研發處首頁研究成果 >分子農業新里程:賀臺大昆蟲學系發育遺傳學研究團隊參與蚜蟲基因體解析榮登生命科學頂尖期刊首頁

邁向頂尖大學

本校生農學院昆蟲學系張俊哲副教授所率領之研究團隊,在過去兩年間加入國際蚜蟲基因體聯盟 (International Aphid Genomics Consortium),參與蚜蟲基因體計畫。本項跨國計畫研究成果,發表於最新一期生命科學頂尖期刊「PLoS Biology」(過去五年平均影響係數 14.662;生物學領域排名第一)。難能可貴的是,本篇論文成為當期之主題文章,而期刊封頁之主題圖片 (feature image) (圖一),正是由張副教授研究團隊 (圖二) 所提供。

 

蚜 蟲基因體由美國貝勒醫學院 (Baylor College of Medicine) 的人類基因體定序中心 (Human Genome Sequence Center) 進行定序,主要參與國為美、法、日等國;全球總共約有十餘國的科學家參與蚜蟲基因體計畫。張俊哲副教授在整個研究計畫中被賦予擔任「生殖基因組」組長之重 任,統籌蚜蟲生殖基因之註解工作 (annotation)。除此之外張副教授與團隊成員呂曉鈴博士生還參與發育基因之分析,作為研究蚜蟲生殖與早期發育之重要分子基礎。

 

由於蚜蟲基因體解碼為大型研究計畫,基因體序列蘊含之豐富生物資訊,非一篇研究論文所能涵蓋。因此,參與基因體計畫之研究單位,將獨立分析與研究之成果投稿 至「昆蟲分子生物學」(Insect Molecular Biology) 期刊,由該期刊將審核接受之稿件匯集成「蚜蟲基因體專刊」。在專刊當中,張副教授與其博士生黃廷宇同學針對蚜蟲胚胎前端如何決定,以及頭部之形成發表重要 論文,揭櫫〝鐘樓怪人〞(hunchback) 基因在蚜蟲胚胎前端特化可能扮演之新角色;另外,團隊成員呂曉鈴、林季瑋兩位博士班同學,偕同張副教授參與由日本國家基礎生物學研究所 (National Institute of Basic Biology) 主導之發育基因解析工作,也同時發表於專刊當中。除了上述兩大科學期刊,有關本次蚜蟲全基因體定序與解析之消息亦披露於英、美、日、西班牙、紐西蘭等國之 媒體。

 

基因體序列被喻為「生命之書」,或是「生命之操作手冊」。對蚜蟲這個重大農業害蟲而 言,蚜蟲基因體解碼對瞭解其特殊之生活史,以及進行蟲害防治具有極大之助益。據張副教授表示: 蚜蟲為半翅目昆蟲,以刺吸式口器吸吮植物汁液,並藉此傳播病毒。蚜蟲具有性與無性世代,世代之轉換,受光照週期調控。當蚜蟲大發生時,以「孤雌生殖胎生」 之方式繁衍,其繁殖速率甚為驚人。在校總區農場所栽培之金針花被黃花粉蚜佈滿時,由遠眺還以為整棵植株正在繁花盛開!目前蚜蟲有性與無性世代切換之分子機 制仍屬未知,不過在擁有整個基因體之序列資料庫後,即可利用功能性基因體 (functional genomics) 工具,對蚜蟲世代交替、傳播病毒、與內共生菌之代謝關係等機制進行分子層次之解析。換言之,若有一天可找到有性與無性世代之「切換序列」,就有希望把蚜蟲 維持在生殖週期長達 3、4 個月的有性世代,大幅降低蚜蟲數量,達到顯著之防治果效。

 

 

 

圖一、由臺灣大學昆蟲學系張俊哲老師研究室提供的照片榮登甫出刊的 PLoS Biology 期刊首頁。攝影:吳士緯同學;蟲源提供:林季瑋同學。圖解請詳見期刊網頁。

圖二、臺灣大學發育遺傳學研究團隊參與本次蚜蟲基因體研究發表成員。(由左至右) 黃廷宇同學、張俊哲老師、呂曉鈴同學、林季瑋同學。

 

目前已知之蚜蟲多達 5000 餘種,本次之基因體定序以豌豆蚜 (Acyrthosiphon pisum) 為目標物種,主要原因在於其過往累積之研究資料較為豐富,而且其體積較大,利於解剖操作。單套的豌豆蚜基因體具有 4 條染色體 (3 條體染色體加上 1 條性染色體),總長約有 4.6 億個鹼基對。這項定序與分析的工作,在比較基因體學 (comparative genomics) 方面具有重大意義,因為這是目前所發表之昆蟲基因體序列中,屬於最基礎的半變態 (hemimetabolous) 之昆蟲序列 (例如:相較於蚜蟲,果蠅則為高度分化之完全變態昆蟲),這對於了解昆蟲基因體之全貌,頗有參考價值。由張副教授得知,當整個蚜蟲基因體聯盟成員開會研商 分析成果時,最令大家驚訝的是蚜蟲的基因體出現其他已知昆蟲基因體所沒有的大規模基因重複 (gene duplication) 現象,約有 2000 個基因家族 (gene families) 具此特色!例如生殖基因 vasa 在蚜蟲基因體中竟然出現 4 個同源基因,這是在果蠅、家蠶、蜜蜂、甲蟲等昆蟲基因體中所未曾發現的。或許上述大規模之基因重複現象,正反映蚜蟲複雜之生活史。然而,解析這些重複基因 的功能,也將成為分子生物學家未來的重大挑戰。

 

對於能夠參與本次之跨國合作計畫並獲致重大的 成果,張副教授與其研究團隊非常感謝國科會與農委會防檢局之經費支持,同時他們也特別感謝中研院邢禹依研究員的水稻基因體研究室,由於他們的經驗分享,使 張副教授團隊在參與蚜蟲基因體分析之初步階段,面對龐大的基因體資料庫能由手忙腳亂到順利上手;當然,蚜蟲基因體聯盟組成員積極無私地分享分析成果,並且 排除萬難地進行合作,也是計畫順利完成之關鍵。

 

自 2002 年迄今,張副教授已有三篇論文受刊登於國際學術期刊封面 (2002 年:非洲沙漠飛蝗;2006、2010 年:豌豆蚜蟲)。有趣的是,這些封面圖片的主角都屬「非模式物種」(non-model organisms)。據張副教授分享:所有的「模式物種」都來自於「非模式物種」;而且研究非模式物種常常可發現令人意想不到的現象與生物學意涵,這正 是研究的樂趣之一。雖然研究非模式物種所能使用之分子工具相當有限,而且大部分需自行開發;但挑戰之所在,也是成就感之所在。盱衡目前危害農作甚鉅、造成 糧食危機之害蟲絕大部份都屬於非模式物種!或許蚜蟲基因體之研究,對研究其他重要農業害蟲具有某程度之參考與啟發。

 

 

 

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