草地贪夜蛾属于鳞翅目、夜蛾科、灰翅夜蛾属，原发于美洲的热带和亚热带地区，是联合国粮农组织全球预警的跨国界迁飞性重大害虫。2019年1月草地贪夜蛾入侵我国云南后，以迅猛之势不断扩散至其他二十多个省份，严重威胁到我国当前的农业及粮食生产安全。草地贪夜蛾由于其食性广泛，繁殖能力和迁飞能力极强，并且具有高度的抗药性，导致虫害防控尤其艰难，因此，为了制定更高效有力的防治策略，采取基因组学等前沿研究技术研究该物种的遗传信息具有重大意义。

5月2日，Molecular Ecology Resources 期刊在线发表了由中国科学家合作完成的染色体水平草地贪夜蛾基因组研究成果。该研究主要由浙江大学、宜春学院、浙江省农业科学院和安诺基因联合完成。宜春学院的肖花美博士以及浙江大学的李飞教授、安诺优达的刘涛博士为该文章共同通讯作者，安诺基因组大项目团队杨伟飞等人参与完成。该成果揭示了草地贪夜蛾快速扩散成灾的机制，为草地贪夜蛾的防控提供了有力的遗传信息资源。

主要研究结果

1. 高质量的染色体级别参考基因组组装

本研究利用浙江地区采集的草地贪夜蛾为实验材料，通过安诺基因PacBio三代测序技术及Hi-C染色体挂载技术相结合的策略，组装获得大小为486 Mb的草地贪夜蛾基因组（命名为ZJ-version），其中contigN50 1.13 Mb，scaffold N50 16.3 Mb，BUSCO评估基因集完整性高达93.1%。通过构建Hi-C数据库，借助LACHESIS软件成功地将556条contigs挂载到31条染色体上（图1A），挂载率为97.4%。进一步结合雌、雄虫的二代重测序结果，成功鉴定得到性染色体中的Z染色体，并且获得该物种W染色体中约4.7 Mb的基因序列，这也是夜蛾科中首次被报道的W染色体（图1B）。

图1 草地贪夜蛾的染色体水平基因组组装结果

3. P450基因家族扩张分析

农业害虫尤其是杂食性害虫，针对宿主植物中摄取得到的化学毒性物质通常会通过进化产生特有的解毒系统，例如合成大量的排毒酶来进行毒素代谢。2015年，Giraudo等人通过化感化学和外源性诱导实验鉴定出草地贪夜蛾基因组中29个P450基因能够被诱导表达。因此，在本研究中，研究人员也对组装草地贪夜蛾基因组（ZJ-version）中的P450基因进行了鉴定分析，经TBLASTN 和Genewise预测得到169个P450基因，且研究发现P450基因在草地贪夜蛾各个发育阶段均广泛表达（图3），尤其是P450家族3和4，P450基因在代谢植物次级代谢产物的过程中发挥了重要作用，由此推测P450基因家族3和4的扩张以及P450基因在各个发育阶段的广泛表达对于草地贪夜蛾针对植物外源物质的解毒作用具有重要作用，同时也为该物种的入侵繁殖提供了有力条件。

图3 P450基因在各个发育阶段的广泛表达图

4. GR受体家族进化分析

化学感受器对于昆虫快速识别植物宿主是至关重要的，因此其对于害虫的扩散和入侵也是很关键的。在该研究中，研究人员在草地贪夜蛾基因组（ZJ-version）中识别到221个味觉受体（GR）基因家族，其中包括189个苦味受体，24个糖受体，8个CO₂受体基因家族。通过系统发育分析和基因分布分析，与家蚕相比，草地贪夜蛾基因组的苦味受体基因家族存在明显扩张现象。其次，结合转录组数据分析，成虫中表达的GR基因相对于其他发育阶段，表达水平更高（图4）。草地贪夜蛾在长距离迁移过程中，保持能量需求的关键在于快速识别宿主，GR基因家族的扩张可能有利于宿主识别。

图4 GR基因在各个发育阶段的广泛表达图

5. β-呋喃果糖苷酶基因扩张分析

研究表明，昆虫基因组中存在的β-呋喃果糖苷酶基因是通过细菌水平基因转移获得的，在昆虫体内起着趋避植物次级代谢产物的作用，同时还有调节糖代谢的作用。在该草地贪夜蛾基因组中共鉴定到5个β-呋喃果糖苷酶基因（SfruSuc1, SfruSuc2, SfruSuc3,SfruSuc4 和 SfruSuc5），与家蚕基因组相比，该基因家族发生了明显的扩张，家蚕基因组中仅鉴定出一个具有功能的β-呋喃果糖苷酶基因，BmSuc1，且该基因被证明发挥着类似糖苷酶，可以避免生物碱毒性的作用。由此可以推测，β-呋喃果糖苷酶基因家族的扩张可能是草地贪夜蛾能够适应并耐受数量众多的植物次级代谢产物以及维持糖代谢平衡的重要原因，从而为草地贪夜蛾拥有广泛宿主范围奠定了一定的基础。

文章亮点

本研究利用三代测序结合Hi-C辅助组装技术，获得了染色体级别的高质量草地贪夜蛾基因组（ZJ-version），并进一步通过对细胞色素P450基因、GR受体基因以及β-呋喃果糖苷酶基因的进化分析揭示了草地贪夜蛾的入侵和快速扩散的分子机制。

作为国内基因组行业知名企业，安诺基因拥有实力强大的测序服务平台，配备系列先进仪器设备，三代PacBio（7台Sequel II+10台Sequel）为您的科研之路保驾护航；专业的生物信息分析团队，丰富的项目分析经验，让您的数据分析之途无忧。安诺基因已与中国农业大学、中科院遗传与发育所、中国海洋大学、中国农业科学院、福建农林大学等多家科研院所开展了深度合作，助力基因组文章发表于Nature、Nature Plants、Nature Communications、Molecular Plant、Communications Biology、The Plant Journal 等多个国际高水平期刊。

参考文献：

https://doi.org/10.1111/1755-0998.13182

2020年3月25日，浙江大学基础医学院郭国骥团队利用自主研发的Microwell-seq高通量单细胞测序平台，成功绘制了全球首个人类细胞图谱（HCL），并建立了人类细胞图谱网站（http://bis.zju.edu.cn/HCL/）。该图谱跨越了胎儿和成人两个时期，涵盖八大系统，包括60种人体组织样品的主要细胞类型，是迄今为止针对人类最全面的细胞图谱，该成果发表于国际顶级期刊Nature。在这项研究中，安诺基因承担了单细胞转录组测序相关工作，这也是安诺基因继2018年在Cell刊发小鼠细胞图谱之后与郭国骥团队合作完成的又一力作~

研究思路

主要研究结果

1. 绘制人类细胞图谱

作者利用Microwell-seq平台对60份汉族人捐赠的组织样本进行单细胞转录组测序，根据得到的702,968个单细胞转录本数据，绘制了t-SNE图谱，共分成了102个细胞亚群和843个细胞子群，构建了迄今为止针对人类最全面的细胞图谱。

图1. 使用Mirowell-seq构建人类细胞图谱（HCL）

（a）Microwell-seq单细胞转录组测序平台工作流程示意图；（b）599,926个HCL单细胞的t-SNE分析（亚群着色）；（c）599,926个HCL单细胞的t-SNE分析（组织着色）；（d）102种细胞亚群的进化树。

通过跨阶段跨组织比较发现，多种成人的上皮、内皮和基质细胞在组织中似乎扮演着免疫细胞的角色。趋化因子阳性（CXCL⁺）上皮细胞、主要组织相容性复合体阳性（MHC class II⁺）内皮细胞和白介素阳性（IL⁺）基质细胞广泛地分布在成人的各种组织器官之中，并在分类上独立于传统的上皮、内皮、基质和免疫细胞。这些非专职的免疫细胞也在兼职行使着免疫功能。研究者认为成年人非免疫细胞中广泛存在的免疫活化是人体区域免疫的重要调节机制。

图2. HCL中非免疫细胞的免疫活化

（a）成人膀胱单细胞数据的t-SNE图；（b）成人膀胱组织内皮细胞标记物PECAM1（CD31）和MHC II类标记物HLA-DR的免疫荧光测定；（c）免疫相关基因在内皮、上皮和基质细胞中的表达热图；（d）人类组织特异性内皮细胞的胞t-SNE图（细胞着色）；（e）人类组织特异性内皮细胞的胞t-SNE图（组织着色）。

3. 构建单细胞水平的人类细胞图谱

本研究通过评估胎儿期和成人期组织细胞类型的相似性来研究人体器官的发育。研究发现，在肾脏和肺部，胎儿期和成人期的上皮、间充质、内皮和免疫细胞在基因表达模式上是相关的。胎儿期和成人期的细胞行轨迹分析反映了胎儿祖细胞到成年成熟细胞的发育历程。

图3. 单细胞人类细胞图谱（scHCL）在干细胞生物学中的应用

（a）scHCL分析流程图；（b）H9衍生胰岛细胞的scHCL分析、（c）H9 / OP9共培养造血细胞的scHCL分析结果；（d）拟胚体基因的表达轨迹分析；（e）脐带血（CD34⁺）细胞的PAGA分析；（f）mPB（CD34⁺）细胞的PAGA分析。

4. 揭示哺乳动物细胞命运决定机制

最后，作者对102种人细胞亚群和104种小鼠细胞亚群进行了跨物种比较，结果显示同源基因表达的细胞类型相似性超过了物种特异性差异，即不同物种中同一细胞类型的基因表达模式是保守的。跨时期、跨组织和跨物种的细胞图谱分析揭示了适于哺乳动物的细胞命运决定机制：干细胞和祖细胞的转录状态混杂且随机，而已分化和成熟细胞的转录状态是分明且稳定的。也就是说，细胞分化经历了一个从混乱到有序的发展过程。

图4. 跨物种比较细胞图谱

（a）人和小鼠细胞类型之间直系同源基因表达的相关性；（b）人和小鼠中细胞类型的Circos图；（c）HCL和小鼠细胞图谱的调节子矩阵识别调节子模块；（d）人regulon活性的t-SNE图；（e）小鼠regulon活性的t-SNE图。

文章小结

本项研究首次从单细胞水平上全面分析了胎儿和成人时期的人体细胞种类，研究数据将成为探索细胞命运决定机制的资源宝库，研究方法将对人体正常与疾病细胞状态的鉴定带来深远影响，有望为临床异常细胞的鉴别和溯源提供有力参照。

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安诺单细胞测序技术总览

参考文献：

Han, X. et al. Construction of a human cell landscape at single cell level[J]. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-020-2157-4 (2020).

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