کشف راز بقای جان‌سخت‌ ساس‌ با نقشه‌برداری ژنومی بی‌نظیر

نقشه‌برداری از ژنوم‌های مقاوم و حساس به حشره‌کش در ساس‌ها

دانشمندان ژنوم‌های نزدیک به بدون شکاف و نزدیک به بدون خطا از یک نژاد ساس حساس و یک نژاد فوق‌مقاوم که حدود ۲۰,۰۰۰ برابر بیشتر در برابر حشره‌کش‌ها مقاوم است، نقشه‌برداری کردند. این تحقیق، جامع‌ترین نگاه را به دامنه کامل جهش‌های مقاومتی آن‌ها ارائه می‌دهد. نتایج این مطالعه در نشریه Insects منتشر شده است.

اگرچه شواهدی مبنی بر انتقال بیماری‌ها توسط ساس‌ها به انسان‌ها وجود ندارد، اما نیش آن‌ها می‌تواند باعث خارش و عفونت‌های ثانویه پوستی شود. استفاده گسترده از حشره‌کش‌ها، از جمله DDT که اکنون ممنوع شده است، تا دهه ۱۹۶۰ تقریباً جمعیت این حشرات خون‌خوار را از بین برد و آلودگی‌ها را نادر کرد. اما در ۲۰ سال گذشته، جهان شاهد بازگشت آن‌ها بوده است که بخشی از آن به جهش‌های مقاومتی مربوط می‌شود که در برابر این حشره‌کش‌ها توسعه یافته‌اند.

مقاومت می‌تواند از طریق مکانیزم‌های مختلفی ایجاد شود، مانند تولید آنزیم‌هایی که حشره‌کش‌ها را سم‌زدایی می‌کنند (مقاومت متابولیک) یا توسعه لایه‌های بیرونی ضخیم‌تر برای مسدود کردن مواد شیمیایی (مقاومت نفوذی). مطالعات گذشته برخی از جهش‌ها و بیان‌های ژنی مرتبط با مقاومت به حشره‌کش‌ها را شناسایی کرده‌اند. با این حال، دامنه کامل جهش‌هایی که باعث مقاومت می‌شوند، هنوز ناشناخته است، زیرا هیچ تحقیقی ژنوم کامل نژادهای مقاوم به حشره‌کش را توالی‌یابی نکرده است.

یک تیم تحقیقاتی به رهبری هیدماسا بونو، استاد دانشگاه هیروشیما در مدرسه تحصیلات تکمیلی علوم یکپارچه برای زندگی، ژنوم‌های نژادهای حساس و مقاوم ساس را از ژاپن نقشه‌برداری کردند تا این شکاف را پر کنند. آن‌ها نژادهای حساس را از ساس‌های وحشی (Cimex lectularius) که ۶۸ سال پیش در مزارع شهر ایزاهایا، ناگازاکی جمع‌آوری شده بودند، به دست آوردند. در عین حال، نژادهای مقاوم از نمونه‌هایی که در سال ۲۰۱۰ از یک هتل در شهر هیروشیما جمع‌آوری شده بودند، پرورش داده شدند.

آزمایش‌های آن‌ها نشان داد که نمونه‌های مقاوم ۱۹,۸۵۹ برابر در برابر پیریتروئیدها، که رایج‌ترین حشره‌کش برای کنترل ساس‌ها است، مقاوم‌تر بودند و این سطح از مقاومت فراتر از آنچه در بسیاری از نژادهای فوق‌مقاوم قبلاً شناسایی شده بود، بود. تمام نمونه‌ها توسط شرکت Fumakilla Limited، یک شرکت تولید مواد شیمیایی مستقر در ژاپن، تأمین شده است.

تکه‌های پازل ژنوم

توالی‌یابی یک ژنوم مانند جمع‌آوری یک پازل بزرگ است که می‌تواند از حدود ۱۶۰,۰۰۰ تا ۱۶۰ میلیارد تکه تشکیل شده باشد. برای نقشه‌برداری از کامل‌ترین ژنوم‌های ساس تا به امروز، محققان از روش نوآورانه توالی‌یابی بلندخوان استفاده کردند که بخش‌های طولانی‌تری از DNA را ثبت می‌کند – شبیه به اینکه بخش‌های کامل پازل کنار هم قرار داده شده‌اند. در مقابل، توالی‌یابی کوتاه‌خوان سنتی فقط بخش‌های کوچکی را پوشش می‌دهد که اغلب منجر به شکاف‌های ناامیدکننده می‌شود.

تحقیقات جدید در مورد ژنوم ساس‌های مقاوم به آفت‌کش‌ها

محققان توانستند تصویری تقریباً کامل از دو ژنوم تهیه کنند و تقریباً هر قطعه را در جای مناسب خود قرار دهند. آنها به ۹۷.۸٪ کامل بودن و کیفیت ارزش (QV) 57.0 برای سویه حساس و ۹۴.۹٪ کامل بودن و QV 56.9 برای سویه مقاوم دست یافتند. یک QV بالای ۳۰ نشان‌دهنده توالی‌های با کیفیت بالا و نرخ خطای کمتر از ۰.۱٪ است. هر دو سویه همچنین از ارزش N50 ژنوم مرجع موجود C. lectularius، Clec2.1، که در تلاش‌های قبلی توالی‌یابی به دست آمده بود، فراتر رفتند، که به معنای وجود شکاف‌های کمتر و بخش‌های کامل‌تر در پازل ژنوم است.

شناسایی جهش‌های مقاومت جدید

پس از توالی‌یابی کامل ژنوم‌ها، تیم تحقیقاتی ژن‌های کدکننده پروتئین را شناسایی کرده و عملکرد آنها را تعیین کردند و بررسی کردند که آیا این ژن‌ها از طریق تحلیل رونویسی فعال هستند یا خیر. آنها ۳,۹۳۸ رونوشتی را با ناهماهنگی‌های آمینو اسیدی کشف کردند. از این تعداد، ۷۲۹ رونوشتی که جهش یافته بودند به مقاومت در برابر آفت‌کش‌ها مرتبط بودند. “ما توالی ژنوم ساس‌های مقاوم به آفت‌کش را تعیین کردیم که نسبت به ساس‌های حساس ۲۰,۰۰۰ برابر بیشتر مقاوم بودند. با مقایسه توالی‌های آمینو اسیدی بین ساس‌های حساس و مقاوم، ۷۲۹ رونوشتی را شناسایی کردیم که جهش‌های خاص مقاومت داشتند” گفت کوهی توگا، نویسنده اول این مطالعه و پژوهشگر پسادکتری در Laboratory of Genome Informatics دانشگاه HU.

“این رونوشته‌ها شامل ژن‌های مرتبط با پاسخ به آسیب DNA، تنظیم چرخه سلولی، متابولیسم انسولین و عملکردهای لیزوزوم بودند. این نشان می‌دهد که این مسیرهای مولکولی ممکن است نقشی در توسعه مقاومت به پیریتروئیدها در ساس‌ها داشته باشند.”

با استفاده از مطالعات قبلی در مورد حشرات، محققان جهش‌های مقاومت شناخته شده را تأیید کرده و جهش‌های جدیدی را کشف کردند که می‌تواند به استراتژی‌های کنترل آفات هدفمند و مؤثر کمک کند. “ما تعداد زیادی از ژن‌ها را شناسایی کردیم که احتمالاً در مقاومت به آفت‌کش‌ها نقش دارند و بسیاری از آنها قبلاً به عنوان مرتبط با مقاومت در ساس‌ها گزارش نشده بودند. ویرایش ژنوم این ژن‌ها می‌تواند بینش‌های ارزشمندی در مورد تکامل و مکانیسم‌های مقاومت به آفت‌کش‌ها فراهم کند” توگا افزود. “علاوه بر این، این مطالعه دامنه ژن‌های هدف برای نظارت بر توزیع و تغییرات فراوانی آلل را گسترش می‌دهد که می‌تواند به طور قابل توجهی به ارزیابی سطوح مقاومت در جمعیت‌های وحشی کمک کند. این کار پتانسیل رویکردهای سرتاسری ژنوم را در درک مقاومت به آفت‌کش‌ها در ساس‌ها نشان می‌دهد.”

دیگر اعضای تیم تحقیقاتی شامل فومیکو کیموتو و هیرکی فوجی هستند که کارمندان شرکت فوماکیلا می‌باشند.