共生菌Wolbachia感染對(duì)果蠅適合度的影響

齊琳,云月利，李長(zhǎng)春，陳建，張?jiān)鰻c，彭宇

(1.生物資源綠色轉(zhuǎn)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062；2.特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖北工程學(xué)院)，湖北 孝感 432000)

共生菌Wolbachia感染對(duì)果蠅適合度的影響

齊琳1,云月利1，李長(zhǎng)春2，陳建1，張?jiān)鰻c1，彭宇1

(1.生物資源綠色轉(zhuǎn)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062；
2.特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖北工程學(xué)院)，湖北 孝感 432000)

近年來的研究表明，Wolbachia會(huì)對(duì)多種昆蟲的生殖和生長(zhǎng)發(fā)育等產(chǎn)生影響，但對(duì)于果蠅的適合度影響研究較少.本研究比較黑腹果蠅Drosophilamelanogaster感染和未感染W(wǎng)olbachia品系在產(chǎn)卵量、孵化率、發(fā)育歷期、成蟲壽命及生命期望值方面的差異.結(jié)果顯示，Wolbachia感染顯著降低了果蠅的產(chǎn)卵量(P<0.000 1)、孵化率(P=0.018)、化蛹率(P<0.000 1)、羽化率(P<0.000 1)和成蟲壽命(P<0.000 1)，導(dǎo)致幼蟲的發(fā)育歷期延長(zhǎng)(P<0.000 1)，且卵期和I齡、Ⅱ齡和Ⅲ齡期幼蟲生命期望值均降低.感染W(wǎng)olbachia果蠅品系的相對(duì)適合度為0.688，表明Wolbachia感染對(duì)果蠅的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖存在有害的影響.

Wolbachia；果蠅；適合度；生命表

0 引言

Wolbachia是一種胞內(nèi)共生細(xì)菌，它的存活完全依靠寄主細(xì)胞提供的營(yíng)養(yǎng)，在脫離寄主細(xì)胞的外環(huán)境中僅能存活7 d左右[1-2].Wolbachia感染宿主眾多，被認(rèn)為是共生細(xì)菌中豐度最高、分布最廣的類群[3-4].Wolbachia在寄生中最集中的地方位于寄主生殖系統(tǒng)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，并且也存在于非生殖組織中，在果蠅成蟲的頭、胸、中腸、馬氏管和血淋巴等組織中均存在Wolbachia[5].感染了該類共生菌會(huì)引發(fā)宿主生殖異常反應(yīng)，包括胞質(zhì)不親和(cytoplasmic incompatibility，CI)[6]、雄性染色體的雌性化[7]、誘導(dǎo)孤雌生殖(parthenogenesis indueing，PI)[8]和殺雄[9]等.同時(shí)，Wolbachia還對(duì)宿主的代謝活動(dòng)[10]、壽命[11]和嗅覺反應(yīng)[12]等存在一定的影響.

Wolbachia可以作為載體使某種特定基因在其宿主種群中得以傳播，有目的地改造宿主種群，以增強(qiáng)害蟲天敵的生物防治潛能.同時(shí)，也可以利用Wolbachia菌株存在的CI、PI、雌性化以及殺雄等作用，可使宿主害蟲的壽命縮短，引起害蟲提前死亡，使目標(biāo)害蟲在未達(dá)到為害的蟲期提前死亡，從而達(dá)到良好防治效果[13].

本研究比較了黑腹果蠅Drosophilamelanogaster感染和未感染W(wǎng)olbachia品系在產(chǎn)卵量、孵化率、發(fā)育歷期、成蟲壽命等生物學(xué)特性的差異，通過構(gòu)建感染和未感染W(wǎng)olbachia果蠅的生命表，研究Wolbachia感染對(duì)果蠅適合度的影響，為更好地利用Wolbachia進(jìn)行害蟲生物防治提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試果蠅及所攜帶的Wolbachia品系 研究所用果蠅品系為黑腹果蠅Drosophilamelanogaster，其體內(nèi)共生的Wolbachia品系為Riverside.按照 McGraw等[14]的命名方法, 該果蠅的名稱縮寫為DmelwRi.去除Wolbachia的果蠅品系, 名稱縮寫為DsimwRiT.果蠅體內(nèi)的Wolbachia用四環(huán)素處理去除[15], 用PCR方法檢測(cè)Wolbachia的去除與否[16].為保證完全去除果蠅體內(nèi)的Wolbachia，要用含有四環(huán)素的培養(yǎng)基連續(xù)飼養(yǎng)果蠅2代以上，然后用正常飼料常規(guī)方法飼養(yǎng).

1.2Wolbachia感染對(duì)果蠅的產(chǎn)卵量及孵化率的影響 將感染和未感染W(wǎng)olbachia的5日齡果蠅成蟲各5只(雌∶雄=3∶2)，放入預(yù)先盛有一薄層培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中飼養(yǎng)，6 h后，用放大鏡計(jì)數(shù)產(chǎn)卵量.將帶有卵的培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)箱中(溫度：(25±1) ℃；相對(duì)濕度：(65±5)%；光照時(shí)間：14 h)繼續(xù)飼養(yǎng)，24 h后觀察卵的孵化情況并計(jì)算孵化率.共設(shè)30次重復(fù).

1.3Wolbachia感染對(duì)果蠅生長(zhǎng)發(fā)育的影響 每12 h觀察培養(yǎng)皿中已孵化的感染和未感染W(wǎng)olbachia幼蟲的生長(zhǎng)發(fā)育狀況.待幼蟲蛻皮后，將幼蟲轉(zhuǎn)入新的培養(yǎng)皿繼續(xù)飼養(yǎng)，直至所有幼蟲化蛹并羽化為成蟲.記錄各發(fā)育階段幼蟲存活數(shù)、蛻皮時(shí)間、化蛹數(shù)及成蟲數(shù).測(cè)定成蟲壽命時(shí)，將剛羽化(未交配)的成蟲單頭放入新的培養(yǎng)管中，在培養(yǎng)箱(培養(yǎng)條件同上)中繼續(xù)飼養(yǎng)，直到全部死亡，記錄存活天數(shù).幼蟲和成蟲的培養(yǎng)基為常規(guī)培養(yǎng)基.參照彭宇等[17]和楊持等[18]的方法構(gòu)建果蠅實(shí)驗(yàn)種群生命表.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 凈增殖力(R0)的計(jì)算公式為：R0=N(t+1)/Nt；Nt：種群的起始總個(gè)體數(shù)；Nt+1：繁衍一代后的種群總個(gè)體數(shù).相對(duì)適合度為不同果蠅品系的凈增殖力之比.數(shù)據(jù)分析采用SPSS(version 19.0)統(tǒng)計(jì)分析軟件完成.數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±SD)表示.用獨(dú)立樣本的t-檢驗(yàn)比較DmelwRiT品系和DmelwRi品系平均數(shù)之間的差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1Wolbachia感染對(duì)果蠅的繁殖力以及生長(zhǎng)發(fā)育的影響 被Wolbachia感染后，果蠅的產(chǎn)卵量極顯著降低(P<0.000 1)、同時(shí)，卵的孵化率也顯著下降(P=0.018)(表1).DmelwRi品系3個(gè)齡期的發(fā)育歷期和總發(fā)育歷期均極顯著地高于DmelwRiT，其化蛹率、羽化率及成蟲壽命極顯著地低于DmelwRiT(P<0.000 1).表明Wolbachia感染明顯降低了果蠅的產(chǎn)卵量、孵化率、化蛹率、羽化率及成蟲壽命，延長(zhǎng)果蠅的發(fā)育歷期.

2.2 DmelwRiT品系和DmelwRi 品系生命表的繪制及比較 被Wolbachia感染后，果蠅Ⅰ齡幼蟲和Ⅱ齡幼蟲的死亡率極顯著升高(P<0.000 1)，同時(shí)，DmelwRi品系的世代存活率也極顯著低于未感染品系(P<0.000 1)，但Wolbachia感染品系的Ⅲ齡幼蟲及蛹的死亡率與未感染品系無顯著性差異(P>0.05)(表2).Wolbachia感染果蠅品系的凈增殖力為45.24，其相對(duì)適合度為0.688.DmelwRi品系各發(fā)育階段的生命期望值與DmelwRiT相比均降低，表明該品系生存處于劣勢(shì)(表3中).

表1 果蠅DmelwRiT品系和DmelwRi品系的繁殖特征及生長(zhǎng)發(fā)育比較

表2 果蠅DmelwRiT品系和DmelwRi品系生命表

*，差異顯著 (P<0.05)；**，差異極顯著(P<0.01).

表3 DmelwRiT品系和DmelwRi品系不同發(fā)育階段生命期望值

Lx：各發(fā)育階段全部個(gè)體存活個(gè)體數(shù)平均值；

Tx：各發(fā)育階段存活個(gè)體數(shù)平均值之和；

ex：各發(fā)育階段存活個(gè)體平均生命期望.

3 討論

本研究表明，DmelwRi和DmelwRiT果蠅品系在產(chǎn)卵量、孵化率、發(fā)育歷期、化蛹率以及羽化率等均存在顯著性差異，主要表現(xiàn)為果蠅被Wolbachia感染后，其生殖力減退，幼蟲發(fā)育歷期延長(zhǎng)、死亡率增加、成蟲壽命縮短，這與Min和Benzer[19]所報(bào)道的Wolbachia感染可以縮短果蠅成蟲的壽命研究結(jié)果一致.由生命表(表2)可以看出，DmelwRi品系和DmelwRiT品系的凈增殖力分別為45.24和65.68，DmelwRi品系相對(duì)于DmelwRiT品系的相對(duì)生物適合度為0.688，同時(shí)DmelwRi品系各發(fā)育階段生命期望值(表3)均下降.以上均說明DmelwRi品系存在生長(zhǎng)與繁殖的不利性，感染W(wǎng)olbachia對(duì)黑腹果蠅生長(zhǎng)繁殖有負(fù)面影響，我們的研究結(jié)果與褚棟等[20]報(bào)道的相似.

果蠅被Wolbachia感染后，Ⅰ齡幼蟲和Ⅱ齡幼蟲的死亡率極顯著提高，但并未影響Ⅲ齡幼蟲及蛹的死亡率，這可能是由于Ⅲ齡期和蛹期果蠅體內(nèi)的Wolbachia的密度[13]及生理機(jī)能相對(duì)穩(wěn)定，因而Wolbachia對(duì)果蠅Ⅲ齡期和蛹期的存活影響不大，具體原因有待進(jìn)行更深入的研究.

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(責(zé)任編輯 游俊)

The effects ofWolbachiainfection on the fitness ofDrosophilamelanogaster

QI Lin1，YUN Yueli1,LI Changchun2,CHEN Jian1,ZHANG Zengtao1, PENG Yu1

(1. Hubei Collaborative Innovation Center for Green Transformation of Bio-Resources, College of Life Sciences,
Hubei University, Wuhan 430062,China；2. Hubei Key Laboratory of Quality Control
of Characteristic Fruits and Vegetables(Hubei Engineering University), Xiaogan 432000, China)

Recent studies have indicated thatWolbachiacan affect the reproduction, growth and development of many kinds of insects, but there are few studies of its effect on the fitness ofDrosophilamelanogaster. In the present study, we compared the differences in the fecundity, hatching rate, developmental duration, adult longevity and life expectancy ofD.melanogasterbetween infected and uninfectedWolbachia. The results showed thatWolbachiainfection significantly reduced the oviposition amount (P<0.000 1), hatching rate (P=0.018), pupation rate (P<0.000 1), emergence rate (P<0.000 1) and adult longevity (P<0.000 1) ofD.melanogaster. Meanwhile,Wolbachiainfection could cause the flies to prolong developmental durations (P<0.000 1), and decrease life expectancy in egg, first instar, second instar and third instar larvae. Strain ofD.melanogasterinfectedWolbachiawas calculated to have a fitness value of 0.688 relative to the uninfected one, indicating that there is the harmful effects ofWolbachiainfection on the reproduction and development ofD.melanogaster.

Wolbachia;Drosophilamelanogaster; fitness; life table

2016-09-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(31672317、 31401982)和湖北省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目(2014BHE002、 2016AHB003)資助

齊琳(1991-)，女，碩士生；彭宇，通信作者，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail: pengyu@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)02-0195-04

Q969.44

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.02.017