两种烟粉虱隐种在江苏的发生及对温度和药剂胁迫响应的比较研究

来源 :扬州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wormchen
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烟粉虱Bemisia tabaci(Gennadius)隶属半翅目Hemiptera、粉虱科Aleyrodidae,是世界蔬菜、棉花和园林观赏植物上的一类重要害虫,同时也是一个至少包含44个隐种的物种复合体,其中烟粉虱中亚小亚细亚1(Middle East-Asia Minor 1,MEAM1)隐种(B型烟粉虱)和地中海(Mediterranean,MED)隐种(Q型烟粉虱)是最具入侵性的两种烟粉虱隐种,目前这两个隐种已广泛分布在除南极洲之外的100多个国家和地区,给世界及我国的农业生产造成严重的经济损失。已有研究表明,烟粉虱MED隐种比MEAM1隐种具有更强的入侵性和竞争能力。在影响烟粉虱不同隐种竞争取代的诸多因子中,环境温度和化学农药作为两种典型的非生物影响因子的作用不容忽视。本研究首先通过对江苏地区农田生态系统的调查,明确2015-2019年在江苏地区烟粉虱的发生危害情况及不同隐种的演替;然后对温度和杀虫剂胁迫下这两种烟粉虱隐种转录组和胁迫相关关键基因(热激蛋白基因,hsps和细胞色素P450基因,CYP450s)的序列和表达进行比较研究,探究这两种烟粉虱隐种竞争力强弱的分子证据;最后对烟粉虱MED隐种中热激蛋白基因和细胞色素P450基因的功能进行分析,探讨与这两类胁迫相关关键基因在烟粉虱MED隐种抵抗外界胁迫过程中的作用。主要研究结果如下:(1)2015-2019年对江苏地区烟粉虱的发生危害调查和隐种演替监测的结果表明:2016年和2017年烟粉虱在江苏地区农田生态系统中发生危害情况较轻,2015年、2018年和2019年烟粉虱发生危害较重。烟粉虱隐种类型只有烟粉虱MED隐种和MEAM1隐种,且5年的MED隐种占比在86.5%-95.6%之间,表明在江苏地区农田生态系统中发生的烟粉虱主要为MED隐种。此外,隐种比例动态变化说明这两种烟粉虱隐种在自然界存在竞争关系。(2)温度和药剂胁迫下两种烟粉虱隐种死亡率测定表明,在同等的胁迫条件下烟粉虱MED隐种死亡率要显著低于MEAM1隐种。此外,在这两个胁迫因子下两种烟粉虱隐种转录组比较研究结果表明,这两种烟粉虱隐种具有相似的差异表达基因数目;同时GO、COG和KEGG相关通路富集分析表明,这两种烟粉虱隐种在温度和药剂胁迫下具有相似的胁迫应对机制,涉及“跨膜运输”、“催化活性”、“碳水化合物运输和代谢”、“次生代谢物的生物合成、运输和分解代谢”、“翻译后修饰、蛋白质周转、伴侣和翻译”、“溶酶体”和“药物代谢-其他酶”的差异表达基因被显著地富集。而层次聚类分析热图表明,胁迫相关关键基因(热激蛋白基因和细胞色素P450基因)基因簇的表达模式在这两种烟粉虱隐种中呈现出显著差异。(3)采用 RACE(Rapid-amplification of cDNA ends)从烟粉虱MED 隐种中克隆得到4条新的热激蛋白基因(Bt-MEDhsp70-3、Bt-MEDhsp19.5、Bt-MEDhsp19.2和Bt-MEDhsp21.3)和5条新的细胞色素P450基因(Bt-MEDCYP4c1、Bt-MEDCYP4g15、Bt-MEDCYP6dz3、Bt-MEDCYP6ep1和Bt-MEDCYP302a1)全长,并使用相同的引物从烟粉虱MEAM1隐种中也得到了这4条热激蛋白基因(Bt-MEAM1hsp70-3、Bt-MEAM1hsp19.5、Bt-MEAM1hsp19.2 和 Bt-MEAM1hsp21.3)和其中4条的细胞色素P450 基因(Bt-MEAM1CYP4c1、Bt-MEAM1CYP4g15、Bt-MEAM1CYP6dz3 和Bt-MEAM1CYP302a1)全长。序列分析发现,这些基因在这两种烟粉虱隐种中序列相似性都高达95%以上,且这8条hsps和9条CYP450s与包括烟粉虱在内的半翅目昆虫中对应的家族基因都具有较高的序列相似性和同源性。同时也使用相同的引物对获得的基因进行qPCR分析,表达比较研究表明,不同高温胁迫下,两种烟粉虱隐种中4条hsps都能被显著诱导表达,且具有相同的表达模式,但是在MED隐种中的基因表达倍数要显著更高。在两种药剂(噻虫嗪和阿维菌素)胁迫下,两种烟粉虱隐种中CYP450酶的活性都能够显著升高;在噻虫嗪杀虫剂的胁迫下,烟粉虱MED隐种中BtCYP4c1、BtCYP6dz3和BtCYP6ep1能够被诱导上调表达,而在阿维菌素杀虫剂的胁迫下,MED隐种中BtCYP4c1和BtCYP6ep1能够被诱导上调表达,BtCYP4g15和BtCYP6dz3则被诱导下调表达。但是在这两种药剂胁迫下,MEAM1隐种中仅有BtCYP4c1能够被诱导上调表达。(4)烟粉虱MED隐种两类与胁迫相关的关键基因功能分析表明:高温胁迫不同处理时间会影响到4条hsps的表达模式,而药剂胁迫能够抑制4条hsps的表达,进而提高烟粉虱MED隐种在高温胁迫下的死亡率;高温胁迫能够促进5条CYP450s的上调表达,从而显著增强CYP450酶的活性,进而提高烟粉虱MED隐种在药剂胁迫下的存活率。此外,通过饲喂法RNA干扰分别敲低了 4条hsps和2条CYP450s(BtCYP4c1和BtCYP6ep1)的表达,从而显著降低了烟粉虱MED隐种在高温和噻虫嗪药剂胁迫下的存活率。本研究通过对江苏地区农田生态系统中烟粉虱发生危害和隐种的系统调查,揭示了烟粉虱MED和MEAM1隐种存在竞争关系,并在温度和杀虫剂这两种非生物因子胁迫下,对这两种烟粉虱隐种转录组和相关关键基因的比较研究,从分子层面进一步证实烟粉虱MED隐种在温度和药剂影响下更具优势,从而解释了烟粉虱MED隐种能够成为烟粉虱优势隐种的原因。研究结果为揭示烟粉虱隐种之间的竞争取代分子机制研究具有重要基础理论意义。此外,本研究基于烟粉虱MED隐种胁迫相关关键基因的功能分析,将有助于理解烟粉虱胁迫条件下的适应性机制,并有助于指导生产实际中采用针对性的防控策略,为烟粉虱的综合防治提供理论指导。
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