景观基因组学的研究进展及其在害虫综合治理中的应用

随着测序技术和生物信息学的快速发展,昆虫基因组学及其相关研究成果与日俱增。把农田景观要素嵌入基因组结构、适应性遗传变异和基因功能的研究,揭示在特定景观背景下害虫适应性和致害性的分子机理,是景观基因组学与害虫治理研究的新领域。景观基因组学是景观生态学与种群基因组学的交叉学科,旨在探究生物对所处环境适应性的遗传基础;研究重点是在环境因子的选择作用下,考察和分析物种的适应性进化及群体之间的基因流和遗传漂变;研究方法可以概括为空间采样策略的设计、分子标记的使用、数据的采集与分析。本文概述了景观基因组学的研究现状,包括近年来的主要研究发现和成果,并进一步阐述了景观基因组学在昆虫抗药性治理、保护性生物防控、全球气候变化背景下的害虫综合治理等方面的应用及前景,旨在促进更加有效地开展可持续的害虫综合治理,减少化学农药的使用,促进作物安全生产。

Protaphelinus, a newly recorded genus of Aphelinidae(Hymenoptera: Chalcidoidea) from China

The genus Protaphelinus Mackauer （Hymenoptera： Aphelinidae） is recorded for the first time from China and Protaphelinus nikolskajae （Yasnosh） is redescribed in detail and illustrated by macrophotography. This is the parasitoid specifically associated with the gall-making aphid, Pemphigus borealis Tullgren （Aphidoidea： Pemphyidae） found on the poplar tree （Populus sp.） in Wudalianchi, Heilongjiang Province.

取食不同食物对小菜蛾幼虫肠道细菌多样性的影响

【目的】植食性昆虫肠道细菌的组成与其食物密切相关。本研究旨在探究小菜蛾Plutella xylostella幼虫肠道细菌多样性与其取食食物之间的关系以及它们之间相互适应的过程。【方法】本研究选取小菜蛾人工饲料品系(S)及其转寄主到结球甘蓝Brassica oleracea var. capitata、结球白菜Brassica rapa subsp. pekinensis和花椰菜Brassica olerocea var. botrytis饲养后第1代(分别为G1C, G1CC和G1WC)和第3代(分别为G3C, G3CC和G3WC)的4龄幼虫,提取小菜蛾肠道细菌基因组DNA,利用Illumina MiSeq二代高通量测序技术,分析其肠道细菌多样性和丰度。【结果】α多样性指数分析发现,取食不同食物的小菜蛾4龄幼虫肠道细菌多样性高低顺序为G1WC>G1CC>S>G1C。在菌群组成上,以人工饲料为食的S样品肠道细菌主要由厚壁菌门(Firmicutes)组成,转寄主植物后的G1C, G1CC和G1WC肠道中厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度显著下降,G1C和G1CC小菜蛾肠道中变形菌门(Proteobacteria)相对丰度显著上升成为优势菌群,G1WC肠道中拟杆菌门(Bacteroidetes)成为优势菌群。在寄主植物上连续饲养3代后,与第1代相比,小菜蛾肠道细菌α多样性指数没有显著性改变,但在结球甘蓝和结球白菜上小菜蛾肠道菌群结构却发生了变化,相比G1C,G3C肠道中芽孢杆菌目(Bacillales)的相对丰度显著下降;相比G1CC, G3CC肠道中放线菌门(Proteobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)的相对丰度均显著上升。【结论】取食人工饲料和不同寄主植物的小菜蛾幼虫肠道细菌多样性和群落构成存在显著差异,寄主植物对小菜蛾肠道微生物的结构组成具有重要的影响,且小菜蛾肠道微生物对寄主植物可能存在一个长期适应的过程。本研究为进一步探讨影响小菜蛾肠道细菌变化的因素,以及后续研究肠道细菌与寄主植物之间的互作奠定了良好的基础。

茶园周边景观格局对茶小绿叶蝉种群遗传结构的影响

【目的】研究不同茶园茶小绿叶蝉Empoasca onukii种群的遗传分化和基因流格局,探究其种群遗传结构差异和扩散特点及其与茶园景观格局的关系。【方法】以福建省安溪县为研究区域,在运用ArcMap10.5和R软件包raster分析研究区域景观组成和结构的基础上,选取周边景观格局不同的18个茶园采集茶小绿叶蝉(530个个体),基于23个微卫星位点对这些个体进行PCR扩增和基因型测定,采用ARLEQUIN 3.5.2,FSTAT 2.9.3和R软件包adegenet 2.0.0分析其遗传多样性和遗传分化情况;采用STRUCTURE 2.3.4和R软件包adegenet 2.0.0中的DAPC程序分析其种群遗传分化;利用BAYESASS 3.0.4估算种群间最近几代的迁移率;同时利用景观遗传学的统计方法Mantel、距离矩阵多元回归模型(MRM)和一般线性模型(GLMM)将茶小绿叶蝉种群遗传分化与景观组成和景观结构的空间数据进行关联分析。【结果】供试18个茶小绿叶蝉种群的23个微卫星位点的等位基因数为9~52,等位基因丰富度(AR)为3.686~4.397,基因多样性(DIV)为0.676~0.734,期望杂合度(He)为0.659~0.729。聚类分析显示,有大量森林生境的西北部5个相邻样点的种群组成一个类群,有大量居民点和其他作物田分布的东北部的5个相邻样点的种群分为两个类群,而集约化种植模式明显的南部样点的种群也分成两个类群。两两种群间的Nei氏遗传距离为0.042~0.984,Provesti氏遗传距离为0.207~0.650,遗传分化指数FST为0.002~0.222。BAYESASS分析显示,种群间的现时基因流(Nm)相对较低,介于0.007~0.180,而在种群内部的基因流介于0.674~0.854。在此基础上,Mantel和距离矩阵多元回归模型分析显示,地理距离和采样点周围1000 m范围内草地面积占比是与茶小绿叶蝉种群遗传分化有关的两个关键因子;一般线性模型分析进一步证实茶小绿叶蝉种群遗传分化与这两个关键因子线性关系显著,茶小绿叶蝉种群遗传多样性与采样点周围半径1000 m范围内草地面积占比线性关系显著。【结论】结果说明研究区域内茶小绿叶蝉种群形成了明显的遗传分化结构和地理距离隔离格局,异地种群间现时基因交流受限明显,因此推测茶小绿叶蝉其自主扩散能力比较有限,不具有远距离迁飞的习性。茶园周围1000 m范围内草地生境对茶小绿叶蝉种群的遗传多样性具有积极作用,茶园周边景观组成和尺度范围可能通过影响茶小绿叶蝉种群的扩散和定殖过程而与其种群遗传结构相关联。

节肢动物内共生菌Wolbachia的研究进展

沃尔巴克氏体Wolbachia为母系传播的胞内共生菌,可通过对宿主产生多种调控方式扩大其自身在宿主种群的传播。据推测,有40%~60%的节肢动物都感染有Wolbachia,并可根据不同株系间的系统发育关系将其分为多个超群。为了有助于深入研究Wolbachia对其宿主的调控方式及其调控机制及提出更为有效的害虫生物防治策略,本文综述了节肢动物内共生菌Wolbachia的研究现状。1924年Wolbachia被报道首次发现于尖音库蚊Culex pipiens的生殖组织中,1971年确认其与宿主的胞质不亲和现象有关。Wolbachia可以通过胞质不亲和、杀雄、雌性化、孤雌生殖等作用方式调控宿主的生殖。除生殖调控之外,Wolbachia对宿主的调控方式还包括调控宿主新陈代谢、抵制病原菌、影响宿主生殖力等。Wolbachia调控的胞质不亲和现象可用“修饰-营救”(modification-rescue)模型解释,且已有与Wolbachia诱导宿主胞质不亲和相关的功能基因被报道。w Mel株系是首个公布全基因组序列的Wolbachia株系,随后又有数十种不同株系的Wolbachia基因组陆续被破译。w Mel株系Wolbachia可起到抑制登革热病毒传播的作用;同时,Wolbachia和昆虫不育技术的结合对白纹伊蚊Aedes albopictus野外种群起到良好的控制效果。鉴于目前节肢动物内共生菌Wolbachia的研究现状,我们认为未来应开展以下研究:(1)Wolbachia基因组及生殖调控作用关键功能基因的研究;(2)Wolbachia与宿主间互作机制的研究;(3)Wolbachia在生物防治方面的应用。

植物介导的害虫RNA干扰

应用植物介导的昆虫RNAi进行害虫防治近10年来受到了广泛的关注,其作用机理包括两个阶段,首先是害虫靶标基因dsRNA在植物体内的表达、运输和贮存,然后是害虫取食该植物后,dsRNA特异性抑制害虫体内靶标基因的表达。目前,植物介导的昆虫RNAi主要针对鳞翅目、鞘翅目和同翅目害虫,可以引起害虫生长发育的异常,导致死亡/繁殖力下降,甚至影响到其子代的生长。影响植物介导昆虫RNAi效率的因素主要包括害虫靶标基因的选择、dsRNA靶定位点及长度、植物表达dsRNA载体的结构和转基因植物的遗传转化方式等。植物介导昆虫RNAi防治害虫的策略也面临着潜在的安全性问题,如转基因植物安全性和RNAi潜在脱靶性等。随着植物介导昆虫RNAi技术的成熟,该方法有望成为害虫防治的新策略。

微小RNA和长链非编码RNA介导的昼夜节律调控

非编码RNA(ncRNA)是生物体细胞内一类重要的调控分子,其介导的昼夜节律调控日益受到研究者的重视。本文主要以黑腹果蝇Drosophila melanogaster和哺乳动物的相关研究为背景,阐述了微小RNA(miRNA)和长链非编码RNA(lncRNA)对昼夜节律的调控。miRNA介导的昼夜节律调控包括:生物体内(尤其是钟神经元中)具有节律性表达的miRNA;输入系统和miRNA存在相互调控,这主要是通过光照这个授时因子起作用;miRNA可直接调控核心振荡器,还可以调控其他基因而间接影响到核心振荡器;miRNA对输出系统的调控主要集中在代谢取食节律、运动节律、睡眠节律等。昼夜节律可调控lncRNA的表达,同时lncRNA也可调控昼夜节律,且lncRNA对基因调控范围广,作用机制复杂,这些都具有广阔的研究前景。本文将有助于进一步深入研究ncRNA对昼夜节律的调控。

小菜蛾基因组中内源性逆转录病毒元件PxERV的发现与特征分析

【目的】内源性逆转录病毒(endogenous retroviruses,ERVs)是一类在宿主基因组中世代留存的有类似病毒结构的序列元件。本研究在通过前期小菜蛾Plutella xylostella精巢转录组分析发现一个小菜蛾内源性逆转录病毒元件PxERV的基础上,探究该逆转录病毒元件的序列特征及侵染活性,为探明内源性逆转录病毒对小菜蛾的影响奠定基础。【方法】利用生物信息学方法分析鉴定了PxERV在小菜蛾基因组上的序列及结构特点,并用基因克隆和测序得到PxERV的env基因序列;进一步通过MEGA6软件构建了昆虫env基因编码的氨基酸序列与核型多角体病毒包膜糖蛋白的系统发育树。利用qPCR技术检测了env基因在小菜蛾G88品系不同发育时期虫体和精巢中的表达模式及FZ品系成虫和G88品系的成虫和幼虫中env基因拷贝数的变化。利用CRISPR/Cas9介导小菜蛾G88品系中env基因突变,检测PxERV的独立复制活性。【结果】PxERV有LTR-pol-env-LTR结构,其env基因与果蝇Drosophila buzzatii逆转座子osvaldo和粉纹夜蛾Trichoplusia ni内源性逆转录病毒Ted的env基因进化关系较近。PxERV的env基因在小菜蛾G88品系雄成虫精巢中特异性高表达,env基因的拷贝数在小菜蛾FZ品系中的低于在G88品系中的,但在不同发育时期的G88品系中没有差异。G88品系多代自交,突变型env基因在小菜蛾基因组上不断减少,直至完全恢复野生型env基因。【结论】内源性逆转录病毒元件PxERV在小菜蛾世代间存在独立复制活性,但在小菜蛾发育过程中不会独立复制。这种病毒元件可能通过小菜蛾雄性生殖系统实现侵染活性,但侵染机理还需进一步探究。

茶园生物多样性控害的研究进展

当今茶叶安全生产面临害虫为害猖獗和农药污染的突出问题,害虫生态调控是实现农业可持续发展的重要途径之一,其核心是保护自然天敌资源,使其长期有效地调控害虫。为在茶园有效实施害虫生态管理策略,各茶区积极开展了茶树病虫害及其天敌资源的调查,在摸清茶园中天敌资源种类及其种群动态和自然控害能力的基础上,如何合理规划茶园生境布局和环境条件,以更好保护天敌资源和强化其对害虫的自然控制功能进行了积极的探索。本文对茶园生态系统生物多样性的特点进行分析,并对近年来在茶园利用生物多样性生态调控害虫方面的研究报道进行综述,以期为提升其保益控害的生态服务功能,更好地在茶园应用生态管理措施提供理论依据和实践指导。

两株棒束孢菌的鉴定及其对茶卷叶蛾和茶小卷叶蛾的致病力

为明确分离自茶卷叶蛾和中华大刀螳僵虫的2株虫生真菌的归属及生防潜力,采用形态学特征和r DNA-ITS序列分析其分类地位,测定了其对茶卷叶蛾和茶小卷叶蛾幼虫的致病力,并初步筛选了其最适培养条件。结果表明:2株真菌均为环链棒束孢Isaria cateniannulata,分别命名为ICBS918和ICTL911。在1.0×108孢子/m L浓度下,ICBS918和ICTL911对茶卷叶蛾幼虫的累计校正死亡率均达100%,LT50分别为3.13 d和3.15 d;对茶小卷叶蛾幼虫的累计校正死亡率分别为100%和95%,LT50分别为3.25 d和3.31 d。接菌后8 d,2菌株对茶卷叶蛾幼虫的LC50分别为0.47×105孢子/m L和1.01×105孢子/m L;对茶小卷叶蛾幼虫的LC50分别为2.20×105孢子/m L和1.34×105孢子/m L。2菌株23℃下最适生长培养基均为综合马铃薯培养基,最适产孢培养基均为蛋白胨马铃薯葡萄糖琼脂培养基;在萨氏培养基上,菌株ICBS918和ICTL911分别在24~30℃及24℃时生长速度最快,在27℃和21℃时产孢量最大。表明2株环链棒束孢对茶卷叶蛾和茶小卷叶蛾幼虫均具有较好的生防潜力,可作为生防菌进行开发和应用。

斜纹夜蛾幼虫肠道细菌分离鉴定及其功能初步分析

昆虫肠道微生物对其寄主的生长发育、营养代谢、免疫以及农药抗性等方面都发挥着重要作用。为研究斜纹夜蛾Spodoptera litura幼虫肠道细菌的多样性,并为其功能验证做准备,本文利用传统微生物分离纯培养方法从斜纹夜蛾4龄幼虫肠道中共分离鉴定得到10株细菌,分别为属于变形菌门(Proteobacteria)的脱氮假单胞菌(Pseudomonas denitrificans),不动细菌(Acinetobacter sp.),肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)和肠杆菌(Enterobacter sp.);属于厚壁菌门(Firmicutes)的鸡葡萄球菌(Staphylococcus gallinarum),蒙氏肠球菌(Enterococcus mundtii),蜡样芽胞杆菌(Bacillus cereus)和枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis)以及放线菌门(Actinobacteria)的微杆菌(Microbacteriums sp.)和乳酪棒杆菌(Corynebacterium casei)。变形菌门和厚壁菌门是斜纹夜蛾肠道可培养细菌中的优势菌群。功能验证实验表明肠杆菌具备纤维素降解能力,微杆菌具备很强的苯酚降解能力。本研究为未来深入研究斜纹夜蛾肠道微生物的功能提供了方向和菌株材料。