Dragonfly軟件通過三維重建揭秘蝗蟲、瓢蟲、飛蛾的發(fā)育之謎

論文來源：
Zhou, Hang, Runguo Shu, Chaowei Zhang, Yiqi Xiao, Dong Jing, Jiejing Tang, Zixiong Cao, Xi Chen, Yang Mei和Fei Li. 《Developmental Correspondence of Juvenile Stages across the Locust, Harlequin Ladybird, and Diamondback Moth》. iScience 0, 期 0 (2024年9月10日). 

https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.110898.

在這篇論文中，作者結(jié)合了形態(tài)學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的數(shù)據(jù)，旨在探究半變態(tài)和全變態(tài)昆蟲在幼年發(fā)育階段的對應(yīng)關(guān)系。研究的核心目標(biāo)是揭示蝗蟲、瓢蟲和飛蛾這三種代表性昆蟲在不同變態(tài)策略下，幼年發(fā)育階段在形態(tài)和分子水平上潛在的共性。

1 研究方法
一、微計(jì)算機(jī)斷層掃描（Micro-CT）：
目的：觀察昆蟲幼年階段（蝗蟲的若蟲期，瓢蟲和飛蛾的幼蟲和蛹期）翅膀的形態(tài)變化過程。
過程：樣本處理：使用碘液對昆蟲樣本進(jìn)行染色，以便在掃描中更好地顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
掃描：利用SkyScan 1272桌面型高分辨率micro-CT對樣本進(jìn)行掃描，獲取高分辨率的斷層圖像數(shù)據(jù)。
圖像重建：使用NRecon軟件將斷層圖像數(shù)據(jù)重建為可供分析的三維圖像。

二、數(shù)據(jù)分析-使用Dragonfly軟件
三維結(jié)構(gòu)重建：利用Dragonfly軟件，通過手動(dòng)或Otsu算法對感興趣區(qū)域（ROI）進(jìn)行分割，并計(jì)算組織體積（如翅膀體積）。

可視化：將分割后的ROI轉(zhuǎn)換為三角網(wǎng)格模型，以便進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的可視化呈現(xiàn)。
 

三、發(fā)育轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）：
目的：分析昆蟲在不同發(fā)育階段的基因表達(dá)模式，進(jìn)而探究發(fā)育階段之間的對應(yīng)關(guān)系和進(jìn)化關(guān)系。
過程：樣本收集：在昆蟲的不同發(fā)育階段收集樣本，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)收集三個(gè)生物學(xué)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)包含10個(gè)個(gè)體。
RNA提取和測序：使用試劑盒提取RNA，并利用Illumina HiSeq 2500平臺進(jìn)行測序。
數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)質(zhì)控和處理：使用FastQC和Trim Galore進(jìn)行原始數(shù)據(jù)質(zhì)控和處理。

四、基因表達(dá)定量：使用Hisat2將測序reads比對到參考基因組，并使用featureCounts進(jìn)行基因表達(dá)定量。
差異表達(dá)基因分析和聚類分析：使用DESeq2進(jìn)行差異表達(dá)基因分析，并使用PCA、UMAP和層次聚類等方法對基因表達(dá)模式進(jìn)行聚類分析。
基因功能注釋和富集分析：使用eggNOG-mapper對蛋白質(zhì)序列進(jìn)行功能注釋，并使用clusterProfiler進(jìn)行GO富集分析。
直系同源基因鑒定：使用Orthofinder和OrthoSNAP鑒定單拷貝直系同源基因和SNAP-直系同源基因。
進(jìn)化分析：計(jì)算基因的時(shí)間特異性指數(shù)（Tau）和編碼序列的Ka/Ks比值，以及非編碼序列的Kn/Ks比值，以評估基因表達(dá)動(dòng)態(tài)與物種進(jìn)化的關(guān)系。

2 研究結(jié)論
1. 形態(tài)學(xué)方面：全變態(tài)昆蟲的預(yù)蛹期和蛹期的翅膀發(fā)育過程與半變態(tài)昆蟲的若蟲期相似，都在蛻皮后經(jīng)歷快速生長，然后出現(xiàn)短暫的停滯期。
2. 轉(zhuǎn)錄組學(xué)方面：全變態(tài)昆蟲的預(yù)蛹期和蛹期的基因表達(dá)模式與半變態(tài)昆蟲的若蟲期更相似，而幼蟲期的基因表達(dá)模式則相對獨(dú)立。
3. 進(jìn)化方面：隨著昆蟲物種分化時(shí)間的推移，幼年階段的基因表達(dá)呈現(xiàn)出越來越強(qiáng)的階段特異性。在預(yù)蛹期或蛹期高表達(dá)的基因積累了更多的非同義替換。

Dragonfly軟件在研究中的關(guān)鍵作用
實(shí)現(xiàn)了對micro-CT數(shù)據(jù)的可視化和定量分析。通過三維重建和分割等功能，可以精確測量昆蟲翅膀的體積變化，為形態(tài)學(xué)分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

提高了數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確性。通過自動(dòng)化的分割算法，減少了人為偏差，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

3 結(jié)論
本研究通過結(jié)合形態(tài)學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，揭示了半變態(tài)和全變態(tài)昆蟲在幼年發(fā)育階段的相似性，為昆蟲變態(tài)的進(jìn)化起源提供了新的見解。Dragonfly軟件在微計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為形態(tài)學(xué)觀察和定量分析提供了有力支持。這項(xiàng)研究為深入理解昆蟲變態(tài)的進(jìn)化機(jī)制提供了重要線索。