筛豆龟蝽对温度变化的响应及其生理生化机制

发布时间：2020-11-19 14:03

　　 筛豆龟蝽是大豆等豆科农作物的重要害虫,以成虫、若虫聚集在寄主植株的茎秆、叶片背面和嫩荚上吸取汁液为害,同时其排泄物引起植株霉污,影响光合作用,可对寄主植物造成严重危害。该害虫主要分布于澳洲、亚洲及北美洲,近年来其危害区域呈进一步扩展蔓延趋势。环境温度是影响昆虫生长发育、存活、繁殖、发生规律、分布以及扩散区域范围的主要环境因素。在全球气候变暖的大背景下,深入了解筛豆龟蝽对环境温度变化的响应及其发生动态,对其潜在分布区的预警和综合管理具有重要意义。本文从筛豆龟蝽对环境温度适应性的角度,系统开展温度对筛豆龟蝽实验种群生长发育主要生物学、生态学指标影响及其生理生化机制的相关研究,以期为诠释筛豆龟蝽自然种群对气候变化的响应和适应机制,为其种群动态的预测预报、环境适生性评价及科学防控提供理论依据。主要研究结果如下:1、筛豆龟蝽成虫温区的划分和过冷却点。晒豆龟蝽成虫温区划分为:低温致死区-5.30℃,亚低温致死区-5.84℃~2.82℃,适温区2.10℃~34.64℃,亚高温致死区34.64℃~41.40℃,高温致死区41.40℃。雌、雄成虫过冷却点为分别为-8.48℃和-7.71℃。筛豆龟蝽雌成虫对高、低温耐受力均强于雄成虫。2、温度对筛豆龟蝽生长发育有显著影响。在19℃~31℃范围内,随着温度的升高,卵及各龄若虫发育历期缩短,当温度达到一定高度时有所延长。筛豆龟蝽完成整个世代需要的发育起点温度和有效积温分别为12.52℃和2595.73 CDD。筛豆龟蝽发育和繁殖的适宜温度范围为19℃~28℃。生命表分析结果显示,25℃时筛豆龟蝽种群趋势指数、净增殖率和内禀增长率均为最高,最有利于其种群增长。3、筛豆龟蝽成虫能源物质、代谢关键酶及抗氧化酶均受温度显著影响。筛豆龟蝽可以通过积累体内的能源物质以提高自身对阶段性高温的耐受能力,通过调节呼吸代谢强度适应温度变化,呼吸代谢消耗以糖类为主。筛豆龟蝽的SOD、CAT、POD 3种抗氧化酶的活力、T-AOC总抗氧化能力和MDA含量在不同温度和时间之间均存在显著变化,但不同指标对温度胁迫具有不同的响应,筛豆龟蝽成虫可以有效处理热应激诱导的ROS。4、本试验采用高通量测序平台(Illumina Hiseq)对筛豆龟蝽成虫进行转录组测序、序列组装及生物信息学分析。一共获得了93959条Unigenes,N50长度为1368 bp,最终获得14073个有注释信息的Unigenes。25℃和37℃温度处理响应差异表达基因一共有267条,上调表达176条,下调表达91条。16℃与25℃相比,有9条上调表达基因。而16℃和37℃响应差异表达基因一共有531条,其中上调表达256条,下调表达275条。KEGG代谢途径分析表明,高温差异表达基因主要富集在氨基酸的生物合成,氧化磷酸化,心肌收缩,内质网中的蛋白质过程等代谢通路上。筛选出16条热激蛋白相关的差异基因,主要在内质网蛋白加工通路上和内吞作用通路上。该研究结果为后续生物信息学分析及筛豆龟蝽对温度适应性关键基因发掘及机制的揭示提供了基础数据。5、利用iTRAQ技术对筛豆龟蝽成虫25℃和37℃处理后的蛋白质组学分析,共获得2105个具有能注释的蛋白质。通过分析,得到12个差异蛋白,其中6个上调表达,6个下调表达。通过生物信息学对差异蛋白进行功能分析,这些差异蛋白主要参与到了剪接体、FoxO信号通路、核糖体、ABC转运蛋白、过氧化物酶体和内质网中的蛋白质加工等代谢等通路上。对其转录组和蛋白质组数据关联分析发现,蛋白和mRNA差异表达的基因有25个,其中蛋白和mRNA表达趋势相同的基因1个。这些差异基因/蛋白功能涉及MAPK信号传导,内质网蛋白加工,内吞作用,缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成,花生四烯酸代谢及ABC转运蛋白代谢等,为后续基因功能研究和代谢通路研究奠定基础。6、筛豆龟蝽对温度变化响应的生理生化机制:在最适温区,筛豆龟蝽各种代谢环节处于最协调状态,能量的消耗最低。当温度升高或降低时,为适应新的环境温度,筛豆龟蝽会调节呼吸强度,协同体内多种抗氧化酶,调动能量代谢以抵御不良环境温度的胁迫。在高温压力下,筛豆龟蝽会加快呼吸速率,以消耗糖类物质为主,提高抗氧化酶活性。分子方面,与能量生产与转换、糖类转运和代谢等相关的差异基因在氨基酸的生物合成,氧化磷酸化和内质网中的蛋白质过程的富集,糖酵解代谢关键酶GAPDH显著上调表达。SOD蛋白显著富集,可能在筛豆龟蝽氧化还原状态调控上发挥了更重要的作用。另一方面热激蛋白迅速积累也在高温条件下发挥重要作用。在低温压力下,筛豆龟蝽呼吸速率降低,代谢减缓,相关酶活力下降。本研究仅初步探讨了筛豆龟蝽对环境温度响应的生理生化机制,进一步的深入了解还需要在组织、细胞和分子水平上展开系统研究探索。
【学位单位】：吉林农业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S433.3
【部分图文】：

筛豆龟蝽成虫背面观（A）和腹面观（B）

图 2 筛豆龟蝽若虫（2-5 龄）Fig.2 Development of M. cribraria nymphs from secend instar (left) to fifth instar (right)卵：长 0.5～0.8 mm，宽 0.2～0.4 mm，略呈圆桶状，一端为假卵盖，微拱起，另一端钝圆，表面具纵沟。初产时为白色，之后颜色逐渐变深，到孵化前为褐色，孵化后卵壳为初产时的白色[29]。图 3 筛豆龟蝽卵和初孵若虫

图 3 筛豆龟蝽卵和初孵若虫Fig.3 Egg(A) and newly emerged(B) M. cribraria first instars.3 年生活史筛豆龟蝽在浙江兰溪年发生 3 代，河南年发生 2～3 代[17]，在美国，一年发生 2 代[30]成虫在寄主植物附近的枯枝落叶下或者附近的房屋越冬。在浙江，筛豆龟蝽第二年 5 开始活动，5 月中旬开始交尾，5 月下旬陆续迁入春大豆田，6 月中旬为第 1 代若虫期，7 月上旬出现第 1 代成虫高峰，7 月下旬至 8 月上旬为第 2 代若虫高峰期，8 月
【参考文献】

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本文编号：2890081