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蝗虫微孢子调控飞蝗白化和肠道微生物群落的分子机制

谭树乾  
【摘要】:聚集的蝗蝻和成蝗是农作物的主要威胁。研究发现,蝗虫微孢子不仅可以调控飞蝗种群中亚致死状态飞蝗的行为,也可以促使飞蝗型态变化,使其从群居型向散居型转变,从而有效控制蝗灾的暴发。本文利用CCD成像系统和ImageJ软件对感染蝗虫微孢子的飞蝗前胸背板的灰度和斑点面积进行观察和统计分析;采用生化分析和qRT-PCR等技术分别比较了病虫和健虫真黑色素的含量以及与黑色素合成相关的关键基因的表达量;通过转录组分析了浅色和黑色型飞蝗中与黑色素合成相关的基因差异;利用高通量测序技术鉴定并分析了蝗虫微孢子对飞蝗后肠细菌群落结构的影响及其分子机理。主要研究结果如下:1.飞蝗感染蝗虫微孢子病原后,体色有明显白化趋势,在浓度2×104孢子/虫的微孢子侵染3龄蝗虫8天后,试验种群中的黑色型飞蝗比例显著减少,浅色型飞蝗数量显著增多,且感染蝗虫微孢子(2×105孢子/虫)16天后,飞蝗胸部和腹部体壁中真黑色素含量分别降低75.85%和63.05%。感染蝗虫微孢子的飞蝗亦可使同一环境中饲养的健康飞蝗的体色变浅。感染微孢子后飞蝗体壁的黑色素合成前体多巴胺的含量因酚氧化酶活性降低而明显减少,而且参与多巴胺合成的henna和pale基因表达量分别下调76.61%和35.25%。2.接种蝗虫微孢子后发现,浅色型飞蝗的死亡率高于黑色型飞蝗。进一步的试验表明,浅色型飞蝗酚氧化酶活性显著低于黑色型,而黑色型飞蝗免疫血淋巴细胞数量显著高于浅色型。浅色型飞蝗丝氨酸蛋白酶抑制剂基因(serpin)上调明显,不仅促进飞蝗白化,而且导致飞蝗免疫能力下降。感染蝗虫微孢子16天后浅色型飞蝗后肠定殖的蝗虫微孢子数量显著高于黑色型,达3.68倍。3.对群居的浅色和黑色型飞蝗转录组比较分析后,共获得差异表达基因120个。通过蛋白BLAST,我们共得到4个丝氨酸蛋白酶基因,分别为LOCMI02805、LOCMI07234、LOCMI15039和LOCMI08944,并且均属于下调基因(以黑色型飞蝗作为对照)。差异基因的GO富集分析中最显著三个GO均属于分子功能(Molecular Function),其中基因绝大多数与体壁结构组成相关,说明黑白两表型的体壁形成过程存在较大差异,且主要集中在体壁蛋白结构方面。差异基因的KEGG富集通路主要涉及糖类物质代谢和免疫途径。过氧化酶体通路和P450解毒通路中的两个基因LOCMI09257和LOCMI16988分别发生了上调和下调,会导致过氧化物减少和P450通路解毒能力下降,为白化的飞蝗免疫力下降提供了证据。4.利用高通量测序技术鉴定并分析了飞蝗后肠细菌群落的结构,发现蝗虫微孢子可以降低飞蝗后肠细菌群落的丰富度和多样性。健康飞蝗(实验室种群)后肠中鉴定到41个OTU(Operational Taxonomic Units),但是在病虫体内仅发现23个。蝗虫微孢子(2×104孢子/虫)侵染飞蝗8天和16天后飞蝗后肠的过氧化物酶活性降低,但是超氧化物歧化酶的活性没有发生显著变化;飞蝗后肠对蝗虫微孢子的免疫反应开始于接种后第4天,且蝗虫后肠的过氧化物酶(peroxidase) mRNA表达量降低,抗菌肽基因(attacin)mRNA的表达量升高。研究基本明确了蝗虫微孢子对飞蝗的白化作用及其分子机理:同时发现群居浅色型飞蝗的免疫能力要显著低于黑色型飞蝗,主要与其免疫血淋巴细胞及酶基因的差异有关,转录组分析也发现了与体色和免疫相关的差异表达基因;蝗虫微孢子促使飞蝗种群中的浅色型数量增多,有利于其在飞蝗种群中的传播和流行;感染蝗虫微孢子病原后,参与飞蝗型变的肠道细菌群落的丰富度和多样性明显下降,这与影响微生物生长发育的过氧化物酶和抗菌肽基因的表达量变化有关。研究结果为进一步开展微孢子调控飞蝗型变机理的深入研究提供了数据和依据。


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