高等白蚁品级分化及巢友识别机制研究

发布时间：2020-06-02 00:07

【摘要】：1黄翅大白蚁品级分化机制研究社会性昆虫白蚁存在明显的品级分化现象,且不同种类白蚁的品级分化存在差异:高等白蚁的品级分化往往比低等白蚁更加复杂。目前对高等白蚁品级分化产生机制的研究仍相对较少。鉴于此,本文以一种品级系统十分复杂的高等白蚁——黄翅大白蚁Macrotermes barneyi Light为研究对象,开展了高等白蚁品级分化机制的研究。主要结果如下:(1)差异表达基因对品级分化的影响通过分析黄翅大白蚁5个未成熟品级(若蚁、大小先工蚁和大小先兵蚁)的转录组数据,可知大先兵蚁(126个基因上调,42个基因下调)和若蚁(66个基因上调,56个基因下调)中差异表达基因数量最多,表明这两个未成熟品级在巢群中的“特殊地位”。各个未成熟品级中均有许多差异表达基因与品级特异性表型相关,例如品级分化、生殖(如Vtg基因)、能量代谢等相关基因在若蚁中显著高表达,免疫、抗氧化等相关基因在大先兵蚁中显著高表达,肌肉相关基因(如TnC基因)在大小先兵蚁中显著高表达,肌肉、表皮结构等相关基因在大小先工蚁中显著高表达。采用RNAi技术沉默若蚁的卵黄原蛋白基因Vitellogenin(Vtg)后,发现若蚁羽化时间提前,羽化率升高。沉默小先兵蚁肌钙蛋白C基因Troponin C(TnC)后,发现其运动能力下降,体内ATP含量升高;而沉默大先工蚁TnC基因后,发现其运动能力升高,体内ATP含量下降;这表明TnC基因可能在黄翅大白蚁的小先兵蚁和大先工蚁中的功能有所不同,具有品级特异性。由此可见,差异表达基因可能是调控未成熟阶段品级特异性表型发育的重要因素。(2)基因共表达对若蚁特异性表型的影响在分析5个未成熟品级转录组数据的基础上,利用WGCNA法共鉴定到17个基因共表达模块,其中Module 4中显著聚集了若蚁的差异表达基因,包括与若蚁品级分化、生殖、能量代谢、免疫等表型相关的基因;在黄翅大白蚁的5个未成熟品级中只有若蚁可以发育为生殖品级,因此将生殖表型与17个模块进行关联分析,发现Modules 4与生殖表型关联最密切。上述结果表明,聚类在Module 4中基因的共表达可能参与调控若蚁特异性表型,包括生殖、免疫和能量代谢等表型。(3)可变剪切对先兵蚁和先工蚁肌肉发育的影响通过可变剪切位点的鉴定和筛选发现,先兵蚁(122个可变剪切位点)和先工蚁(106个可变剪切位点)特异性可变剪切位点数量均较多,而且大量发生可变剪切的基因与肌肉功能相关(先兵蚁:63个可变剪切位点位于22个基因;先工蚁:48个可变剪切位点位于10个基因)。通过RT-PCR验证发现,位于MHC、PDZ-LIM domain protein和Titin等3个肌肉发育基因的跳跃外显子可变剪切转录本在先兵蚁中显著低表达,位于Tensin基因的5’端可变剪切转录本在先兵蚁和先工蚁中显著低表达。若蚁特异性的可变剪切位点数量较少(33个可变剪切位点),而且发生可变剪切的基因与若蚁特异性表型无密切关系。由此可见,黄翅大白蚁先兵蚁和先工蚁的肌肉发育可能受到可变剪切的调控,而若蚁特异性表型较少受到可变剪切的调控。(4)保幼激素和5-羟色胺水平对品级分化的影响保幼激素III(juvenile hormone III,JH III)水平在若蚁中显著更低,这有利于若蚁向有翅生殖蚁发育;JH III水平在先兵蚁中显著更高,这有利于先兵蚁向兵蚁发育。5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)水平在5个未成熟品级中存在显著差异(先兵蚁先工蚁若蚁),这与5个未成熟品级的肌肉水平和在巢群中承担的保卫职能有密切关系。JH III和5-HT在5个未成熟品级之间的水平差异表明其可能在黄翅大白蚁的品级分化与发育过程中发挥作用。综上所述,黄翅大白蚁的差异表达基因、基因共表达、可变剪切、保幼激素和5-羟色胺等指标均存在品级特异性,在未成熟阶段参与调控黄翅大白蚁的品级分化。2黑翅土白蚁巢友识别机制研究社会性昆虫通过“识别线索”判断对方是否为同巢个体的现象称为巢友识别。目前对社会性昆虫识别机制的研究主要针对异巢或天敌个体,而对白蚁同巢个体识别机制的研究较少,尤其是抗生素及与气味识别和神经递质传导相关的基因是否影响白蚁巢友识别尚不清楚。因此,本文选择我国地下白蚁优势种——黑翅土白蚁Odontotermes formosanus Shiraki为研究对象,开展了高等白蚁巢友识别机制的研究。主要结果如下:(1)抗生素对黑翅土白蚁巢友识别的影响饲喂氨苄青霉素24 h后,处理组1(氨苄青霉素处理的1头工蚁vs水处理的5头工蚁)同巢工蚁间撕咬和后退行为持续时间显著高于对照组(水处理的1头工蚁vs水处理的5头工蚁)。饲喂四环素24 h后,处理组1(四环素处理的1头工蚁vs水处理的5头工蚁)同巢工蚁间撕咬、抖动、后退行为的持续时间均显著或边缘显著高于处理组2(四环素处理的1头工蚁vs四环素处理的5头工蚁)和对照组。可见,氨苄青霉素和四环素可以干扰黑翅土白蚁巢友识别,诱导同巢工蚁间的威胁行为(抖动和后退)和攻击行为(撕咬)。(2)转录组测序筛选黑翅土白蚁巢友识别相关基因从黑翅土白蚁工蚁头部转录组数据库中,筛选嗅觉共同受体基因olfactory receptor co-receptor(Orco)和5-羟色胺转运体基因5-HT transporter(5-HTT)为巢友识别相关候选基因,从116,885个Unigene中筛选出Orco的直系同源基因Unigene55916和5-HTT的直系同源基因Unigene 49370,开展后续的候选基因功能研究。(3)Orco基因对黑翅土白蚁巢友识别的影响Orco基因在黑翅土白蚁工蚁触角中的表达水平显著高于足、头部和胸腹部。沉默Orco基因24 h后,白蚁体内Orco基因表达水平显著下降,处理组1(dsOrco处理的1头目标工蚁vs dsGFP处理的5头非目标工蚁)和处理组2(dsOrco处理的1头目标工蚁vs dsOrco处理的5头非目标工蚁)同巢工蚁间撕咬、抖动和后退3种行为的持续时间均显著高于对照组(dsGFP处理的1头目标工蚁vs dsGFP处理的5头非目标工蚁)。可见,Orco基因表达量下降会导致工蚁“气味”感受能力下降,破坏巢友识别能力,导致巢友间攻击行为(撕咬)和威胁行为(抖动和后退)增加。(4)5-HTT基因对黑翅土白蚁巢友识别的影响5-HTT基因在黑翅土白蚁工蚁触角中的表达水平显著高于足、头部和胸腹部。沉默5-HTT基因24 h后,白蚁体内5-HTT基因表达水平显著下降,处理组1(ds5-HTT处理的1头目标工蚁vs dsGFP处理的5头非目标工蚁)和处理组2(ds5-HTT处理的1头目标工蚁vs ds5-HTT处理的5头非目标工蚁)的同巢工蚁间撕咬、抖动和后退3种行为的持续时间均显著高于对照组(ds GFP处理的1头目标工蚁vs dsGFP处理的5头非目标工蚁)。可见,5-HTT基因表达量下降可能影响了工蚁神经元对5-HT的重吸收,导致了巢友间攻击行为(撕咬)或威胁行为(抖动和后退)增加。综上所述,抗生素(氨苄青霉素和四环素)、Orco和5-HTT基因表达量下降均可影响黑翅土白蚁的巢友识别,这为深入揭示高等白蚁的巢友识别机制奠定了基础。
【图文】：

路线图,品级,分化机制,研究技术

黄翅大白蚁品级分化机制研究技术路线图

示意图,品级,形态学指标,未成熟

绘制黄翅大白蚁的生活史示意图（图 1.3）。经鉴定后的未成熟品级虫体置于 1.5 mL冻存管中，在液氮中速冻并于-80°C 保存备用。收集巢体 1-5 的未成熟品级个体用于转录组测序、qRT-PCR 验证、RT-PCR 验证、JH III 和神经递质 MRM 检测等研究。本章使用的巢体 6-11 在 2018 年 3 月-5 月采集于湖北省武汉市、湖南省长沙市、江西省吉安县。从不同巢体中挑选若蚁、小先兵蚁、大先工蚁，，用于基因 Vtg 和 TnC的功能验证。巢体采集点信息及使用情况如表 1.1 所示。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q963

【参考文献】