共生菌Wolbachia和Cardinium對中國二斑葉螨和朱砂葉螨生殖的影響.pdf

1、朱砂葉螨Tetranychus cinnabarinus(Boisduval)和二斑葉螨T.urticae Koch屬于蛛形綱Arachnida、蜱螨亞綱Acari、真螨目Acariformes、葉螨科Tetranychidae，是農(nóng)林生產(chǎn)中十分重要的害螨。Wolbachia和Cardinium是廣泛存在于節(jié)肢動物體內(nèi)的兩種共生細菌，均可通過宿主卵的細胞質(zhì)進行母系遺傳，并能通過不同的方法調(diào)控寄主的生殖以實現(xiàn)在宿主種群中的穩(wěn)定存在和擴散.

2、Wolbachia以誘導(dǎo)胞質(zhì)不親和（cytoplasmic incompatibility,CI）、誘導(dǎo)雌性化（feminization）、誘導(dǎo)孤雌生殖(parthenogenesis)和殺雄作用（male-killing）四種方式調(diào)控寄主的生殖，而Cardinium能夠引起雌性化，誘導(dǎo)孤雌生殖，誘導(dǎo)胞質(zhì)不親和，影響宿主適合度和改變寄主的產(chǎn)卵行為。在我國，二斑葉螨僅感染共生菌Wolbachia，而朱砂葉螨中同時感染W(wǎng)olbachia和C

3、ardinium這兩種共生菌。本文以中國二斑葉螨四個地理種群為實驗材料，研究了共生菌Wolbachia對中國二斑葉螨生殖和適合度的影響以及影響Wolbachia調(diào)控寄主生殖的因子。本文以朱砂葉螨為實驗材料，深入研究寄生菌Cardinium和Wolbachia對生殖和發(fā)育的共同調(diào)控作用，以及寄生菌之間的相互作用。本研究掌握了這兩種寄生菌的感染進化規(guī)律和彼此的協(xié)同作用，明確了雙重感染對葉螨生殖調(diào)控作用的機理，揭示了朱砂葉螨和二斑葉螨繁殖和發(fā)

4、育的規(guī)律，并對利用這兩種寄生菌有效控制朱砂葉螨、二斑葉螨和其它害蟲的危害提供理論依據(jù)。
　　 為檢驗Wolbachia對中國二斑葉螨生殖的影響，根據(jù)中國區(qū)域的劃分以及Wolbachia的感染情況，選擇以二斑葉螨遼寧興城(LN)、江蘇徐州(JS)、上海閔行(SH)和湖南長沙(HN)四個地理種群為實驗材料，通過孤雌回交和四環(huán)素處理分別篩選完全感染和完全不感染W(wǎng)olbachia的品系后進行雜交實驗。研究發(fā)現(xiàn)：上海閔行(SH)和湖南長沙

5、（HN）體內(nèi)的Wolbachia能誘導(dǎo)高強度的胞質(zhì)不親和(CI);遼寧興城（LN淋內(nèi)的Wolbachia不僅能誘導(dǎo)中等強度CI，而且能誘導(dǎo)雜交失敗(Hybrid breakdown)；江蘇徐州(JS)體內(nèi)的Wolbachia既不能誘導(dǎo)CI，又不能誘導(dǎo)雜交失敗。本研究第一次發(fā)現(xiàn)Wolbachia誘導(dǎo)的CI不僅表現(xiàn)為胚胎的大量死亡以及性比的偏離，還表現(xiàn)為后代在幼蟲期的死亡。對于不親和的雜交，CI的程度會隨著回交有所增強。而感染W(wǎng)olbach

6、ia的父本或母本雜交所產(chǎn)生的后代均具有生殖能力。此外還發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象，遼寧興城種群感染W(wǎng)olbachia的雌螨與不感染的雄螨交配（LNW/LNU）也會出現(xiàn)雜交失敗現(xiàn)象。
　　 Wolbachia在不同中國二斑葉螨各種群中CI表達的差異較大。以二斑葉螨遼寧興城(LN)、江蘇徐州(JS)、上海閔行(SH)和湖南長沙（HN）四個地理種群為實驗材料，研究Wolbachia株系、寄主遺傳背景、雄蟲年齡以及溫度等因子對我國二斑葉螨體內(nèi)

7、Wolbachia誘導(dǎo)CI能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)1、3、5、7日齡的雄螨誘導(dǎo)的CI的程度沒有差異，表明雄螨日齡對我國二斑葉螨體內(nèi)Wolbachia誘導(dǎo)CI的能力沒有影響。二斑葉螨分別放在20℃的低溫、25℃的適溫和30℃的高溫條件下飼養(yǎng)時，Wolbachia誘導(dǎo)CI的能力也沒有任何變化，表明溫度對我國二斑葉螨體內(nèi)Wolbachia誘導(dǎo)CI的能力也沒有影響。對我國二斑葉螨四個地理種群感染品系的線粒體DNACOI基因序列序列測定發(fā)現(xiàn)，四個地理

8、種群的COI序列完全一致，Wolbachia降低了寄主的多態(tài)性，同時還表明四個地理種群的親緣關(guān)系較近。對Wolbachia的wsp基因序列測定發(fā)現(xiàn)，四個地理種群感染的Wolbachia都屬于B組Ori亞群。遼寧興城、上海閔行和湖南長沙種群的Wolbachia的wsp基因序列相同，CI程度的差異主要是由寄主的遺傳背景的差異造成的。而江蘇徐州種群內(nèi)Wolbachia與其他三個種群有99％的相似度，該種群中Wolbachia不能誘導(dǎo)CI則可能

9、是Wolbachia株系與寄主的遺傳背景共同作用的結(jié)果。
　　 Wolbachia對寄主的作用不僅表現(xiàn)在生殖調(diào)控上，對寄主的適合度也有一定的影響。Wolbachia與寄主之間的關(guān)系可以分為互利共生（mutualism）、單利共生(commensalism)和寄生的關(guān)系(parasitism).Wolbachia提高寄主適合度的同時能促進其種群中的擴散，相反Wolbachia降低寄主的適合度在某種程度上來說也會抑制其在種群間的擴散

10、。本研究以二斑葉螨遼寧興城(LN)、江蘇徐州(JS)、上海閔行(SH)和湖南長沙（HN）四個地理種群為實驗材料，研究Wolbachia對我國二斑葉螨各地理種群產(chǎn)卵量、性比、壽命以及發(fā)育歷期的影響。研究結(jié)果表明Wolbachia對中國二斑葉螨適合度的影響既有利又有弊。本研究首次發(fā)現(xiàn)Wolbachia能增強二斑葉螨的產(chǎn)卵力，Wolbachia增強湖南長沙種群的產(chǎn)卵力，對其他種群卻沒有影響；Wolbachia提高江蘇徐州種群的性比，對其他種群

11、卻沒有影響；本研究是首次發(fā)現(xiàn)Wolbachia能影響二斑葉螨的壽命，Wolbachia延長江蘇徐州種群的壽命卻縮短遼寧興城種群的壽命；Wolbachia延長江蘇徐州和湖南長沙種群的發(fā)育歷期，卻縮短遼寧興城和上海閔行種群的發(fā)育歷期。我們認為，Wolbachia株系和寄主的遺傳背景都對Wolbachia不同的表型起重要作用。
　　 對葉螨的研究發(fā)現(xiàn)，引起葉螨生殖隔離的機制主要有三種：核-核互作（nuclear-nuclear int

12、eraction）、胞質(zhì)-核互作（nuclear-cytoplasmic interaction）以及Wolbachia引起的生殖不親和。Wolbachia誘導(dǎo)胞質(zhì)不親和能促進生殖隔離的進化，從而被認為是能夠促進節(jié)肢動物物種快速進化的一個重要因子。本研究以二斑葉螨遼寧興城(LN)和江蘇徐州(JS)兩個地理種群為實驗材料。研究我們二斑葉螨是否已經(jīng)存在生殖隔離，Wolbachia是否會影響二斑葉螨種群間的生殖，并探討Wolbachia能否影

13、響我國二斑葉螨各地理種群間的基因交流。研究發(fā)現(xiàn)：目前我國二斑葉螨各地理種群間還沒有出現(xiàn)核基因互作或胞質(zhì)-核基因互作而造成的生殖隔離。Wolbachia能造成遼寧興城與江蘇徐州種群間的單向生殖隔離。遼寧興城(LN)體內(nèi)的Wolbachia在種群間不僅能誘導(dǎo)中等強度CI，而且能誘導(dǎo)雜交失敗(Hybrid breakdown)，而江蘇徐州(JS)體內(nèi)的Wolbachia在種群間既不能誘導(dǎo)CI，又不能誘導(dǎo)雜交失敗。遼寧興城種群感染W(wǎng)olbach

14、ia的雌螨與不感染的雄螨交配（LNW/JSU），江蘇徐州感染W(wǎng)olbachia的雌螨與不感染的雄螨交配（JSW/LNU）也均出現(xiàn)了雜交失敗現(xiàn)象，我們推測Wolbachia在雌螨體內(nèi)感染也能影響寄主的生殖。隨著遼寧興城Wolbachia感染率的上升，Wolbachia誘導(dǎo)的遼寧興城與江蘇徐州種群間的單向胞質(zhì)不親和會阻礙江蘇徐州與遼寧興城兩個地理間的基因交流。
　　 Wolbachia和Cardinium都是能夠誘導(dǎo)胞質(zhì)不親和(CI

15、)的寄生菌。盡管Wolbachia和Cardinium感染同一寄主在自然界比較常見。我們對它們分別以及共同對寄主生殖影響的知之甚少。本研究以朱砂葉螨江芬鎮(zhèn)江(JS)、云南玉龍（YN）和陜西西安(SN)種群為實驗材料，研究Wolbachia和Cardinium分別以及共同對我國朱砂葉螨生殖和適合度的影響，雄螨日齡對Wolbachia和Cardinium誘導(dǎo)CI的影響。同時還通過遺傳雜交和定量PCR研究Wolbachia和Cardinium

16、的互作，探索Cardinium和Wolbachia是否存在競爭或協(xié)同互利共生的關(guān)系。通過青霉素G、四環(huán)素以及高溫處理，我們成功的將Wolbachia和Cardinium從雙感染品系中分離。對Wolbachia的wsp基因序列測定發(fā)現(xiàn)，江蘇鎮(zhèn)江和陜西西安種群的Wolbachia序列完全一致，屬于B組的Con亞群，而云南玉龍種群屬于B組Ori亞群。三個地理種群的Cardinium的相似度在97％-99％之間。雜交結(jié)果顯示三個地理種群的雙感染

17、品系均能誘導(dǎo)CI，其中云南玉龍種群的CI程度最強。單感染W(wǎng)olbachia在云南玉龍種群不能誘導(dǎo)CI，在其他兩個種群誘導(dǎo)較弱的CI。對Cardinium的研究發(fā)現(xiàn)，江蘇鎮(zhèn)江和陜西西安種群的Cardinium誘導(dǎo)的高強度CI,CI程度與雙感染品系間沒有差異。而云南玉龍種群的Cardinium誘導(dǎo)中等強度的CI，并且CI的強度顯著低于雙感染品系，由此我們推測云南種群中的Wolbachia雖不能誘導(dǎo)CI，但可能對Cardinium有促進作用。