病毒和磁場(chǎng)對(duì)稻飛虱發(fā)育、生殖及行為的影響研究.pdf

1、昆蟲作為地球上數(shù)量最多的動(dòng)物類群，不斷與其周圍環(huán)境（生物因素和非生物因素）相互作用，這正是昆蟲生態(tài)學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，也是昆蟲進(jìn)化的主要?jiǎng)恿χ??；诶ハx生態(tài)學(xué)，通過研究生物和非生物因素對(duì)昆蟲的影響可以探索昆蟲對(duì)環(huán)境的適應(yīng)策略及其響應(yīng)機(jī)制，進(jìn)而為生物防治和物理防治策略的探索提供新思路。
　　稻飛虱(主要包括褐飛虱Nilaparvata lugens，白背飛虱Sogotalla furcifera和灰飛虱Laodelphax stri

2、atellus)是亞洲地區(qū)發(fā)生的嚴(yán)重危害水稻生產(chǎn)的遷飛性害蟲。此外，稻飛虱還可通過傳播植物病毒為害糧食作物，其中尤以灰飛虱傳播的水稻條紋病毒(Ricestripe virus，RSV)最為典型，開展RSV感染對(duì)灰飛虱發(fā)育生理及其行為的影響研究，有望揭示昆蟲和病毒之間的相互適應(yīng)機(jī)制，發(fā)掘防治植物病毒和傳毒害蟲的新策略。
　　關(guān)于三種主要稻飛虱的遷飛特性，目前主要認(rèn)為其隨氣流飛行。最近，長(zhǎng)距離遷飛昆蟲帝王蝶（Danaus plexip

3、pus）磁定向行為的發(fā)現(xiàn)為稻飛虱的磁定向和磁生物學(xué)效應(yīng)研究提供了依據(jù)。長(zhǎng)久以來(lái)，地球磁場(chǎng)（Geomagnetic field，GMF）作為易被忽視卻無(wú)處不在的非生物因素，除被證明能為一些生物提供定向信息外，其強(qiáng)度變化對(duì)生物產(chǎn)生的磁生物學(xué)效應(yīng)也日益引起人們的廣泛關(guān)注。作為可模擬GMF減弱和外太空零磁空間環(huán)境的近零磁場(chǎng)(Near-zero magnetic field，NZMF)，雖然利用其對(duì)昆蟲開展的磁生物學(xué)效應(yīng)研究尚處于起步階段，但對(duì)于

4、發(fā)掘GMF減弱下昆蟲的響應(yīng)方式和磁感受機(jī)制有重要意義。
　　本論文基于昆蟲生態(tài)學(xué)，以稻飛虱為模式生物，從生理和行為兩個(gè)方面，分別開展了作為生物因素的RSV病毒與介體灰飛虱之間的互作研究，以及作為非生物因素的近零磁場(chǎng)對(duì)三種主要稻飛虱的磁生物學(xué)效應(yīng)研究，主要研究結(jié)果如下:
　　1.水稻條紋病毒(RSV)對(duì)其傳毒介體灰飛虱發(fā)育和生殖的影響
　　本研究以RSV-灰飛虱-類酵母共生菌(Yeast-like symbionts，Y

5、LS)系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究發(fā)現(xiàn):RSV感染引起灰飛虱5齡若蟲蛻皮激素合成關(guān)鍵基因CYP307A1表達(dá)量上調(diào)，同時(shí)保幼激素合成關(guān)鍵基因JHAMT表達(dá)量下調(diào)，這與攜毒灰飛虱的若蟲歷期縮短的表型一致;而若蟲發(fā)育歷期的縮短有利于灰飛虱種群的擴(kuò)大和RSV病毒的水平傳播。此外，RSV感染增加了灰飛虱初羽化成蟲的體重，這又與攜毒灰飛虱體內(nèi) YLS含量增多的結(jié)果一致，而這兩種表型對(duì)灰飛虱和RSV的適合度均有利。除了RSV感染引起的以上有利效應(yīng)外，RSV

6、感染顯著降低了灰飛虱雌蟲的生殖力，這可能與攜毒灰飛虱初羽化雌蟲的卵黃原蛋白基因（Vitellogenin，Vg）表達(dá)量顯著下調(diào)有關(guān)。基于昆蟲進(jìn)化過程中適合度最優(yōu)原則，RSV感染引起的這一不利效應(yīng)與以上有利效應(yīng)可能是RSV-灰飛虱-YLS系統(tǒng)在協(xié)同進(jìn)化過程中形成的Trade-off策略。
　　2.水稻條紋病毒(RSV)對(duì)其傳毒介體灰飛虱取食行為爭(zhēng)飛行能力的影響
　　通過參考其他稻飛虱和蚜蟲等刺吸類昆蟲的取食行為特征波型，本研究

7、系統(tǒng)鑒定出灰飛虱取食過程中的8種取食波型;其中，包括首次發(fā)現(xiàn)的推測(cè)為取食細(xì)胞過程中口針穿透細(xì)胞的Nx波型。對(duì)灰飛虱刺吸波型總次數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，感染RSV的灰飛虱雌蟲P波型顯著少于未感染的個(gè)體，表明感染RSV后灰飛虱刺探成功率提高。對(duì)灰飛虱刺吸波型總時(shí)長(zhǎng)的分析發(fā)現(xiàn)，感染RSV的灰飛虱成蟲傳播持久性病毒的關(guān)鍵波型N4a的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)高于未感染的個(gè)體，表明RSV感染使灰飛虱成蟲的取食行為傾向于有利于RSV的水平傳播。此外，相對(duì)于未感染的灰飛虱雌蟲，

8、感染RSV的雌蟲NP波型持續(xù)時(shí)長(zhǎng)顯著減少，而N4b（取食韌皮部）波型顯著增加。雄蟲相應(yīng)取食波型的變化與雌蟲恰恰相反，表明感染RSV后灰飛虱取食行為表現(xiàn)為雌雄二型現(xiàn)象。由于RSV的適合度很大程度取決于灰飛虱對(duì)其水平傳播的能力，因此灰飛虱取食行為的改變可能是生物因素RSV與灰飛虱協(xié)同進(jìn)化的結(jié)果。另一方面，研究還發(fā)現(xiàn)灰飛虱初羽化2日齡長(zhǎng)翅雄蟲感染RSV后其飛行速度顯著低于未感染個(gè)體，而飛行距離相對(duì)于未感染的灰飛虱有明顯縮短達(dá)11.76％（P＞

9、0.05），結(jié)果表明RSV感染可能對(duì)灰飛虱雄蟲的飛行能力產(chǎn)生不利影響。
　　3.近零磁場(chǎng)(NZMF)對(duì)褐飛虱、灰飛虱和白背飛虱發(fā)育和生殖的影響
　　本試驗(yàn)比較研究了近零磁場(chǎng)(NZMF)和地磁場(chǎng)(GMF)兩種環(huán)境下三種主要稻飛虱發(fā)育和生殖的影響。與對(duì)照GMF相比，試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)灰飛虱:NZMF對(duì)卵期影響不顯著，但顯著延長(zhǎng)了若蟲發(fā)育歷期。NZMF還導(dǎo)致初羽化成蟲體重顯著降低，且顯著降低了雌蟲產(chǎn)卵量。此外，NZMF還使Vg表

10、達(dá)量下調(diào)，這可能是雌蟲生殖力下降的原因。(2)褐飛虱:NZMF顯著延長(zhǎng)了卵期，對(duì)雌性若蟲的發(fā)育歷期影響不顯著，但顯著延長(zhǎng)了雄性若蟲的發(fā)育歷期。NZMF還使初羽化成蟲體重顯著降低，且顯著降低了雌成蟲產(chǎn)卵量。此外，NZMF使Vg表達(dá)量下調(diào)，這也可能是雌蟲生殖力下降的原因。(3)白背飛虱:NZMF顯著延長(zhǎng)了卵期，同時(shí)顯著延長(zhǎng)了若蟲的發(fā)育歷期。此外，NZMF僅使初羽化短翅雌成蟲體重顯著降低，且僅明顯降低了雌蟲的產(chǎn)卵量。通過對(duì)Vg的時(shí)間動(dòng)態(tài)表達(dá)分

11、析發(fā)現(xiàn)，NZMF可能影響了Vg的轉(zhuǎn)錄表達(dá)節(jié)律。
　　另一方面，以白背飛虱為例開展了近零磁場(chǎng)(NZMF)對(duì)稻飛虱發(fā)育影響的分子機(jī)制探究。通過對(duì)白背飛虱5齡若蟲磁感受關(guān)鍵基因Cryptochromes（Cry1和Cry2）、保幼激素合成通路關(guān)鍵基因JHAMT，F(xiàn)AMeT和JHEH和蛻皮激素合成通路關(guān)鍵基因CYP307A1的時(shí)間動(dòng)態(tài)表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，NZMF處理使Cry1和Cry2在第一個(gè)取樣點(diǎn)的表達(dá)量顯著上調(diào)，反映了其二者在白背飛虱磁感受

12、中的上游作用;NZMF對(duì)激素合成關(guān)鍵基因的影響反映出保幼激素和蛻皮激素滴度變化與NZMF引起的若蟲發(fā)育延緩一致。本研究首次提出了非生物因素NZMF引起的磁生物學(xué)效應(yīng)背后的潛在機(jī)制，即Cryptochromes介導(dǎo)的激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，反映了昆蟲在適應(yīng)非生物環(huán)境因素變化中激素調(diào)節(jié)所起的潛在的重要作用。
　　4.近零磁場(chǎng)(NZMF)對(duì)稻飛虱正趨光性和飛行能力的影響——以白背飛虱為例
　　相對(duì)于正常磁場(chǎng)(GMF)對(duì)照組，NZMF處理

13、后白背飛虱短翅型比例顯著增高，初羽化成蟲前兩日總的上燈個(gè)體比例亦顯著增高。進(jìn)一步通過對(duì)白背飛虱長(zhǎng)翅雌成蟲兼具磁感受、光受體和生物鐘等功能的多功能基因Cryptochromes（Cry1和Cry2）的時(shí)間動(dòng)態(tài)表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，NZMF處理使Cry1和Cry2在第一個(gè)取樣點(diǎn)表達(dá)量顯著下調(diào)，其正趨光性的變化可能由多功能基因Cryptochromes的感光功能受到影響導(dǎo)致。此外，NZMF處理后白背飛虱飛行速度顯著降低，飛行時(shí)間和飛行距離顯著增加。這

14、一表型的改變可能和脂類能量代謝有關(guān)的激脂激素合成關(guān)鍵基因AKH和AKHR以及與飛行活性有關(guān)的章魚胺合成關(guān)鍵基因OAR的轉(zhuǎn)錄表達(dá)有關(guān)。此結(jié)果也可能由Cryptochromes介導(dǎo)的激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控。由于稻飛虱蟲源地為低緯度地區(qū)磁場(chǎng)相對(duì)GMF平均值偏弱，但該地區(qū)溫度高，可能彌補(bǔ)了磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱對(duì)稻飛虱發(fā)育歷期延長(zhǎng)和體重降低的不利因素。因此，以上結(jié)果也體現(xiàn)了稻飛虱對(duì)非生物因素NZMF的適應(yīng)策略。
　　綜上所述，本文系統(tǒng)探究了稻飛虱對(duì)環(huán)