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)學和轉(zhuǎn)錄組學的數(shù)據(jù)，旨在探究半變態(tài)和全變態(tài)昆蟲在幼年發(fā)育階段的對應關(guān)系。研究的核心目標是揭示蝗蟲、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、微計算機斷層掃描（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，通過手動或Otsu算法對感興趣區(qū)域（ROI）進行分割，并計算組織體積（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)育階段的基因表達模式，進而探究發(fā)育階段之間的對應關(guān)系和進化關(guān)系。
過程：樣本收集：在昆蟲的不同發(fā)育階段收集樣本，每個時間點收集三個生物學重復，每個重復包含10個個體。
RNA提取和測序：使用試劑盒提取RNA，并利用Illumina HiSeq 2500平臺進行測序。
數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)質(zhì)控和處理：使用FastQC和Trim Galore進行原始數(shù)據(jù)質(zhì)控和處理。
四、基因表達定量：使用Hisat2將測序reads比對到參考基因組，并使用featureCounts進行基因表達定量。
差異表達基因分析和聚類分析：使用DESeq2進行差異表達基因分析，并使用PCA、UMAP和層次聚類等方法對基因表達模式進行聚類分析。
基因功能注釋和富集分析：使用eggNOG-mapper對蛋白質(zhì)序列進行功能注釋，并使用clusterProfiler進行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。
進化分析：計算基因的時間特異性指數(shù)（Tau）和編碼序列的Ka/Ks比值，以及非編碼序列的Kn/Ks比值，以評估基因表達動態(tài)與物種進化的關(guān)系。
2 研究結(jié)論
1. 形態(tài)學方面：全變態(tài)昆蟲的預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)錄組學方面：全變態(tài)昆蟲的預蛹期和蛹期的基因表達模式與半變態(tài)昆蟲的若蟲期更相似，而幼蟲期的基因表達模式則相對獨立。
3. 進化方面：隨著昆蟲物種分化時間的推移，幼年階段的基因表達呈現(xiàn)出越來越強的階段特異性。在預蛹期或蛹期高表達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)分析的效率和準確性。通過自動化的分割算法，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)學和轉(zhuǎn)錄組學數(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)的進化起源提供了新的見解。Dragonfly軟件在微計算機斷層掃描數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為形態(tài)學觀察和定量分析提供了有力支持。這項研究為深入理解昆蟲變態(tài)的進化機制提供了重要線索。
