徐 超,王利沙,朱香鎮(zhèn),王 麗,李東陽(yáng),張開(kāi)心,姬繼超,雒珺瑜
(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安陽(yáng) 455000)
蚜蟲(chóng)是世界范圍內(nèi)最具破壞性的害蟲(chóng)之一,當(dāng)前已發(fā)現(xiàn)的蚜蟲(chóng)涵蓋10個(gè)科,約4400種,其中約250種是對(duì)于農(nóng)林業(yè)和園藝業(yè)為害嚴(yán)重的害蟲(chóng)[1]。蚜蟲(chóng)是典型的刺吸型害蟲(chóng),通過(guò)吸食植物汁液直接為害,影響植物發(fā)育,造成品質(zhì)與產(chǎn)量的降低。禾谷縊管蚜Rhopalosiphumpadi是我國(guó)乃至世界范圍內(nèi)小麥上的重要害蟲(chóng),其不僅可以直接取食為害小麥,還可以作為麥類作物病毒病的重要介體導(dǎo)致小麥病毒病流行[2,3]。2020年9月15日,禾谷縊管蚜被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部列入一類農(nóng)作物病蟲(chóng)害名錄。
蚜蟲(chóng)的主要生殖方式為孤雌生殖,高效的生殖是其成災(zāi)的重要原因[4]。當(dāng)種群密度過(guò)高或光照、溫度等環(huán)境因素以及寄主植物質(zhì)量發(fā)生改變時(shí),會(huì)誘導(dǎo)孤雌蚜從無(wú)翅型轉(zhuǎn)變?yōu)橛谐嵝蚚5]。實(shí)際上,蚜蟲(chóng)的翅型分化是其自身適應(yīng)環(huán)境壓力的重要手段,有翅蚜的出現(xiàn)使其能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離遷飛,降低生存競(jìng)爭(zhēng)壓力的影響,對(duì)個(gè)體的生存及種群的發(fā)展具有積極意義[6]。除自然選擇壓力外,激素信號(hào)通路和表觀遺傳修飾被發(fā)現(xiàn)在蚜蟲(chóng)翅型分化中發(fā)揮重要作用[7-9]。豌豆蚜Acyrthosiphonpisum在注射蛻皮激素或其類似物后,產(chǎn)生的有翅后代數(shù)量增加[10]。麥長(zhǎng)管蚜Sitobionavenae多種miRNA可能結(jié)合并促進(jìn)各種生物途徑的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,調(diào)節(jié)其翅型分化[11,12]。
共生菌廣泛參與了宿主昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育、免疫防御、抗藥性的產(chǎn)生和生殖等眾多關(guān)鍵生理過(guò)程[13,14]。例如,Buchnera介導(dǎo)并參與豌豆蚜體內(nèi)非必需氨基酸與必需氨基酸的運(yùn)輸與轉(zhuǎn)化,保證了豌豆蚜生存的營(yíng)養(yǎng)需求[15];豌豆蚜的四種遠(yuǎn)緣共生菌(Regiella,Rickettsia,Rickettsiella,Spiroplasma)在病原真菌Pandoraneoaphidis的侵染過(guò)程中發(fā)揮重要作用,它們減少了殺死蚜蟲(chóng)的真菌孢子形成,從而降低了宿主昆蟲(chóng)的死亡率[16];橘小實(shí)蠅Bactroceradorsalis腸道共生菌——弗氏檸檬酸桿菌Citrobacterfreundii能夠合成分泌磷酸水解酶,將敵百蟲(chóng)降解為水合氯醛和亞磷酸二甲酯,從而降低對(duì)其宿主昆蟲(chóng)的防治效果[17]。Wolbachia能夠通過(guò) 4種方式對(duì)宿主產(chǎn)生生殖調(diào)控,包括細(xì)胞質(zhì)不親和(Cytoplasmic incompatibility,CI)、誘導(dǎo)孤雌生殖(Parthenogenesis inducing,PI)、雌性化(Feminization)和殺雄作用(Male-killing)[18,19]。
隨著研究的深入,共生菌被發(fā)現(xiàn)參與了宿主昆蟲(chóng)的翅型分化過(guò)程。例如,經(jīng)利福平消除布赫納氏菌后,麥長(zhǎng)管蚜有翅后代的比例顯著降低[20];豌豆蚜暴露于報(bào)警信息素的情況下,次級(jí)共生菌Serratia、Hamiltonella和Regiella不同程度地增加了其產(chǎn)生有翅后代的數(shù)量,Regiella的影響相對(duì)最顯著[21]。然而,共生菌與蚜蟲(chóng)翅型分化的互作關(guān)系方向的研究很少,有翅型和無(wú)翅型蚜蟲(chóng)之間的細(xì)菌群落分布差異并沒(méi)有明確。為了更好地了解共生菌在有翅型和無(wú)翅型禾谷縊管蚜中的差異,我們通過(guò)高通量DNA測(cè)序技術(shù)對(duì)樣品中的細(xì)菌16S rDNA基因序列進(jìn)行檢測(cè),獲得了禾谷縊管蚜共生菌組成與結(jié)構(gòu),而后比較了不同翅型禾谷縊管蚜共生菌群落差異。這為進(jìn)一步闡釋共生菌在蚜蟲(chóng)翅型分化的作用機(jī)制奠定了基礎(chǔ),并為控制蚜蟲(chóng)種群的暴發(fā)和遷飛提供了新思路。
禾谷縊管蚜采集于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所安陽(yáng)市白璧鎮(zhèn)試驗(yàn)田,對(duì)試蟲(chóng)進(jìn)行形態(tài)學(xué)鑒定后,單頭接種在小麥幼苗上,共10個(gè)重復(fù),置于恒溫氣候培養(yǎng)箱(溫度28 ℃,光周期14L:10D,相對(duì)濕度 65%,光照強(qiáng)度15000 lx)中培養(yǎng)。產(chǎn)仔后,每個(gè)重復(fù)取一頭進(jìn)行基于線粒體COI基因的DNA條形碼鑒定,引物序列 F:5′-CGAGCCTATTTCACATCA-3′;R:5′-GCATACCTGCTAACCCTA-3′(基因登陸號(hào):MT119781.1)。在確定待試蚜蟲(chóng)為禾谷縊管蚜后,通過(guò)控制種群密度使其進(jìn)行翅型分化[22],每株小麥幼苗上接種30頭蚜蟲(chóng)進(jìn)行高密度飼養(yǎng),誘導(dǎo)產(chǎn)生有翅型后代。成蟲(chóng)出現(xiàn)48 h內(nèi),用軟刷從同一寄主小麥植株上采集無(wú)翅成蟲(chóng)和有翅成蟲(chóng)。在超凈工作臺(tái)中,75%乙醇消毒5 min后,依次用PBS緩沖液(pH 7.4)和滅菌的超純水沖洗3次,然后用高壓滅菌的吸水濾紙去除殘余水分。每50頭作為一個(gè)生物重復(fù),每種翅型4個(gè)生物重復(fù)。
使用天根血液/細(xì)胞/組織基因組DNA提取試劑盒(DP304)提取無(wú)翅和有翅型樣品總DNA。利用NanoDrop 2000C型微量分光光度計(jì)對(duì)提取DNA的濃度和質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)(OD260/280),并通過(guò)1.2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的質(zhì)量。
以上述 DNA 為模板,采用 16S rDNA 基因的 V3-V4區(qū)通用引物(338F:5′-ACTCCTACGGGA GGCAGCAG-3′,806R:5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)[23]進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增,擴(kuò)增程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性3 min,35個(gè)循環(huán)(95 ℃變性30 s,55 ℃ 退火30 s,72 ℃ 延伸30 s),最后72 ℃延伸10 min。擴(kuò)增體系為 20 μL,含 4 μL 5×FastPfu 緩沖液,2 μL 2.5 mmol/L dNTPs,0.8 μL 引物(5 μmol/L),0.4 μL FastPfu 聚合酶,10 ng DNA模板。
根據(jù)Illumina MiSeq 平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程將純化后的擴(kuò)增片段構(gòu)建PE 2×300的文庫(kù),利用MiSeq PE300平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)。原始FASTQ文件使用Trimmomatic軟件質(zhì)控,并通過(guò)FLASH軟件按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拼接:(1) 設(shè)置50 bp的窗口,如果窗口內(nèi)的平均質(zhì)量值低于20,從窗口前端位置截去該堿基后端所有序列,之后再去除質(zhì)控后長(zhǎng)度低于50 bp的序列;(2) 根據(jù)重疊堿基overlap將兩端序列進(jìn)行拼接,拼接時(shí)overlap之間的最大錯(cuò)配率為0.2,長(zhǎng)度需大于10 bp,去除無(wú)法拼接的序列;(3)根據(jù)序列首尾兩端的barcode和引物將序列拆分至每個(gè)樣本,barcode需精確匹配,引物允許2個(gè)堿基的錯(cuò)配,去除存在模糊堿基的序列。
使用的 UPARSE軟件(version 7.1 http://drive5.com/uparse/),根據(jù) 97%的相似度對(duì)序列進(jìn)行 OTU(Operational taxonomic units,操作分類單元)聚類,并在聚類的過(guò)程中去除單序列和嵌合體。利用RDP classifier(http://rdp.cme.msu.edu/)對(duì)每條16S rDNA序列進(jìn)行物種分類注釋,比對(duì)Silva數(shù)據(jù)庫(kù)(SSU123),設(shè)置比對(duì)閾值為70%。通過(guò)Wilcox秩和檢驗(yàn)(Wilcoxon rank-sum test)進(jìn)行顯著性差異分析,并用FDR(false discovery rate)的方法對(duì)P值進(jìn)行檢驗(yàn)校正。在OTU水平上,閾值FDR<0.01和P<0.05即確定兩組樣品的細(xì)菌相對(duì)豐度存在顯著差異。將獲取的16S序列通過(guò)ClustalW進(jìn)行比對(duì),明確樣本中OTUS的進(jìn)化關(guān)系,并將對(duì)比結(jié)果利用MEGA v5.05以環(huán)形系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)的方式表現(xiàn)出來(lái)。
在Illunina Miseq PE 300平臺(tái)上對(duì)兩種翅型蚜蟲(chóng)的DNA樣品中的細(xì)菌16S rDNA基因V3-V4區(qū)進(jìn)行測(cè)序,所有樣本按照最小樣本數(shù)進(jìn)行抽平,并基于97%的序列相似度進(jìn)行OTU聚類。得到高質(zhì)量的序列為399209條,堿基數(shù)為170497329個(gè),組間平均測(cè)序覆蓋率為1,這表明本次試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映樣品中絕大多數(shù)細(xì)菌類群的組成情況。無(wú)翅蚜四個(gè)樣品的有效序列為193913條,平均長(zhǎng)度為425 bp;有翅蚜為205296條,平均長(zhǎng)度為428 bp。無(wú)翅蚜的Shannon指數(shù)大于有翅蚜,Simpson指數(shù)小于有翅蚜,說(shuō)明無(wú)翅蚜樣品的物種多樣性高于有翅蚜;無(wú)翅蚜的ACE指數(shù)與Chaol指數(shù)大于有翅蚜,說(shuō)明無(wú)翅蚜樣品的物種豐度高于有翅蚜(表1)。通過(guò)Shannon和Chao指數(shù)的稀釋曲線對(duì)樣本的物種多樣性進(jìn)行評(píng)估,曲線在45000個(gè)reads之前便趨于平穩(wěn)(圖1A,1B),這表明樣本的測(cè)序數(shù)據(jù)量是合理的,可以在此基礎(chǔ)上展開(kāi)數(shù)據(jù)分析。
圖1 有翅(AL)和無(wú)翅(AP)禾谷縊管蚜細(xì)菌群落的α多樣性指數(shù)稀釋曲線(A與B)和樣本聚類分析(C與D)Fig.1 Rarefaction curves of α-diversity indices (A and B) and samples cluster analysis plot of bacterial communities (C and D) from alate and apterous morphs of R.padi
表1 兩組樣品中的有效序列數(shù)目和平均長(zhǎng)度、多樣性指數(shù)、豐富度及樣品覆蓋度Table 1 The valid sequences number and average length, diversity index, richness and sample coverage in two groups
禾谷縊管蚜兩組樣本共聚類到174個(gè)OTUs,這些OTUs按分類階元可劃分為10門,18綱,42目,66科,98屬,137種(圖2)。
圖2 有翅與無(wú)翅禾谷縊管蚜各分類學(xué)水平的細(xì)菌群落比較Fig.2 Venn diagram of bacterial community obtained from alate and apterous morphs of R.padi at different classification levels
兩組樣本中,在門水平,變形桿菌為豐度最高的優(yōu)勢(shì)菌門(85.98%);在目水平,腸桿菌目為優(yōu)勢(shì)菌目(83.13%);在科水平,腸桿菌科為優(yōu)勢(shì)菌科(83.13%);在屬水平,布赫納氏菌為優(yōu)勢(shì)菌屬,其豐度為82.88%(表2)。
表2 禾谷縊管蚜不同分類水平的細(xì)菌群落組成Table 2 Bacterial community composition of R.padi at different taxonomic levels
將禾谷縊管蚜按照翅型分為有翅型和無(wú)翅型兩個(gè)分組,每組分為4個(gè)生物重復(fù),通過(guò)主成分分析(PCA)、主坐標(biāo)分析(PCoA)兩種算法,在OTU水平上分析了兩種翅型的禾谷縊管蚜成蟲(chóng)的細(xì)菌結(jié)構(gòu)組成的差異。如圖1C、1D所示,AP與AL兩組樣品的四個(gè)重復(fù)具有明顯的聚集性,而兩組樣品間的距離明顯,說(shuō)明兩種翅型的禾谷縊管蚜的共生菌組成結(jié)構(gòu)存在顯著性差異。
兩組樣品中,有翅型禾谷縊管蚜的共生菌多樣性相對(duì)較低,共聚類151個(gè)OTUs,包含了9門、14綱、35目、56科、83屬、121種;無(wú)翅型禾谷縊管蚜的共生菌多樣性相對(duì)較高,共聚類出174個(gè)OTUs,隸屬于10門、18綱、42目、66科、98屬和137種(圖2)。其中酸桿菌門Acidobacteria(1種)、放線菌門Actinobacteria(7種)、擬桿菌門Bacteroidetes(3種)、綠彎菌門Chloroflexi(2種)、變形菌門Proteobacteria(3種)、厚壁菌門Firmicutes(1種)和單糖菌門Saccharibacteria(5種)等共22種共生菌是無(wú)翅型禾谷縊管蚜特有的。在環(huán)形物種進(jìn)化樹(shù)中,變形菌Proteobacteria是門水平上最大的類群,囊括了63個(gè)OTUs,占總OTUs的36.2%;其次是放線菌門Actinobacteria,包含61個(gè)OTUs,占比35.1%。其中,OTU2028-布赫納氏菌Buchnera(279537 reads)、OTU108-木糖葡萄球菌Staphylococcusxylosus(13574 reads)、OTU1925-節(jié)桿菌Arthrobacterarilaitensis(6693 reads)和OTU137-松鼠葡萄球菌Staphylococcussciuri(4005 reads)的豐度顯著高于其他的OTUs(圖3)。
圖3 基于OTU序列的禾谷縊管蚜細(xì)菌群落系統(tǒng)發(fā)育分析Fig.3 Phylogeny of bacterial community identified in R.padi based on the OTUs sequences
將兩種翅型的禾谷縊管蚜樣品分別組內(nèi)求均值后,在各分類學(xué)水平上對(duì)比兩者間的共生菌豐度差異。在門水平,兩組樣品中豐度最高的為變形菌門,在有翅蚜中占比97.29%,無(wú)翅蚜中占比74.94%。其余占比大于1%的有放線菌門、厚壁菌門與單糖菌門三種,在有翅蚜中的豐度均低于無(wú)翅蚜(圖4A)。
在綱水平,兩組樣品中豐度最高的為γ-變形菌綱,在有翅蚜中占比96.88%,無(wú)翅蚜中占比72.34%;其他占比大于1%的包括放線菌綱、芽胞桿菌綱、α-變形菌綱與norank_p_Saccharibacteria共5個(gè)綱,在有翅蚜中的豐度均低于無(wú)翅蚜(圖4B)。
在目水平,兩組樣品中豐度最高的為腸桿菌目,在有翅蚜中占比95.81%,無(wú)翅蚜中占比71.08%;其他占比大于1%的包括芽胞桿菌目、微球菌目、丙酸桿菌目、假單胞菌目和假諾卡氏菌目等6個(gè)目,在有翅蚜中的豐度均低于無(wú)翅蚜(圖4C)。
在科水平,兩組樣品中豐度最高的為腸桿菌科,在有翅蚜中占比95.81%,無(wú)翅蚜中占比71.08%,其他占比大于1%的包括葡萄球菌科、微球菌科、類諾卡氏菌科和假諾卡氏菌科等5個(gè)科,在有翅蚜中的豐度均低于無(wú)翅蚜(圖4D)。
在屬水平,兩組樣品中豐度最高的為布赫納氏屬,在有翅蚜中占比95.58%,無(wú)翅蚜中占比70.84%,其他占比大于1%的包括葡萄球菌屬、節(jié)桿菌屬、類諾卡氏菌屬與假諾卡氏菌屬等5個(gè)屬,在有翅蚜中的豐度均低于無(wú)翅蚜(圖4E)。
圖4 有翅型和無(wú)翅型禾谷縊管蚜的共生菌在不同分類階元的相對(duì)豐度Fig.4 Relative abundance of symbiotic bacteria in alate and apterous morphs of R.padi at different classification levels
在種水平,布赫納氏菌所占比例最高,在禾谷縊管蚜有翅型中平均占比95.53%,在無(wú)翅型中平均占比70.82%。木糖葡萄球菌次之,在有翅型中平均占比0.06%,在無(wú)翅型中平均占比8.04%。此外,阿氏節(jié)桿菌、松鼠葡萄球菌以及兩種未分類的類諾卡氏菌,在無(wú)翅成蟲(chóng)中的豐度也>1%,但在有翅成蟲(chóng)中豐度均低于0.5%(圖5A)。
在兩種翅型的禾谷縊管蚜成蟲(chóng)間具有顯著性差異的、豐度均值最高的5種OTUs中,只有OTU2028(布赫納氏菌)在有翅成蟲(chóng)中的豐度要高于無(wú)翅成蟲(chóng)。其他4種OTUs(OTU108、OTU1925等)在無(wú)翅成蟲(chóng)中的豐度均顯著高于有翅成蟲(chóng)(圖5B)。
圖5 有翅和無(wú)翅禾谷縊管蚜的細(xì)菌多樣性差異Fig.5 The difference of bacterial diversity in alate and apterous morphs of R.padi
蚜蟲(chóng)共生菌多樣性差異的原因是多樣化的,物種差異、種內(nèi)表型、寄主植物、地理位置以及季節(jié)變化等都可能會(huì)造成其共生菌群落結(jié)構(gòu)的變化[24,25]。近年來(lái),微生物被報(bào)道參與宿主昆蟲(chóng)的各種表型可塑性過(guò)程,如共生菌Regiellainsecticola顯著增加了豌豆蚜產(chǎn)生有翅型后代的數(shù)量等[21,26]。為了更好地理解細(xì)菌群落與翅型分化之間的關(guān)系,本研究對(duì)禾谷縊管蚜有翅和無(wú)翅型的體內(nèi)細(xì)菌群落進(jìn)行了比較。為避免可能受到其他因素的干擾,如近緣種形態(tài)相似、田間種群細(xì)菌群落多樣性差異過(guò)大等[27],本研究首先將野外采集的禾谷縊管蚜在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)擴(kuò)繁后,進(jìn)行DNA條形碼鑒定,確定待用蟲(chóng)體為禾谷縊管蚜后,選取兩種翅型成蚜進(jìn)行16S rDNA基因V3-V4測(cè)序分析。兩組樣品共鑒定出137種細(xì)菌,有翅蚜包含了121種,無(wú)翅蚜囊括了全部137種(圖2)。
布赫納氏菌是禾谷縊管蚜的優(yōu)勢(shì)共生菌,在兩組樣品中,平均相對(duì)豐度最高(圖 5A),這一結(jié)果與其他蚜蟲(chóng)類似[28]。布赫納氏菌作為蚜蟲(chóng)的初級(jí)共生菌,參與宿主的發(fā)育和繁殖等生命活動(dòng)[29,30],兩者經(jīng)歷了長(zhǎng)期的平行進(jìn)化。布赫納氏菌在有翅蚜體內(nèi)的含量占其共生細(xì)菌總量的 95.53%,而在無(wú)翅蚜中占70.82%,兩者之間存在顯著差異(圖 4E)。由此可見(jiàn),布赫納氏菌極有可能影響蚜蟲(chóng)的翅型分化。這一結(jié)果與Hardie和Leckstein[31]的研究結(jié)果相互印證:該研究發(fā)現(xiàn),蠶豆蚜A.fabae有翅后代的減少可能與B.aphidicola喪失所引起的營(yíng)養(yǎng)受損有關(guān)。同樣,Zhang等[20]通過(guò)抗生素消除了麥長(zhǎng)管蚜若蟲(chóng)中的布赫納氏菌,降低了其后代發(fā)育成有翅蚜的比例,這可能是由于布赫納氏菌的缺失導(dǎo)致蚜蟲(chóng)生理活性受到抑制或缺乏生長(zhǎng)發(fā)育所必需的氨基酸所致。
阿氏節(jié)桿菌Arthrobacterarilaitensis在無(wú)翅蚜中占比3.451%,遠(yuǎn)高于有翅蚜中的0.498%(圖5A)。該細(xì)菌可參與宿主的氮元素轉(zhuǎn)化與利用[32],在植物與土壤中經(jīng)常被報(bào)道[33],表明這種共生菌可能是蚜蟲(chóng)從環(huán)境或寄主植物中獲得的。木糖葡萄球菌Staphylococcusxylosus與松鼠葡萄球菌Staphylococcussciuri在無(wú)翅蚜中含量分別為8.04%和2.38%,但是在有翅蚜中,分別僅占0.06%與0.02%。這兩種葡萄球菌均被報(bào)道具有抵抗致病菌的功能[34,35]。阿氏節(jié)桿菌以及上述兩種葡萄球菌為何在兩種翅型禾谷縊管蚜體內(nèi)的分布有差異,仍需進(jìn)一步探究。此外,該研究發(fā)現(xiàn)有翅蚜的共生菌多樣性低于無(wú)翅蚜,有 16種共生菌是無(wú)翅型禾谷縊管蚜特有的。造成有翅蚜共生菌多樣性降低的原因,可能是布赫納氏菌豐度增加抑制了某些食物源細(xì)菌進(jìn)入體內(nèi)并定殖。類似的共生菌互補(bǔ)與替代的情況在其他昆蟲(chóng)中也有報(bào)道[36,37]。
本研究檢測(cè)了有翅型與無(wú)翅型禾谷縊管蚜共生細(xì)菌群落的差異,初步探究了其與宿主翅型分化之間的聯(lián)系。在有翅蚜中,僅有布赫納氏菌的豐度顯著高于無(wú)翅蚜,其它細(xì)菌均低于無(wú)翅蚜。在細(xì)菌群落多樣性方面,無(wú)翅蚜在各分類階元細(xì)菌群落多樣性均高于有翅蚜。我們推測(cè)布赫納氏菌可能是參與禾谷縊管蚜進(jìn)行有翅分化的關(guān)鍵共生細(xì)菌,而有翅蚜翅的分化會(huì)相對(duì)降低共生細(xì)菌的多樣性與群落豐度。本研究結(jié)果對(duì)開(kāi)展共生菌的功能研究具有重要參考價(jià)值,為通過(guò)調(diào)控共生菌群治理禾谷縊管蚜種群的暴發(fā)與遷飛提供了新思路。