两个物种棉铃虫和烟青虫均使用Z11-16: Ald 和Z9-16: Ald 作为它们的主要性信息素组分，但是以相反的比例，棉铃虫是97：3而烟青虫是7：93。此外，Z11-16：OH，Z9-16：OH，Z11-16：OAc 和Z9-16：OAc 在烟青虫的信息素腺体中丰富存在，而在棉铃虫的信息素腺体中的含量却很少。

Δ11 脱饱和酶是棉铃虫中两种信息素组分生成的唯一脱饱和酶。相反的，在烟青虫中，Δ9 去饱和酶是负责主要组分Z9-16: Ald 生物合成的主要脱饱和酶，而Δ11 脱饱和酶负责产生较少的组分Z11-16: Ald （Wang et al.，2005）。

HarmLPAQ的较高表达和HarmNPVE的较低表达可能与棉铃虫信息素腺中Z11-16: Ald和Z9-16: Ald的97：3的产生一致，而我们发现HassNPVE较高表达和HassLPAQ的低表达与烟青虫信息素腺体中Z11-16: Ald和Z9-16: Ald的7:93的产生一致。另外两个差异表达的基因脂肪酰基还原酶基因FAR1和醛还原酶基因AR3可能参与醇（Z11-16：OH和Z9-16：OH），醛（Z11-16: Ald和Z9-16: Ald）和乙酸酯（Z11-16：Ac和Z9-16：Ac）的生产和/或转化(Li et al., 2017)。

结果

作者鉴定了蠹蛾性信息素生物合成的FAD基因的特征。确定了27个FAD基因，对应于昆虫和鳞翅目动物中确定的各种功能类别。这些基因分布在蠹蛾基因组中的串联阵列或孤立的基因中，表明FAD基因由古代和最近的复制组成和扩展组成。使用转录组学，显示了巨大的表达差异：一些基因在不同的组织和发育阶段都有普遍的表达；另一些基因的表达模式则比较局限。使用异源表达系统进行的功能检测显示有一个基因Cpo_CPRQ，在雌性信息素腺体中突出且特异性表达。编码的FAD同时具有E9和Δ8Δ10去饱和的活性。在系统发育上，Cpo_CPRQ属于鳞翅目特有的Δ10/Δ11 FADs支系，是蛾类中不寻常的脱饱和酶活动的典型库。

Expansion of FADs in the genome of C. pomonella

FAD的特征结构域：a fatty acid desaturase type 1 domain (PFAM domain PF00487)

通过对pheromone gland的转录组测序，对苹果蠹蛾基因组的注释进行改善。发现FAD基因分布在27条常染色体中的12条，而Z或W性染色体上没有FAD基因（chr1和chr29）。Cpo_QPVE和Cpo_MATD被发现在未归类的scaffold上。

Phylogenetic analyses place expansions in the Δ9(KPSE) and Δ10/Δ11(XXXQ/E) clades

通过对苹果蠹蛾FAD基因家族的注释，共鉴定到8个亚家族。

• 所有的亚家族都形成了高度支持的群体，除了Desat A1和A2之间的关系。这两种关系似乎得到了弱的或强的支持，这取决于分析所使用的基因组。

• Desat C, D, and E 是单拷贝基因。

• Desat B在膜翅目和家蚕中显著扩增，在苹果蠹蛾里有两个代表性的脱氢酶。

• Desat A2是单拷贝基因，Cpo_GATD, 似乎是鳞翅目昆虫的典型代表。

• Desat A1形成一个大的亚家族，总共17个基因，比家蚕要多两倍(7)

而Δ9 C16<C18（NPVE）是由单拷贝基因，但我们发现了两个在对应于Δ9C16>C18（KPSE）和Δ11、Δ10，双功能的(XXXQ/E) FADs的显著扩增。在chr4中发现的串联排列的对应于A1亚家族中的一个延伸，编码Δ9 C16>C18 FADs。在鳞翅目特有的A1亚家族中发现了9个基因，编码Δ11,Δ10，双功能的FADs。这些基因散布在这些基因分散在6条染色体上，其中没有一条含有其他功能类别的成员。

Patterns of gene expression identify Cpo_CPRQ and Cpo_SPTQ(1) as candidates

通过对多个苹果蠹蛾卵、幼虫、蛹、成虫组织的转录组测序，发现Cpo_CPRQ和Cpo_SPTQ(1)（在性信息素腺体中的平均FPKM，分别为6082.0和1451.5）表达量很高，可以进行功能验证。

Functional characterization demonstrates the E9 FAD activity of Cpo_CPRQ and Cpo_SPTQ(1)

以前的研究表明，酿酒酵母是一个方便的系统，可用于在体内研究FAD基因的功能。它已成为异源表达不同来源的去饱和酶的首选真核宿主。酵母细胞很容易吸收外源性的脂肪酸甲酯并将其转化为适当的FADs所需要的辅酶A硫酯底物。

首先，我们将Cpo_CPRQ和Cpo_SPTQ(1)克隆到一个铜诱导的酵母表达载体中，以产生在酿酒酵母中的异源表达。

Cpo_CPRQ赋予了该酵母能够产生少量的E9-12酰基，并且在C12底物之外没有可检测的活性。

Cpo_SPTQ(1)显示出Δ9去饱和酶活性，产生E9-和Z9-12:Acyl, Z9-14:Acyl,和Z9-16:Acyl。通过二甲基二硫（DMDS）衍生化确认了这些物质中的双键位置。

Functional analysis identifies Cpo_CPRQ as the FAD catalyzing Δ8Δ10 desaturation

当我们使用Sf9细胞系统表达Cpo_CPRQ时并在培养基中补充月桂酸。我们可以观察到E9-12和E8E10-12的持续产生，表明Cpo_CPRQ催化E8E10-12:Acyl和其单不饱和脂肪酸E9-12:Acyl的生物合成

Cpo_CPRQ既能催化月桂酸反式脱饱和形成E9-12:Acyl和后者的1,4-脱饱和形成E8E10-12共轭信息素。后者形成信息素的前体。

结论

脂肪酸去饱和酶(FADs)基因家族是许多昆虫基于信息素通讯的核心。苹果蠹蛾的标志性信息素结构的进化涉及到一个基因的招募，该基因是由一个古老的在鳞翅目特异性的基因复制中产生。其他扩大的FAD亚家族的成员似乎并不在化学通讯中起作用。仅仅基于基因组学来推测种系特异性进化需要谨慎对待。

参考

Wang H L, Zhao C H and Wang C Z. Comparative study of sex pheromone composition and biosynthesis in Helicoverpa armigera, H. assulta and their hybrid[J]. Insect Biochemistry & Molecular Biology, 2005, 35(6): 575-583.

Li R T, Ning C, Huang L Q, Dong J F, Li X and Wang C Z. Expressional divergences of two desaturase genes determine the opposite ratios of two sex pheromone components in Helicoverpa armigera and Helicoverpa assulta [J]. Insect Biochemistry & Molecular Biology, 2017, 90:90-100.

Lassance, JM., Ding, BJ. & Löfstedt, C. Evolution of the codling moth pheromone via an ancient gene duplication. BMC Biol 19, 83 (2021). https://doi.org/10.1186/s12915-021-01001-8