高温对两种捕食性盲蝽的影响及黑肩绿盲蝽的基因组分析

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黑肩绿盲蝽(Cyrtorhinus lividipennis)和中华淡翅盲蝽(Tytthus chinensis)为稻田中两种习性、分布、体型相似的捕食性天敌,主要以飞虱、叶蝉等半翅目害虫的卵为食,是水稻生态系统中重要的内禀生物防治因子。随着全球气候的变化,近百年来大气温度不断升高,极端高温事件频发,不仅会影响生物个体的生长发育,还可能打破竞争、捕食、寄生等种间关系的平衡,从而对生物多样性和生态系统功能造成严重的影响,给农业生产过程中的生物防治带来严峻挑战。本研究以上述两种捕食性天敌为对象,对两者在不同温度下的发育、体重、寿命、产卵量等种群生物学参数进行了观测,探究了不同温度条件下两者的捕食能力和种群数量变化,并初步比较研究了两者在高温胁迫下的分子响应机制,对进一步了解全球变暖对天敌生物学、种间关系及生物防治的影响具有重要意义;我们还对黑肩绿盲蝽的基因组进行了测序、组装、注释和比较基因组学分析,为天敌和盲蝽科昆虫的研究提供了重要的分子生物学基础。全文的主要研究成果如下:1.比较了两种捕食性盲蝽及共同猎物褐飞虱的耐热能力,测定了不同温度下两种盲蝽的适合度变化。结果表明,中华淡翅盲蝽的极端高温下的半致死时间为18.59 h,单位时间内的半致死温度为46.31℃,在这三种试虫中最高,表明其耐热能力最强;褐飞虱的半致死时间和半致死温度分别为5.27 h和45.74℃;黑肩绿盲蝽的半致死时间和温度仅为1.59 h和44.35℃,为三者最低。Briere’s回归模型拟合结果显示,中华淡翅盲蝽若虫的最适发育温度和临界最高发育温度分别为34.57℃和40.28℃,而黑肩绿盲蝽的分别为32.83℃和36.11℃,且中华淡翅盲蝽的发育温度区间更大,高温下的发育速度更快。各生物学参数的测定结果显示,两种盲蝽的体重、寿命、繁殖力和孵化率均受到温度升高的显著影响。从种间比较来看,26℃时黑肩绿盲蝽的体重显著高于中华淡翅盲蝽,且寿命、繁殖力和孵化率也优于中华淡翅盲蝽(不显著)。但随着温度的升高,黑肩绿盲蝽的适合度优势相对中华淡翅盲蝽逐渐下降,38℃时繁殖和孵化能力几乎完全丧失,体重也显著低于中华淡翅盲蝽。2.研究了两种盲蝽在不同温度下的捕食能力,并观察了不同变温条件下两种盲蝽的种群数量变化。研究结果显示,温度的升高并未引起两种盲蝽功能反应类型的改变,不同温度下的两盲蝽对褐飞虱卵的功能反应均可通过Holling II圆盘方程进行拟合。然而高温对两种盲蝽功能反应强度的影响并不一致,黑肩绿盲蝽雌虫的最大捕食量由26°C时的36.63粒/日下降为38°C时的29.85粒/日,但中华淡翅盲蝽的最大捕食量则由34.25粒/日(26℃)上升至40.49粒/日(38℃)。从种间的比较来看,26℃时黑肩绿盲蝽的捕食能力略强于中华淡翅盲蝽,但两捕食者间的差异并不显著;38℃时中华淡翅盲蝽的捕食能力明显强于黑肩绿盲蝽,其瞬时攻击率显著更高而猎物处理时间显著更短。另外,高温还显著削弱了黑肩绿盲蝽的猎物搜寻能力,但对中华淡翅盲蝽的影响不大。为更接近田间实际情况,我们通过设置三种不同的变温条件,研究了不同温度对两种盲蝽的综合性影响。当两种盲蝽不存在种间竞争时,中华淡翅盲蝽的子代羽化数量随着温度的升高而升高,而黑肩绿盲蝽则先升高后显著降低,两者在高温条件下子代种群数量差异显著,但其他温度下无显著性差异;当两种盲蝽存在种间竞争时,黑肩绿盲蝽在低温条件下种群数量显著高于中华淡翅盲蝽,而随着温度的升高,黑肩绿盲蝽的种群占比逐渐降低,优势捕食者在高温下最终转变为中华淡翅盲蝽。3.完成了两种盲蝽不同温度处理下转录组的测定,并根据转录本序列信息和差异分析结果对两盲蝽热激蛋白(HSP)基因家族进行了分析和比较。转录组差异分析结果显示,高温胁迫下多条HSP基因发生显著上调,且显著性和上调倍数均较高,说明HSP基因与两种盲蝽应对高温胁迫的相关性较高。在中华淡翅盲蝽的转录组中,共鉴定得到HSP基因19条,其中2条HSP70基因和3条HSP20基因在各虫态受到高温胁迫后均显著上调;在黑肩绿盲蝽转录组中,共鉴定得到HSP基因17条,同样有2条HSP70基因和3条HSP20基因在各虫态受到高温胁迫后显著上调。通过q RT-PCR进一步对上调HSP基因的表达模式进行分析后发现,当处理时间为1 h时,随着温度的升高,两盲蝽体内的HSP的相对表达量均呈现先升高后降低的趋势,中华淡翅盲蝽和黑肩绿盲蝽分别于44℃和42℃左右达到最高,说明耐热能力强的物种HSP基因的最高诱导温度也较高,这与之前的研究一致;而当处理温度固定为38℃时,随着时间的延长,中华淡翅盲蝽HSP基因的相对表达量均于3 h内达到峰值,随后逐步降低并保持稳定,而黑肩绿盲蝽HSP基因达到诱导峰值的时间较长,诱导倍数相对较低。4.完成了黑肩绿盲蝽基因组的测定、组装、注释和分析。通过Pac Bio、Illumina、Hi-C平台对水稻重要捕食性天敌黑肩绿盲蝽的基因组进行了测序、组装和染色体挂载,最终得到染色体水平基因组大小345.75 Mb,scaffold N50长度27.58 Mb,染色体挂载率达97.78%,重复序列占基因组全长的31.10%。通过Giemsa染色法对精巢细胞制片观察,发现黑肩绿盲蝽性别决定机制为XY型,核型组成2n=24(22+XY),雄性减数分裂行为呈盲蝽科典型的无交叉后减数分裂。结合三种证据对基因组进行注释,共得到蛋白编码基因14,644条,基因平均长度1.3 kb,其中78.5%的序列得到了功能描述。对17种节肢动物的比较基因组学分析结果显示,黑肩绿盲蝽与绿盲蝽A.lucorum约在0.67亿年前发生分化。通过与其他半翅目昆虫的比较,我们未发现黑肩绿盲蝽解毒酶及消化酶相关基因家族的明显收缩或扩增,而这些基因家族似乎与半翅目昆虫的食性相关性更高,在杂食性盲蝽A.lucorum基因组中扩增较明显。从基因组中鉴定出的HSP基因数量远高于转录组,且序列完整性更高。这些HSPs表现出不同的表达模式,其功能值得进一步研究。
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