入侵福建的草地貪夜蛾的分子鑒定

王亞如　蔡香云　莊家祥　侯有明

摘要 草地貪夜蛾是世界糧農(nóng)組織預(yù)警的重大遷飛性害蟲(chóng)。2019年1月被發(fā)現(xiàn)入侵我國(guó)，并迅速在我國(guó)擴(kuò)散蔓延，在我國(guó)玉米種植區(qū)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。本文利用線粒體細(xì)胞色素C氧化酶亞基I（COⅠ）和位于Z染色體上的磷酸丙糖異構(gòu)酶（Tpi）基因的分子標(biāo)記對(duì)采集于福建地區(qū)的84份草地貪夜蛾進(jìn)行群體遺傳特征分析，結(jié)果顯示，基于COⅠ僅在南平邵武和南平建陽(yáng)兩個(gè)地區(qū)鑒定到3份玉米型，其他81份均為水稻型;基于Tpi基因的檢測(cè)結(jié)果，84份樣品在174和175堿基處存在“AT”“GA”或“AT/GA”3種不同類型，但均為玉米型。福建省為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，玉米終年都有種植，草地貪夜蛾可在該省越冬，本研究基于COⅠ和Tpi兩個(gè)基因片段的分子標(biāo)記進(jìn)行草地貪夜蛾兩種亞型的分子鑒定，為熱帶與南亞熱帶地區(qū)草地貪夜蛾的遷入遷出蟲(chóng)源監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了依據(jù)，為該入侵害蟲(chóng)遺傳溯源積累了前期數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞 草地貪夜蛾; 水稻型; 玉米型; 分子標(biāo)記; 入侵害蟲(chóng)

中圖分類號(hào)： S 435.132

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2020138

Molecular identification of Spodoptera frugiperda invaded in Fujian province

WANG Yaru1， CAI Xiangyun1， ZHUANG Jiaxiang2， HOU Youming1*

（1. State Key Laboratory of Ecological Pest Control for Fujian and Taiwan Crops，

Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China;

2. Fujian Plant Protection and Plant Quarantine Station， Fuzhou 350003， China）

Abstract

Spodoptera frugiperda is a major migratory pest that FAO has warned about it. It invaded China in January 2019 and spread rapidly， causing significant economic losses in Chinas corn planting areas. In this study， the molecular markers of mitochondrial cytochrome C oxidase subunitⅠ（COⅠ） and triose phosphate isomerase （Tpi） located on the Z chromosome were used to analyze the population genetic characteristics of 84 S.frugiperda samples collected from Fujian province. The results showed that only 3 samples from Shaowu and Jianyang of Nanping county were identified as corn strain， and the other 81 samples were identified as rice strain by COⅠ gene. When using Tpi gene as marker， though three gene types including “AT” and “GA” or “AT/GA” at? position 174 and 175 were identified， all samples were corn strain. Fujian province belongs to subtropical monsoon climate area， and corn is planted all year round. S.frugiperda can overwinter here. This study used two molecular markers， COⅠand Tpi to identify the biotypes of S.frugiperda. The results provided a basis for the monitoring of the source of fall armyworms in tropical and southern subtropical regions， and accumulated preliminary data for the genetic tracing of the invasive pest.

Key words

Spodoptera frugiperda; rice strain; corn strain; molecular marker; invasive insects

草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda （J.E.Smith）俗稱秋黏蟲(chóng)（fall armyworm），是夜蛾科Noctuidae灰翅夜蛾屬Spodoptera的一種雜食性、遷飛性、檢疫性農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)[1]，可對(duì)農(nóng)作物造成毀滅性破壞。其原產(chǎn)于美洲的熱帶和亞熱帶地區(qū)，寄主植物350多種，主要寄主為玉米和水稻。自2019年1月入侵我國(guó)后，草地貪夜蛾已擴(kuò)散至我國(guó)20多個(gè)?。ㄖ陛犑小⒆灾螀^(qū)）[2]，為害玉米[3]、小麥[4]、花生[5]等作物，尤其是玉米種植區(qū)，因草地貪夜蛾為害已造成無(wú)法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

草地貪夜蛾成蟲(chóng)遷飛能力極強(qiáng)，據(jù)報(bào)道其成蟲(chóng)在風(fēng)向合適時(shí)每晚可遷飛100 km[6]。草地貪夜蛾發(fā)源于美洲，于2016年入侵非洲，兩年內(nèi)非洲40多個(gè)國(guó)家都監(jiān)測(cè)到其入侵。由于取食的寄主植物不同，草地貪夜蛾分化出了兩種亞型——R型（rice strain， 水稻型）和C型（corn strain， 玉米型）[7]，目前兩種亞型草地貪夜蛾已在非洲定殖為害。這兩種亞型的草地貪夜蛾群體對(duì)寄主的趨向性和在不同寄主植物上的適應(yīng)性不同[8-10]，不同亞型的草地貪夜蛾在對(duì)轉(zhuǎn)基因植物的抗性表現(xiàn)[11-12]、農(nóng)藥抗性[13-14]、遷飛行為[15-16]等方面也存在差異。但是這兩種亞型在形態(tài)上無(wú)法區(qū)分，因此需要對(duì)兩種寄主型的草地貪夜蛾開(kāi)展分子鑒定，主要手段是分子標(biāo)記，其中來(lái)源于線粒體的細(xì)胞色素C氧化酶亞基Ⅰ基因（COⅠ）以及位于Z染色體上編碼磷酸丙糖異構(gòu)酶的基因（Tpi）是當(dāng)前最常用的標(biāo)記基因[17-19]。目前，針對(duì)入侵我國(guó)各省份的草地貪夜蛾的遺傳鑒定也主要使用COⅠ和Tpi分子標(biāo)記[20-24]，結(jié)合這兩種分子標(biāo)記更能厘清草地貪夜蛾的遺傳特性。

福建省為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，終年都有玉米種植，草地貪夜蛾可在該省越冬，增加了該蟲(chóng)的防治難

度。本研究基于COⅠ和Tpi兩個(gè)基因片段的分子標(biāo)記對(duì)福建地區(qū)（福州、廈門、漳州、莆田、泉州、南平、三明等7市10縣/區(qū)）的草地貪夜蛾進(jìn)行了分子

鑒定，對(duì)了解該入侵物種的遺傳結(jié)構(gòu)以及制定有效

預(yù)測(cè)預(yù)警防控策略具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx(chóng)采集

本研究的草地貪夜蛾樣本來(lái)源于福建省福州閩侯洋里新見(jiàn)村、福州閩侯大湖村、漳州長(zhǎng)泰陳港鎮(zhèn)石室村、南平順昌縣水口寨村、漳州長(zhǎng)泰陳港鎮(zhèn)西湖村、莆田仙游游洋鎮(zhèn)梧椿村、廈門同安、南平建陽(yáng)、三明永安、泉州惠安等10個(gè)地區(qū)（圖1） 的玉米田，共計(jì)84份，其中幼蟲(chóng)為玉米田人工采集所得，成蟲(chóng)為玉米田性誘劑誘捕所得，具體樣本信息見(jiàn)表1。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后立即凍于液氮，備用。

1.2 DNA提取和PCR擴(kuò)增

采用CTAB法分別提取單頭幼蟲(chóng)或成蟲(chóng)的DNA。單頭蟲(chóng)體置于研缽中加液氮研磨成粉末，于2 mL離心管中抽提DNA，經(jīng)1%瓊脂糖電泳檢測(cè)后用作PCR擴(kuò)增模板。用于COⅠ和Tpi分子標(biāo)記的引物見(jiàn)表2。應(yīng)用TaKaRa Ex Taq試劑盒進(jìn)行PCR擴(kuò)增。反應(yīng)體系：10×Ex Taq buffer 5 μL，dNTP mixture 4 μL，上、下游引物各1 μL，模板1 μL，Ex Taq酶0.25 μL，加ddH2O至50 μL。PCR反應(yīng)程序：94℃預(yù)變性3 min;94℃變性30 s， 58℃（COⅠ）或49℃（Tpi） 退火30 s，72℃延伸30 s， 35個(gè)循環(huán);72℃延伸5 min; 12℃保存?zhèn)溆谩Ｊ褂?.0%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)擴(kuò)增片段特異性后切膠回收，并將PCR產(chǎn)物連接到pMDTM 19-T載體上。每個(gè)樣品各挑取4個(gè)克隆由生工生物工程（上海）股份有限公司完成測(cè)序。

1.3 序列分析

序列測(cè)定由生工生物工程（上海）股份有限公司完成，并利用SeqMan和BioEdit軟件對(duì)正反向測(cè)序序列進(jìn)行人工拼接及峰圖校正獲得的準(zhǔn)確的COⅠ和Tpi基因片段序列。針對(duì)已報(bào)道的基于COⅠ和Tpi基因序列的水稻型和玉米型單倍型特點(diǎn)，參考從GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)布的草地貪夜蛾COⅠ和Tpi基因序列分別進(jìn)行差異位點(diǎn)分析，進(jìn)而確定本研究中草地貪夜蛾的亞型。

2 結(jié)果與分析

對(duì)所采集的福建省10個(gè)縣（區(qū)）的84份樣品利用標(biāo)記COⅠ基因進(jìn)行序列比對(duì)，分析其寄主型，結(jié)果（圖2）顯示，除南平邵武（NPSW）的2個(gè)樣本（NPSW-2和NPSW-7）和南平建陽(yáng)（NPJY-6）的1個(gè)樣本的序列與已報(bào)道的草地貪夜蛾玉米型（HM136586）的序列一致外，其他包括這兩個(gè)地區(qū)在內(nèi)的81份樣品的序列與已報(bào)道的草地貪夜蛾水稻型（HM136593）序列一致，但本研究所采集樣本的寄主均為玉米，說(shuō)明由COⅠ標(biāo)記鑒定得到的寄主型與樣品來(lái)源的寄主型并不一致，但能夠鑒定出其與其他物種的區(qū)別。而Tpi基因序列的比對(duì)分析結(jié)果顯示，10個(gè)地區(qū)的樣本序列均與已報(bào)道的玉米型序列特征相符合（圖3），但部分樣本第174和175堿基為“AT”或“GA”，即存在174和175堿基處為“AT”或“GA”兩種基因型。本研究檢測(cè)的84份樣品中53份樣本只存在“AT”位點(diǎn)，11份樣本只存在“GA”位點(diǎn)，其他20份樣本的4個(gè)TA克隆子至少存在一條為“AT”位點(diǎn)（其他幾條為“GA”位點(diǎn)）或“GA”位點(diǎn)（其他幾條為“AT”位點(diǎn)），總體來(lái)說(shuō)基于Tpi基因的序列分析顯示所有樣品均為玉米型，與其寄主型相符。

3 結(jié)論與討論

自2019年1月草地貪夜蛾入侵我國(guó)至今已一年，據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和各地植保人員的觀察統(tǒng)計(jì)，草地貪夜蛾主要對(duì)我國(guó)玉米生產(chǎn)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，但也在其他農(nóng)產(chǎn)品植物上偶有發(fā)現(xiàn)，如：甘蔗[26]、花生[5]、甘藍(lán)[27]等，草地貪夜蛾在我國(guó)的定殖與擴(kuò)散正值關(guān)鍵期，對(duì)其生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、生理學(xué)特點(diǎn)及其在其他潛在寄主植物上的為害特點(diǎn)的研究對(duì)其防治尤其重要。

本研究通過(guò)COⅠ和Tpi基因分子標(biāo)記對(duì)采自福建地區(qū)10縣（區(qū)）的84份草地貪夜蛾樣品的單倍型進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，基于COⅠ的鑒定結(jié)果，3.57%的樣本為玉米型，96.43%的樣本為水稻型;而基于Tpi的鑒定結(jié)果顯示所有樣本均為玉米型。本文的研究結(jié)果與張磊等[21]的中國(guó)不同地區(qū)草地貪夜蛾種群生物型分子特征分析結(jié)果（基于線粒體COⅠ基因96%以上為水稻型，玉米型所占比例不到4%，基于Tpi基因分析結(jié)果表明所有樣品為玉米型）是一致的;與徐麗娜等[22]的入侵安徽省草地貪夜蛾的遺傳分析結(jié)果（基于COⅠ基因安徽省草地貪夜蛾樣本86.23%是水稻型，13.77%是玉米型，基于Tpi基因所有樣品為玉米型）也基本一致;Nagoshi等[28]2018年對(duì)采自非洲的樣本的檢測(cè)結(jié)果也是如此。導(dǎo)致兩種分子標(biāo)記的鑒定結(jié)果不一致的原因可能是ZW型性別決定機(jī)制的草地貪夜蛾的COⅠ是線粒體基因，為母系遺傳，但Tpi基因位于Z染色體，且兩種亞型的草地貪夜蛾之間并不存在絕對(duì)的生殖隔離[29]。該結(jié)果也說(shuō)明了入侵福建地區(qū)的草地貪夜蛾也許存在不同路徑，即侵入南平地區(qū)的草地貪夜蛾和福建其他幾個(gè)地區(qū)的草地貪夜蛾入侵路徑不同，這與前人關(guān)于草地貪夜蛾入侵我國(guó)可能存在不同路徑[30-31]的研究結(jié)果是一致的。

草地貪夜蛾作為聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）全球預(yù)警的遷飛害蟲(chóng)，近年來(lái)被廣泛研究。由于玉米型與水稻型之間不存在絕對(duì)的生殖隔離，田間交叉雜交導(dǎo)致了草地貪夜蛾的遺傳復(fù)雜性，Nagoshi等[32-33]的研究表明，西半球的草地貪夜蛾根據(jù)COⅠ單倍型頻率的不同玉米型草地貪夜蛾又可細(xì)分為“FL型”和“TX型”，根據(jù)Tpi單倍型位點(diǎn)的不同玉米型草地貪夜蛾可細(xì)分為“Tpi-Ca1型”（MG603702）、“Tpi-Ca2型”（MG603703）和“Tpi-CaH型”[28]。單一種群的長(zhǎng)期近交容易造成遺傳衰退，而草地貪夜蛾擁有極強(qiáng)的遷飛能力，這可能也是導(dǎo)致其遺傳復(fù)雜性的外在原因之一。目前國(guó)內(nèi)的許多研究表明侵入我國(guó)的草地貪夜蛾主要為雜交型[20-23]，理論上可能存在雜交優(yōu)勢(shì)，但草地貪夜蛾入侵我國(guó)僅一年，本地種還未完全形成，現(xiàn)階段依然是防治草地貪夜蛾的關(guān)鍵時(shí)期。

本研究綜合COⅠ和Tpi兩個(gè)分子標(biāo)記的檢測(cè)結(jié)果表明，入侵福建地區(qū)的草地貪夜蛾94%以上是水稻型母本與玉米型父本雜交后代演化而來(lái)的雜合玉米型草地貪夜蛾。由于水稻型與玉米型草地貪夜蛾的抗藥性[13-14]、遷飛性[15-16]、寄主趨向及適應(yīng)性不同[1，8-9]，水稻型和玉米型又不存在絕對(duì)的生殖隔離，故理論上存在進(jìn)化出水稻型的可能。福建省為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，玉米、水稻、甘蔗等作物終年均有種植，是草地貪夜蛾天然適宜的定殖與越冬地，所以對(duì)草地貪夜蛾的發(fā)生與遷飛動(dòng)態(tài)需要更多的關(guān)注。本研究對(duì)草地貪夜蛾展開(kāi)分子鑒定有助于分析其來(lái)源、了解其遺傳特性、發(fā)生動(dòng)態(tài)等，同時(shí)為當(dāng)前我國(guó)處于起步階段的草地貪夜蛾群體遺傳研究積累理論數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)防控提供科學(xué)信息。

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（責(zé)任編輯：王 音）