不同海拔麦长管蚜对温度和寄主变化的响应及其遗传和分子基础

发布时间：2020-10-08 21:11

　　 全球气候变化导致地表温度升高,影响植物的物候、地理分布以及丰富度,这能严重干扰自然生态系统和农业生态系统。然而,关于蚜虫响应气候变化的研究较少。因此,本研究结合生态学和分子生物学方法,测定了我国秦岭不同海拔麦长管蚜(Sitobion avenae)在15℃、22℃和29℃处理条件下的生活史性状,比较了不同海拔麦长管蚜在麦类和草类寄主植物上的适应性,分析了不同海拔麦长管蚜体内共生菌组成和含量以及种群遗传多样性和遗传结构,检测了不同海拔麦长管蚜在转录水平上对温度和寄主植物变化的响应,旨在明确秦岭不同海拔麦长管蚜对温度和寄主植物变化的响应情况及其遗传和分子基础。主要研究结果如下:1、高温(即29℃)条件下,高海拔麦长管蚜的存活率显著低于中海拔或低海拔麦长管蚜,而且高海拔麦长管蚜比低海拔和中海拔麦长管蚜更易发育为有翅蚜。生活史性状可塑性分析显示,低温(即15℃)条件下低海拔麦长管蚜一龄若虫发育历期、四龄若虫发育历期、若虫总发育历期和繁殖前期的可塑性显著高于中海拔或高海拔麦长管蚜;高温(即29℃)处理下低海拔麦长管蚜二龄若虫发育历期、三龄若虫发育历期、繁殖前期和十天产蚜量的可塑性显著低于中海拔或高海拔麦长管蚜;说明不同海拔麦长管蚜应对温度变化时其可塑性存在显著差异,并能发挥重要作用。而且,低温(即15℃)对中海拔麦长管蚜的一龄若虫发育历期可塑性、三龄若虫发育历期可塑性或若虫总发育历期可塑性具有直接选择作用;高温(即29℃)对高海拔麦长管蚜一龄、三龄和四龄若虫发育历期的可塑性有直接正向选择作用。另外,相比于高海拔麦长管蚜,低海拔麦长管蚜在22℃下的若虫发育历期和繁殖前期显著缩短,繁殖力(即十天产蚜量)显著增强;表明不同海拔麦长管蚜对特定温度条件的适应性存在明显差异。上述结果说明,不同海拔麦长管蚜对全球变暖背景下温度变化的响应会明显不同。2、低海拔麦长管蚜在雀麦和黑麦上若虫发育迟缓、繁殖前期延长、死亡率升高以及繁殖力降低,说明低海拔麦长管蚜对雀麦和黑麦的适应性低于小麦和大麦;而较长的一龄若虫发育历期、若虫总发育历期和繁殖前期以及较低的存活率和繁殖力说明高海拔麦长管蚜在大麦和黑麦上的适合度较低。另外,相比于高海拔麦长管蚜,低海拔麦长管蚜在小麦、大麦或黑麦上的若虫发育历期和繁殖前期显著缩短,十天产蚜量显著增加;说明低海拔麦长管蚜对三种测试寄主的适应性较强。生活史性状可塑性分析显示,雀麦上低海拔麦长管蚜一龄若虫发育历期、三龄若虫发育历期和繁殖前期的可塑性显著高于高海拔麦长管蚜;相比于高海拔麦长管蚜,低海拔麦长管蚜在大麦上呈现较高的四龄若虫发育历期和繁殖前期可塑性;黑麦上高海拔麦长管蚜三龄若虫发育历期、四龄若虫发育历期、若虫总发育历期、繁殖前期或十天产蚜量的可塑性显著高于低海拔麦长管蚜;这说明不同海拔麦长管蚜在应对寄主植物变化时其可塑性也存在显著差异。而且,大麦的直接选择能导致低海拔麦长管蚜的四龄若虫发育历期可塑性和10天产蚜量可塑性降低;黑麦的直接选择可增加低海拔麦长管蚜的四龄若虫发育历期可塑性,但会降低一龄若虫发育历期可塑性;在多数情况下,环境变化(即寄主植物改变)未对高海拔麦长管蚜生活史性状的可塑性表现出直接选择作用,仅黑麦对其成虫体重可塑性具有直接、正向的选择作用。以上结果说明,不同海拔麦长管蚜对常见麦类和草类寄主植物的适应性明显不同,而且不同海拔麦长管蚜通过改变可塑性应对寄主植物变化的能力也存在差异,从而可能对气候变暖背景下麦长管蚜在秦岭山脉的寄主转换和垂直分布造成显著影响。3、16s rDNA V3-V4区测序发现,拟杆菌门和芽单胞菌门仅在低海拔蚜虫中被检测出,绿弯菌门、异常球菌-栖热菌门、硝化螺旋菌门和柔膜菌门仅发现于高海拔蚜虫中;高海拔麦长管蚜体内莫拉菌科的相对丰度显著高于中海拔或低海拔麦长管蚜;与低海拔麦长管蚜相比,高海拔麦长管蚜体内立克次氏体或U型共生细菌的相对丰度显著降低;这些结果说明不同海拔麦长管蚜体内共生菌的组成和含量存在明显差异。这会显著影响不同海拔麦长管蚜种群之间的遗传分化。确实,微卫星DNA标记分析显示,平均等位基因(N_A)、基因多样性(Hs)和基因丰富度(AR)在不同海拔麦长管蚜之间都存在明显差异,表明这些麦长管蚜种群存在高水平的遗传变异。低海拔地区仙游寺(XYS)和石龙庙(SLM)种群、中海拔地区的杨下村种群(YXC)以及高海拔地区的五里坡种群(WLP)的观测杂合度(Ho)高于期望杂合度(He),表现出杂合子过剩。然而,其它种群的近交系数(F_(IS))均为正值。高海拔地区大店子种群(DDZ)与低海拔地区仙游寺种群(XYS)、高海拔地区五里坡种群(WLP)与中海拔地区大梁沟种群(DLG)以及低海拔地区仙游寺种群(XYS)与中海拔地区大梁沟种群(DLG)间的分化指数(F_(ST))大于0.15,种群间具有高水平的遗传分化。另外,麦长管蚜从低海拔地区到高海拔地区的迁移率远高于其反方向的迁移率,麦长管蚜在中海拔和高海拔地区也呈现出非对称迁移;不一致的迁移可能促进麦长管蚜种群遗传结构的改变。这些结果说明秦岭不同海拔麦长管蚜的遗传多样性和遗传结构存在差异,遗传分化明显。因此,不同海拔麦长管蚜响应温度和寄主植物等环境变化的能力差异具有明显的遗传基础。4、小麦上麦长管蚜P450s基因(如SaveCYP6A13、SaveCYP4C1和SaveCYP4G15)的表达显著增加,说明P450s是麦长管蚜代谢小麦次生物质的关键解毒酶。大麦上麦长管蚜SaveUGT2B1、SaveUGT2C1和SaveUGT2B4表现出较高的表达水平;同时,大麦还能显著诱导SaveABCG1、SaveABCG4、SaveABCB7和SaveABCA5的表达;这表明UGTs和ABC转运蛋白可能在麦长管蚜代谢大麦次生物质过程中发挥重要作用。并且,差异表达基因还包括氧化酶、蛋白酶和表皮蛋白等其它防御相关蛋白的编码基因。上述差异表达基因可能直接影响麦长管蚜的寄主转换、寄主利用和寄主专化性。qRT-PCR分析发现,大麦上低海拔麦长管蚜SaveCYP4C1、SaveCYP4G15和SaveABCC4-1的表达量显著低于小麦或雀麦,而高海拔麦长管蚜SaveCYP4C1、SaveCYP4G15和SaveABCC4-1的表达量在大麦和小麦之间、大麦和雀麦之间的差异未达到显著水平。小麦、雀麦或黑麦上低海拔麦长管蚜SaveCYP6A13、SaveCYP4G15和SaveEsterase E4的表达量显著高于高海拔麦长管蚜;在大麦上,高海拔麦长管蚜SaveEsterase E4的表达量显著低于低海拔麦长管蚜;而且,多元方差分析(MANOVA)显示解毒基因的表达量在不同海拔麦长管蚜之间存在显著差异。此外,与22℃相比,15℃处理条件下高海拔麦长管蚜SaveHSP70B2的表达量显著增加、SaveHSC70的表达量显著降低;但是,15℃和22℃处理条件下低海拔麦长管蚜SaveHSP70B2和SaveHSC70的表达量的差异未达到显著水平。同时,29℃下高海拔麦长管蚜SaveHSP60、SaveHSP70或SaveHSC70的表达量显著高于低海拔麦长管蚜;相比于低海拔麦长管蚜,15℃处理条件下高海拔麦长管蚜SaveHSC70和SaveHSP83的表达量显著降低。因此,不同海拔麦长管蚜在转录水平上对温度和寄主植物变化的响应有明显区别,说明不同海拔麦长管蚜对温度和寄主植物等环境变化的响应具有明显的分子基础;研究结果对理解蚜虫响应环境变化的分子机理具有重要意义。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S435.122.2
【部分图文】：

西北农林科技大学博士学位论文而，麦长管蚜的死亡率在 15℃或 22℃饲养条件下未发生显著性变化。在 22℃饲养下，高海拔麦长管蚜的存活率（97.04%）显著低于中海拔（99.35%； 2= 4.04；df = 1 = 0.044）或低海拔麦长管蚜（100%； 2= 9.15；df = 1；P = 0.003），这与 29℃饲养下的表现一致（低海拔：中海拔：高海拔 = 97.78%：95.00%：87.66%； 2= 22.18.61；df = 1；P < 0.01）；然而，在 15℃饲养条件下，不同海拔麦长管蚜的死亡率相似

第二章 不同海拔麦长管蚜对温度变化的响应1；P = 0.027）；高海拔麦长管蚜在 22℃（28.99%）饲养条件下的有翅率显著低于 29℃（41.56%； 2= 5.59；df = 1；P = 0.018）。在 29℃饲养条件下，高海拔麦长管蚜的有翅率（41.56%）显著高于低海拔（25.28%； 2= 13.57；df = 1；P < 0.001）或中海拔（26.07%； 2= 11.03；df = 1；P < 0.001）麦长管蚜，而有翅率在中海拔和高海拔麦长管蚜之间没有显著差异；在 22℃饲养条件下，低海拔麦长管蚜的有翅率（18.30%）显著低于高海拔麦长管蚜（28.99%； 2= 7.23；df = 1；P = 0.007），中海拔与高海拔以及中海拔与低海拔麦长管蚜有翅率的差异未达到显著性水平；在 15℃饲养条件下，不同海拔麦长管蚜的有翅率未发生显著变化。

222-3 不同海拔麦长管蚜十天产蚜量（A）和成虫体重（B）的比较（柱上不同字母表据在 = 0.05 水平上存在显著差异，Tukey 检验）Fig. 2-3 Comparisons of 10-d fecundity (A) and adult weight (B) for Sitobion avenae fromdifferent altitudes under 15℃, 22℃ and 29℃ treatments (different letters above bar indicasignificant differences at the = 0.05, Tukey tests)

本文编号：2832761