章雨璐 呂寶乾 楊帆 涂艷 蔣方一丁 齊可欣 李紫城
摘? 要:椰心葉甲(Brontispa longissima Gestro)是近年來(lái)危害棕櫚科植物的主要入侵害蟲(chóng)之一,能夠?qū)Χ喾N棕櫚科植物造成嚴(yán)重危害。本研究通過(guò)對(duì)椰心葉甲腸道共生菌進(jìn)行分離培養(yǎng),并鑒定其相關(guān)功能,以探究腸道共生菌對(duì)椰心葉甲環(huán)境適應(yīng)性的作用。對(duì)椰心葉甲幼蟲(chóng)腸道共生菌進(jìn)行分離培養(yǎng),提取DNA以通用引物擴(kuò)增鑒定后,以透明圈染色實(shí)驗(yàn)對(duì)纖維素、木聚糖和果膠功能進(jìn)行分析。椰心葉甲幼蟲(chóng)腸道中分離得到22株細(xì)菌和2株真菌,其中可培養(yǎng)細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門(mén)(Proteobacteria)。芽孢桿菌屬細(xì)菌具有降解纖維素和木聚糖的能力,而帶化紅球菌具有降解木聚糖的能力。椰心葉甲腸道中具有能夠降解纖維素與木聚糖的微生物,并占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)地位,因此椰心葉甲能夠取食危害多種纖維素含量較高的棕櫚科植物,而這一類(lèi)腸道共生菌對(duì)于椰心葉甲入侵過(guò)程中的適應(yīng)性也提供了一定的幫助。
關(guān)鍵詞:椰心葉甲;腸道微生物;多樣性;功能分析
中圖分類(lèi)號(hào):S433.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
Isolation, Identification and Functional Analysis of Intestinal Microorganisms of Brontispa longissimi Gestro
ZHANG Yulu1,2, LYU Baoqian2*, YANG Fan1, TU Yan1,2, JIANG Fangyiding1,2, QI Kexin1,2, LI Zicheng3
1. School of Forestry, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China; 2. Institute of Environment and Plant Protection, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Hainan Key Laboratory for Biosafety Monitoring and Molecular Breeding in Off-Season Reproduction Regions, Haikou, Hainan 571101, China; 3. Institute of Entomology, College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China
Abstract: Brontispa longissima Gestro is one of the major invasive pests of Palmae in recent years, which has great damage to many Palmae plants. In this paper, we isolated and cultured the intestinal symbiotic bacteria of B. longissimi Gestro, and identified its related functions, in order to explore the role of intestinal symbiotic bacteria on the environmental adaptability of B. longissimi Gestro. The intestinal symbiotic bacteria of B. longissimi Gestro were isolated and cultured, DNA was extracted, amplified and identified with universal primers, and analyzed its function by transparent circle staining experiment. 22 culturable bacteria and 2 fungi were isolated and sequenced from the larval intestines. The gut bacteria were dominated by Proteobacteria. Preliminary functional analysis proved biodegradable activity on cellulose of the strains of Bacillus and xylan of the strains of Rhodococcus fascians. There were microorganisms that could degrade cellulose and xylan in the intestines of B. longissimi Gestro, and they occuped a certain dominant position. Therefore, B. longissimi can damage a variety of Palmae plants with high cellulose content, and this kind of intestinal symbiotic bacteria also provide some help for the adaptability of B. longissimi Gestro to the new environment.
Keywords: Brontispa longissimi Gestro; gutmicrobiota; diversity; functional analysis
DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.04.023
椰心葉甲(Brontispa longissima Gestro)屬鞘翅目鐵甲科昆蟲(chóng),2002年傳入中國(guó)后,迅速爆發(fā)成災(zāi),成為危害我國(guó)棕櫚科植物的主要外來(lái)入侵害蟲(chóng)之一。椰子是海南的主要經(jīng)濟(jì)作物之一,椰心葉甲的成蟲(chóng)和幼蟲(chóng)主要取食危害椰子的心葉部分。受害心葉伸展后變?yōu)榭蔹S狀,呈火燒狀,受害嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植株死亡[1]。椰心葉甲入侵我國(guó)南方,爆發(fā)后對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。昆蟲(chóng)體內(nèi)存在著許多微生物,而在其腸道中更是有許多與昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育息息相關(guān)的共生菌。昆蟲(chóng)腸道系統(tǒng)受環(huán)境影響具有多樣性,該多樣性在一定程度上與昆蟲(chóng)種類(lèi)、食性、殺蟲(chóng)劑抗性機(jī)制、宿主的生理功能密切相關(guān)[2-3]。隨著社會(huì)高速發(fā)展,近年來(lái),對(duì)環(huán)境保護(hù)高度重視,這促進(jìn)了對(duì)昆蟲(chóng)腸道微生物的研究,同時(shí)測(cè)序技術(shù)、組學(xué)技術(shù)等分子檢測(cè)手段不斷發(fā)展,使得對(duì)于昆蟲(chóng)腸道微生態(tài)和腸道微生物的研究有了更完善的鑒定手段[4-5],這也使有關(guān)昆蟲(chóng)腸道共生菌和寄主昆蟲(chóng)的互作越來(lái)越成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)之一。昆蟲(chóng)和其腸道微生物處在一個(gè)共生的關(guān)系中,大多數(shù)共生菌對(duì)于昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育、食物消化、免疫等方面具有一定的影響。而腸道作為昆蟲(chóng)消化系統(tǒng)的重要組成部分,其中的共生菌對(duì)于昆蟲(chóng)食性的選擇、對(duì)食物的降解代謝起到重要的作用[6]。大部分植食性昆蟲(chóng)的腸道微生物可以參與昆蟲(chóng)取食時(shí)對(duì)細(xì)胞壁的降解。纖維素和半纖維素是植物細(xì)胞壁的重要組成部分,棕櫚植物纖維含量高[7]。但大部分昆蟲(chóng)缺乏降解纖維素的酶,從而影響消化。在對(duì)昆蟲(chóng)腸道微生物的研究中發(fā)現(xiàn)象白蟻屬(Nasutitermes)腸道共生菌能夠降解木質(zhì)纖維素[8]。果膠是植物細(xì)胞壁另一組成,而在意大利蜜蜂(Apis mellifera)腸道中也發(fā)現(xiàn)了能降解果膠的共生菌[9],這也說(shuō)明了昆蟲(chóng)腸道共生菌可能在某種程度上影響了昆蟲(chóng)對(duì)于寄主的選擇。目前針對(duì)昆蟲(chóng)腸道共生菌的研究已經(jīng)越來(lái)越多,但有關(guān)椰心葉甲腸道共生菌卻尚無(wú)涉獵,想要了解這些共生菌在腸道中的多樣性及其和椰心葉甲之間的互作,需采用傳統(tǒng)分離純培養(yǎng)的方法進(jìn)行初步的分析驗(yàn)證。本研究的重點(diǎn)是以傳統(tǒng)分離培養(yǎng)和現(xiàn)代分子生物學(xué)方法相結(jié)合的方式,得到并鑒定出可培養(yǎng)腸道微生物的種類(lèi),開(kāi)展其后續(xù)功能性分析[10]。
1? 材料與方法
1.1? 椰心葉甲的飼養(yǎng)
椰心葉甲以椰子葉片作為飼料,在溫濕度分別為(252)℃、RH=75%10%條件下大量飼養(yǎng)備用。
1.2? 椰心葉甲腸道內(nèi)含物的提取
取健康6齡幼蟲(chóng)50頭,先用無(wú)菌水,再用75%酒精擦拭清潔幼蟲(chóng)體表,并用75%酒精浸泡3 min做體表消毒。無(wú)菌條件下解剖蟲(chóng)體,取其腸道,并放入無(wú)菌生理鹽水中漂洗3次,再加入1 mL無(wú)菌水勻漿,備用。實(shí)驗(yàn)前使其饑餓24 h,排空體內(nèi)食物殘?jiān)?/p>
1.3? 椰心葉甲和椰子織蛾腸道微生物的分離純化
細(xì)菌:將上述提取的內(nèi)含物按10?3、10?4、10?5、10?6、10?7、10?8、10?9、10?10、10?11、10?12梯度稀釋?zhuān)魅?.1 mL涂液,同時(shí)取0.1 mL無(wú)菌水作為對(duì)照組。采用LB培養(yǎng)基,涂布后將平板置于30 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h,每24 h觀察1次。用接種環(huán)或解剖針,按菌落的大小、顏色和形態(tài)挑選不同的單菌落在新的LB平板上劃線培養(yǎng),每個(gè)菌落在平板上至少純化5次,得到單克隆菌株,純化得到的菌株接種至斜面培養(yǎng)基置于4 ℃冰箱保存。
真菌:將上述提取的內(nèi)含物制成稀釋液,并以無(wú)菌水為對(duì)照,采用PDA平板,涂板后置于27 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h,每24 h觀察1次。用接種環(huán)或解剖針,按菌落的大小、顏色和形態(tài),分離純化單菌落并分別接種于相應(yīng)的PDA斜面培養(yǎng)基進(jìn)行富集培養(yǎng)備用,為后面提取DNA作準(zhǔn)備。
1.4? 椰心葉甲分離細(xì)菌16S rRNA和真菌ITS的擴(kuò)增
將分離純化得到的細(xì)菌和真菌送至青島派森諾基因生物技術(shù)有限公司進(jìn)行PCR擴(kuò)增及DNA測(cè)序。
1.5? 椰心葉甲腸道微生物的菌種測(cè)定
通過(guò)NCBI Blast程序?qū)z測(cè)后的序列文件與NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),得到與待測(cè)物種序列相似度最大的物種信息,即為鑒定結(jié)果。選取單克隆菌株的近緣序列,利用MEGA 7.0軟件以鄰位相連算法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)[11]。
1.6? 椰心葉甲腸道分離微生物對(duì)纖維素、果膠及木聚糖的降解功能分析
將上述純化得到的菌株分別接種到CPS1(纖維素篩選平板)、PPS1(果膠素篩選平板)、XPS1(木聚糖篩選平板)上。各平板置于恒溫箱培養(yǎng),30 ℃,培養(yǎng)72 h,為后續(xù)進(jìn)行產(chǎn)酶鑒定作準(zhǔn)備。將能在上述CPS1、PPS1、XPS1平板上生長(zhǎng)的菌株分別點(diǎn)至CPS2(纖維素酶鑒定平板)、PPS2(果膠酶鑒定平板)、XPS2(木聚糖酶鑒定平板)上。將各平板置于恒溫箱培養(yǎng),30 ℃,培養(yǎng)7 d,分別使用剛果紅、溴酚藍(lán)、盧戈式碘液進(jìn)行染色,采用透明圈法,對(duì)3種酶的產(chǎn)生菌進(jìn)行鑒定。
2? 結(jié)果與分析
2.1? 椰心葉甲腸道共生菌的分離純化與克隆
將椰心葉甲的腸道內(nèi)容物的稀釋液涂布在LB和PDA培養(yǎng)基上,獲得腸道原始菌株。分別從上述培養(yǎng)基中挑選形態(tài)、大小、顏色不一的菌落進(jìn)行分離純化,共得到24個(gè)細(xì)菌菌落,7個(gè)真菌菌落(依次編號(hào)A1-A31)。提取上述菌落的基因組DNA,以提取的細(xì)菌和真菌基因組DNA為模板擴(kuò)增16S rDNA并進(jìn)行測(cè)序,用NCBI Blast程序?qū)z測(cè)后的序列文件與NCBI 16S數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果顯示,除模板不純,可以得到細(xì)菌22株,真菌2株。分離后的細(xì)菌可能有粘質(zhì)沙雷氏菌(Serratia marcescens)、伯克氏菌屬(Burkholderia)、蠟樣芽胞桿菌(Bacillu scereus)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、帶化紅球菌(Rhodococcus fascians)、微桿菌(Microbacterium foliorum)。真菌有枝孢屬(Gladaxporism)、曲霉屬(Aspergillus)(表1)。
2.2? 椰心葉甲可分離腸道細(xì)菌的構(gòu)成分析
因部分菌株屬于同一菌種,所以選擇其中序列較完整的個(gè)別單克隆菌株(分別命名為SQD1906A1、SQD1906A9、SQD1906A5、
SQD1906A12、SQD1906A13、SQD1906A17)的16S rDNA序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析(圖1)。結(jié)果表明,從椰心葉甲腸道分離的可培養(yǎng)細(xì)菌主要由變形菌? ?門(mén)(Proteobacteria)、厚壁? ? 菌門(mén)(Firmicutes)和放線菌門(mén)(Actinobacteria)組成。其中腸桿菌(Enterobacteraceae)和伯克氏菌(Burkholderia)屬于變形菌門(mén)γ-變形菌綱的分枝,其中伯克氏菌屬于伯克氏菌科,原屬于假單胞菌科,沙雷氏菌屬于腸桿菌目的腸桿菌科;芽孢桿菌(Bacillus)屬于厚壁菌門(mén)的分枝,且屬于芽孢桿菌綱,其中蠟樣芽胞桿菌、枯草芽孢桿菌屬于芽孢桿菌目的芽孢桿菌科;微桿菌(Microbacterium)和紅球菌(Rhodococcus)屬于放線菌門(mén)的分枝,屬于放線菌目的微球菌科。
2.3? 椰心葉甲腸道共生菌的功能鑒定
前期研究表明,椰心葉甲腸道對(duì)纖維素、果膠和木聚糖具有降解作用,對(duì)分離培養(yǎng)出的菌種進(jìn)行功能驗(yàn)證。本研究選取從椰心葉甲腸道中分離出的細(xì)菌,分析其對(duì)纖維素、果膠和木聚糖的
降解能力。結(jié)果表明,A15(芽胞桿菌)對(duì)纖維素具有降解能力(圖2),同時(shí)對(duì)木聚糖也具有降解能力(圖3A);A12(帶化紅球菌)對(duì)木聚糖具有降解能力(圖3B)。
3? 討論
昆蟲(chóng)體內(nèi)通常存在著許多微生物,是昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的一部分。這些微生物或輕或重地影響著昆蟲(chóng)的取食消化、生長(zhǎng)發(fā)育或免疫能力。不同昆蟲(chóng)腸道內(nèi)微生物的種類(lèi)、數(shù)量、分布及功能等均不同[12]。目前發(fā)現(xiàn)變形菌門(mén)是存在于昆蟲(chóng)腸道中共生菌最大的一個(gè)門(mén)類(lèi),其中在很多昆蟲(chóng)腸道中均有發(fā)現(xiàn)腸桿菌、檸檬酸桿菌、粘質(zhì)沙雷氏菌、假單胞菌和伯克氏菌等[13]。厚壁菌門(mén)和擬桿菌也在許多昆蟲(chóng)體內(nèi)通過(guò)分離得到。這些微生物和昆蟲(chóng)處在一個(gè)共生的關(guān)系中,對(duì)昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育起到不可忽略的作用,如對(duì)昆蟲(chóng)免疫系統(tǒng)、抗藥性、壽命等方面的互作關(guān)系。利用甲維鹽喂食斜紋夜蛾(Spodoptera litura)發(fā)現(xiàn)其腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而可以起到防治作用[14]。同時(shí)腸道作為昆蟲(chóng)消化器官,其中大部分共生菌都對(duì)昆蟲(chóng)的營(yíng)養(yǎng)代謝有一定的影響,包括對(duì)纖維素的降解、必要氨基酸的合成等方面。在木食性的松墨天牛(Monnochamus alternatus Hope)的腸道中,通過(guò)選擇培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)得到了多種具有木質(zhì)纖維素降解能力的菌種[15]。
本研究通過(guò)利用傳統(tǒng)微生物分離純培養(yǎng)的方法,從椰心葉甲腸道中共分離出22株細(xì)菌和2株真菌。其中細(xì)菌分別屬于變形菌門(mén)(13株)、厚壁菌門(mén)(6株)和放線菌門(mén)(3株),變形菌門(mén)為優(yōu)勢(shì)菌群。真菌屬于半知菌門(mén)(1株)和子囊菌門(mén)(1株)。其中芽孢桿菌具有降解纖維素和木聚糖的能力,帶化紅球菌具有降解木聚糖的能力。蔣宇[15]在對(duì)華美奧鍬甲(Odontolabis fallaciosa)的腸道微生物多樣性研究中發(fā)現(xiàn)厚壁菌門(mén)和變形菌門(mén)是豐度最高的,在家蠶(Bombyx mori)的研究中也發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)果[16],而在本研究中,可培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)菌群也屬于變形菌門(mén),該結(jié)果與目前研究發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)昆蟲(chóng)腸道優(yōu)勢(shì)菌相同。昆蟲(chóng)腸道內(nèi)的微生物對(duì)植物細(xì)胞壁的降解和營(yíng)養(yǎng)的供給起到重要的作用,而纖維素、果膠和木聚糖是植物細(xì)胞壁的主要組成部分[17]。孫博通等[18]在斜紋夜蛾(Spodoptera litura)的腸道中發(fā)現(xiàn)能夠降解纖維素的腸桿菌,而在本研究中發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌可能也具有對(duì)纖維素的降解能力,同時(shí)該芽孢桿菌也能夠降解木聚糖,可能對(duì)椰心葉甲的營(yíng)養(yǎng)吸收具有一定的影響。此外,在研究中還發(fā)現(xiàn)對(duì)木聚糖有降解能力的帶化紅球菌,并未發(fā)現(xiàn)對(duì)果膠具有降解能力的菌株。而夏曉峰等[19]在對(duì)小菜蛾(Plutellaxy lostella)中腸微生物的研究中發(fā)現(xiàn),小菜蛾中腸細(xì)菌對(duì)纖維素和果膠的降解能力較強(qiáng),對(duì)木聚糖的降解能力較弱,與椰心葉甲不同。推測(cè)是因?yàn)椴煌ハx(chóng)對(duì)降解物質(zhì)的需求有差異而造成的[20]。棕櫚科植物是椰心葉甲的主要寄生對(duì)象,而大部分棕櫚科植物的葉片纖維素含量較高。椰心葉甲腸道共生菌具有降解纖維素和木聚糖的能力,且有相對(duì)優(yōu)勢(shì),對(duì)于其選擇棕櫚植物為寄主可能有一定的影響,這類(lèi)腸道共生菌的存在為椰心葉甲入侵海南危害棕櫚植物提供了生理?xiàng)l件。對(duì)于昆蟲(chóng)體內(nèi)微生物的研究主要集中于2種方式,一是通過(guò)傳統(tǒng)分離培養(yǎng)法,但是由于培養(yǎng)環(huán)境或技術(shù)的限制,往往具有局限性;另一種是通過(guò)現(xiàn)代分子生物學(xué)的方法,基于對(duì)核酸序列的分析,鑒定和認(rèn)識(shí)生態(tài)環(huán)境中還未了解的微生物種群[20]。椰心葉甲幼蟲(chóng)體型較小,在抽取腸道的過(guò)程中,不能保證完整地獲得其腸道。且由于采用的是傳統(tǒng)分離培養(yǎng)法,可能會(huì)存在因?yàn)榕囵B(yǎng)條件和培養(yǎng)方法無(wú)法滿(mǎn)足菌株的自然生態(tài)條件而出現(xiàn)不確定性,同時(shí)腸道中存有許多厭氧菌種,不能通過(guò)傳統(tǒng)方法分離培養(yǎng),所以獲得的結(jié)果可能具有局限性,接下來(lái)可以通過(guò)測(cè)序技術(shù)來(lái)進(jìn)行鑒定。本研究只是初步驗(yàn)證了分離菌株的功能,但并未對(duì)這些菌株的酶活力進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)定,還需后續(xù)進(jìn)一步研究分析。椰心葉甲腸道中的菌種豐富,除了已驗(yàn)證的功能外,還可以發(fā)現(xiàn)更多其他功能。
昆蟲(chóng)腸道是一個(gè)存在于昆蟲(chóng)體內(nèi)的小型生態(tài)系統(tǒng),腸道微生物與寄主大多處在一個(gè)共生環(huán)境中。椰心葉甲的幼蟲(chóng)和成蟲(chóng)主要取食椰子心葉,卻極少取食葉片其他部分,可能與椰心葉甲腸道內(nèi)微生物的組成有很大聯(lián)系。研究結(jié)果顯示椰心葉甲中腸微生物在一定程度上幫助其更好地取食消化,提高了椰心葉甲寄生的寄主適應(yīng)度[21]。對(duì)于昆蟲(chóng)腸道微生物的研究已經(jīng)有越來(lái)越多的學(xué)者介入,本研究為未來(lái)更深入地了解椰心葉甲提供了參考,可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通過(guò)微生物對(duì)椰心葉甲進(jìn)行生物防治的方法。
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