寄主转换对豌豆蚜生命周期、取食行为和唾液腺基因表达的影响

发布时间：2017-12-30 00:04

本文关键词：寄主转换对豌豆蚜生命周期、取食行为和唾液腺基因表达的影响　出处：《山东农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：昆虫种群为了适应环境的变化和自然选择的压力,会取食不同种类的寄主植物,因此常常形成不同的寄主专化型。在刺吸式口器昆虫中寄主专化性是一个普遍的现象,尤其是在蚜虫中最为典型。豌豆蚜(Acyrthosiphon pisum Harris)(半翅目:蚜科),是一种多食性的具有刺吸式口器的害虫,其寄主植物十分广泛,可以取食多种豆科植物如豌豆、蚕豆、苜蓿等,对农业造成重大损失。迄今为止,依据遗传差异的检测,豌豆蚜至少已经形成11种遗传分化明显的寄主专化型。蚜虫利用口针取食寄主植物韧皮部汁液的同时,其唾液腺会主动分泌唾液进筛管。唾液腺作为豌豆蚜取食寄主植物的主要器官,对蚜虫适应寄主植物有极其重要的作用。然而,唾液腺表达基因在豌豆蚜寄主转换过程中所起的作用至今不为而知,因此,探索蚜虫在不同寄主植物上适合度、取食行为和唾液腺表达基因之间的关系对理解蚜虫如何适应寄主植物是至关重要的。本研究利用长期生活在蚕豆上的豌豆蚜实验种群,通过瞬时转换或长期驯化至其他三种豆科植物(蒺藜苜蓿、苕草、紫花苜蓿)上,系统比较豌豆蚜在这四种不同喜好程度的寄主植物上的生命周期、取食行为以及对应条件下唾液腺基因的表达和响应,揭示豌豆蚜适应不同寄主植物的分子机理。主要研究结果如下:1.经过6个月驯化,发现豌豆蚜在苕草和蒺藜苜蓿上均能驯化成功,而在紫花苜蓿上不能驯化成功。当豌豆蚜适应不同寄主植物后,其个体大小差异显著。以成蚜为例,蚕豆种群个体最大,其次是蒺藜苜蓿驯化种群,个体最小的是苕草驯化种群。2.从瞬时转换生命表数据中可以看出,当瞬时转换至这三种新寄主植物时,净生殖率(R0)、内禀增长率(rm)和周限增长率(λ)都会明显下降,尤其是豌豆蚜在紫花苜蓿上有最低的净生殖率、内禀增长率和周限增长率;而平均世代周期(T)、若蚜期和成蚜期的时间都会明显变长。豌豆蚜蚕豆克隆瞬时转换至紫花苜蓿时,若蚜期有很高的死亡率,高达30%。从长期驯化生命表数据中分析得出,豌豆蚜蚕豆种群有最高的适合度,表现为最高的净生殖率,内禀增长率和周限增长率,最短的平均世代周期,其次是蒺藜苜蓿驯化种群,最差是苕草驯化种群。豌豆蚜蚕豆种群寿命最短(24 d),而苕草驯化种群的寿命(41 d)是蚕豆种群寿命的1.7倍,尤其成蚜期寿命之间差异(1.9倍)最明显。根据生命表数据和豌豆蚜个体差异两方面的结果,均能发现豌豆蚜在不同寄主植物上的适合度从高到低分别是蚕豆、蒺藜苜蓿、苕草和紫花苜蓿。3.利用刺探电位图谱(EPG)技术揭示豌豆蚜蚕豆种群瞬时转换或长期驯化至其他三种寄主植物上的取食行为。当豌豆蚜蚕豆种群瞬时转换至其他三种寄主植物上时,被动取食韧皮部汁液(E2波)所需时间明显下降,非刺探波(np波)的时间会明显增加。另外,当豌豆蚜瞬时转换至苕草寄主植物上时,它需要更多的时间在刺探植物细胞寻找韧皮部汁液上(C波);当豌豆蚜瞬时转换至这两种苜蓿植物上时,口针遇到机械障碍(F波)的时间占很高的比例。经过6个月的驯化,豌豆蚜蒺藜苜蓿和苕草驯化种群的取食行为会有所改善,分泌水状唾液(E1波)和被动取食韧皮部汁液(E2波)的时间增加,同时非刺探波(np波)的时间明显下降。当豌豆蚜在蒺藜苜蓿上稳定存活后,机械障碍波(F波)的比例明显降低。令人吃惊的结果是与瞬时转换至苕草上相比,豌豆蚜在苕草上稳定存活后会花费更多的时间去吸取木质部的水分(G波)。4.不同寄主植物叶片的的显微结构明显不同。豌豆蚜在不同寄主植物上取食行为的差异可能与寄主植物叶片显微结构相关。蚕豆叶片细胞最大,排列疏松;苕草叶片细胞最小,排列最疏松;两种苜蓿叶片细胞排列紧密,尤其是紫花苜蓿的栅栏组织细胞排列最为紧密。5.利用豌豆蚜唾液腺转录组基因表达来揭示豌豆蚜在不同寄主植物上适应性不同的分子机理。以蚕豆种群豌豆蚜唾液腺转录组为对照,比较蚕豆种群瞬时转换至蒺藜苜蓿、紫花苜蓿和苕草5 h后与蚕豆种群唾液腺转录组的差异,分别有411,438和90个基因表达量发生显著变化,其中共同变化的差异基因只有8个,都是共同下调的差异基因,其中包括5个热激蛋白。当蚕豆种群瞬时转换至两种苜蓿植物上时,差异基因的数目相近,基因变化程度相似,并且要比蚕豆种群瞬时转换至苕草上的基因变化程度大得多。经过6个月驯化后,比较蒺藜苜蓿和苕草驯化种群与蚕豆种群唾液腺转录组的差异,分别有156和188个基因表达量发生显著变化。在两个驯化种群中共同变化的差异基因一共72个,其中50个差异基因共同上调和22个差异基因共同下调。不论瞬时转换或长期驯化阶段,均发现豌豆蚜特异差异基因的数目与寄主植物上豌豆蚜的适应性高低成反比。然而,在同种寄主植物上,瞬时转换和驯化时期豌豆蚜唾液腺共同变化的差异基因非常少,大部分(80%以上)差异基因都只存在于瞬时转换状态或者驯化状态下。6.从定量验证过的差异基因中挑选出基因ACYPI27259进行功能研究,发现蒺藜苜蓿驯化种群注射ds27259与注射dsGFP相比,饲养在蒺藜苜蓿叶片上存活率没有明显变化;而饲养在蚕豆叶片上存活率有明显差异,在两种寄主植物上取食行为都没有明显变化。总之,本研究从生存、取食行为和唾液腺基因表达三方面研究了豌豆蚜寄主转换的可塑性,取食行为和分子机理。研究结果为未来选育抗虫植物新品种、发展新型的蚜虫控制对策具有重要的理论和实践意义。
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【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S433

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