王斯亮,邵 越,閆成進(jìn)
(1.溫州科技職業(yè)學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,浙江 溫州 325000; 2.溫州市植物保護(hù)與土壤肥料管理站,浙江 溫州 325000)
草地貪夜蛾()原產(chǎn)于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū),具有遷飛習(xí)性,自2016年開(kāi)始入侵非洲以來(lái),現(xiàn)已擴(kuò)散至世界各地,是一種破壞力強(qiáng)的重大入侵害蟲(chóng)。草地貪夜蛾寄主范圍廣,已知能為害76科353種植物,主要包括禾本科106種、菊科31種和豆科31種,重點(diǎn)為害玉米、小麥、水稻、高粱、甘蔗、棉花等作物。草地貪夜蛾由于不同的寄主偏好性,分化形成了“玉米型”(主要取食玉米、棉花和高粱)和“水稻型”(主要取食水稻和牧草)兩個(gè)亞群,二者在形態(tài)學(xué)上沒(méi)有顯著差異,但是在交配行為、信息素成分等方面有明顯的差別。張磊等鑒定我國(guó)的草地貪夜蛾入侵種群來(lái)源于美國(guó)的佛羅里達(dá)州,該種群大部分呈現(xiàn)核基因“玉米型”,線粒體基因“水稻型”的特征,故稱(chēng)之為“特殊玉米型”,推測(cè)其可能為“水稻型”母本與“玉米型”父本雜交產(chǎn)生。國(guó)內(nèi)目前報(bào)道的草地貪夜蛾寄主植物主要包括玉米、小麥、水稻、青稞、甘蔗、花生、馬鈴薯、甘藍(lán)等。
草地貪夜蛾適生區(qū)域廣。北回歸線以南地區(qū),草地貪夜蛾可以周年繁殖,無(wú)滯育。在中國(guó),長(zhǎng)江中下游地區(qū)和東南丘陵地帶是草地貪夜蛾的高度適生區(qū)。然而冬季草地貪夜蛾的越冬蟲(chóng)態(tài)和冬季寄主是需要調(diào)查研究的問(wèn)題。入侵我國(guó)的草地貪夜蛾以“玉米型”和“特殊玉米型”為主,雖然草地貪夜蛾本身具有多食性,但在飼喂不同寄主植物的實(shí)驗(yàn)中,草地貪夜蛾明顯表現(xiàn)出對(duì)玉米的偏好。在廣東地區(qū)的1—3月,草地貪夜蛾仍然能以幼蟲(chóng)蟲(chóng)態(tài)為害并安全越冬,并且為害分布與冬種玉米區(qū)范圍一致,極少數(shù)在甘蔗上發(fā)現(xiàn),而在香蕉、花生、馬鈴薯等作物未見(jiàn)草地貪夜蛾。安徽和江蘇地區(qū)均在10月發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾為害早播小麥,其中安徽壽縣小麥平均被害株率高達(dá)77.51%,蘇北地區(qū)小麥平均被害株率高達(dá)52.60%。12月上旬以后,主要在云南、四川冬麥區(qū)發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾為害。已有多種實(shí)驗(yàn)表明,草地貪夜蛾取食小麥能夠完成生活史。由此可見(jiàn),小麥?zhǔn)遣莸刎澮苟甑臐撛谠蕉闹髦?,我?guó)南方的冬小麥種植區(qū),尤其是前茬種植玉米的小麥田,很可能成為草地貪夜蛾的冬季庇護(hù)場(chǎng)所。本研究通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,分析草地貪夜蛾在取食玉米和小麥后基因表達(dá)水平變化,探究草地貪夜蛾在寄主轉(zhuǎn)換過(guò)程中的內(nèi)在適應(yīng)性機(jī)制。
草地貪夜蛾幼蟲(chóng)于2019年10月16日在溫州市藤橋鎮(zhèn)溫州種子種苗科技園(北緯28°5′42″,東經(jīng)120°30′59″)玉米上采集,在人工氣候箱(RXZ-500D-LED,寧波江南儀器廠)內(nèi)培育數(shù)代,箱內(nèi)溫度25 ℃,濕度70%,光照周期為12 L/12 D。
用玉米葉喂養(yǎng)初孵幼蟲(chóng)直至5齡初(蛻皮后24 h內(nèi)),將幼蟲(chóng)放入35 mm培養(yǎng)皿中單獨(dú)飼養(yǎng),分成3組,每組分別飼喂玉米葉、小麥葉、人工飼料(參照華南農(nóng)業(yè)大學(xué)提供的配方,主要成分為黃豆粉、麥麩等)。3 d后,提取單頭幼蟲(chóng)總RNA,每組做3次生物重復(fù)。
將草地貪夜蛾幼蟲(chóng)放入試劑RNA-easy Isolation Reagent(南京諾唯贊生物科技有限公司)中研磨,參照該試劑說(shuō)明書(shū)對(duì)應(yīng)的方法操作提取RNA,并通過(guò)紫外分光光度計(jì)檢測(cè)RNA的濃度和純度,通過(guò)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)RNA的完整性。
轉(zhuǎn)錄組委托南京集思慧遠(yuǎn)生物科技有限公司采用Nova seq6 000平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序,測(cè)序讀長(zhǎng)為PE150。測(cè)序前使用Nanodrop和Agilent 2 100檢測(cè)RNA的濃度和純度以及完整性。測(cè)序得到的原始數(shù)據(jù)Raw Data,通過(guò)去除測(cè)序接頭,過(guò)濾低質(zhì)量序列,得到高質(zhì)量的Clean Data,并使用軟件FastQc(v0.11.8)對(duì)Clean Data進(jìn)行質(zhì)量控制,計(jì)算Q30等指標(biāo)。使用軟件Trinity(v2.4.0)對(duì)得Clean Data的Reads進(jìn)行拼接組裝,生成每個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄本序列(transcript),取每條基因中最長(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄本作為Unigene。
使用軟件BLAST將Unigene序列與NR(Non-Redundant Protein Sequence Database)、Swiss-Prot、GO(Gene Ontology)、COG(Clusters of Orthologous Groups)、KOG(euKaryotic Orthologous Groups)、KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì),參數(shù)設(shè)置E-value<10。預(yù)測(cè)Unigene的氨基酸序列,使用軟件HMMER將氨基酸序列與Pfam(Protein family)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)。綜合以上數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)結(jié)果,獲得Unigene的功能注釋信息。
采用軟件Bowtie2(V4.4.7)將測(cè)序得到的Reads與Unigene庫(kù)進(jìn)行比對(duì),根據(jù)比對(duì)結(jié)果,結(jié)合軟件RSEM進(jìn)行表達(dá)量水平估計(jì)。利用FPKM(Fragments Per Kilobase of exon model per Million mapped fragments)值表示對(duì)應(yīng)Unigene的表達(dá)豐度。差異表達(dá)分析中,使用R(v3.6.2)中的DESeq2程序包計(jì)算差異倍數(shù)(FC,F(xiàn)old Change),篩選標(biāo)準(zhǔn)為|log2(FC)|≥1且FDR<0.05。篩選到差異基因后,根據(jù)超幾何分布原理進(jìn)行差異表達(dá)基因的GO富集分析和KEGG富集分析。
本實(shí)驗(yàn)中,被測(cè)的草地貪夜蛾幼蟲(chóng)分為3組,其中處理組2組,分別是飼喂小麥葉的FAWw組和飼喂人工飼料的FAWsl組,對(duì)照組1組,為飼喂玉米葉的FAWym組。取5齡初幼蟲(chóng)(蛻皮后24 h內(nèi))開(kāi)始飼喂,3 d后取樣提取總RNA,每組3個(gè)生物重復(fù),共9個(gè)RNA樣本進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。樣本測(cè)序并過(guò)濾得到Clean Data(表1),結(jié)果顯示,Q30的比例均達(dá)到92%以上(堿基質(zhì)量值Q30對(duì)應(yīng)堿基識(shí)別精度達(dá)到99.9%),未識(shí)別堿基(N)的比例均為0,表明測(cè)序數(shù)據(jù)可靠。
表1 草地貪夜蛾幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果(Clean Data)
將Clean Data中的Reads進(jìn)行混合組裝,最終得到66 407條Unigene,平均長(zhǎng)度為1 063.99 bp,N50長(zhǎng)度為1 768 bp。組裝的Unigene序列長(zhǎng)度全部大于300 bp,其中,長(zhǎng)度大于1 000 bp的有17 957條,占27.04%的比例,長(zhǎng)度大于2 000 bp的有8411條,占Unigene總數(shù)的12.67%(表2)。
表2 草地貪夜蛾幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)錄組組裝結(jié)果(Unigene)
將組裝得到的草地貪夜蛾幼蟲(chóng)Unigene序列,與NR、Swiss-Prot、GO、COG、KOG、KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),將Unigene的預(yù)測(cè)氨基酸序列與Pfam數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),最終獲得18 868條有注釋信息的Unigene(表3)。其中在NR數(shù)據(jù)庫(kù)中注釋到的Unigene有18 645條,占比98.82%。通過(guò)NR庫(kù)的注釋信息,獲得草地貪夜蛾幼蟲(chóng)Unigene序列與近緣種屬的同源序列相似情況,其中匹配最多的是斜紋夜蛾的同源序列,共有13 248條,占NR注釋Unigene總數(shù)的71.05%,其次是棉鈴蟲(chóng)(5.77%)和煙芽夜蛾(5.49%)(圖1)。草地貪夜蛾與斜紋夜蛾為同屬近緣種,該結(jié)果表明Unigene注釋信息可參考程度較高。
圖1 草地貪夜蛾幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)錄組Unigene在NR數(shù)據(jù)庫(kù)的同源物種分布
表3 草地貪夜蛾幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)錄組Unigene功能注釋
以取食玉米葉的草地貪夜蛾幼蟲(chóng)為對(duì)照組(FAWym),與取食飼料3 d后的草地貪夜蛾幼蟲(chóng)(FAWsl)相比,共找到6 863個(gè)差異表達(dá)基因,與取食小麥葉3 d后的草地貪夜蛾幼蟲(chóng)(FAWw)相比,有542個(gè)差異表達(dá)基因(表4),其中共同的差異表達(dá)基因有384條。在差異表達(dá)基因列表中除去未獲得注釋的基因,得到取食飼料后(FAWsl組)的差異表達(dá)基因4 607條(上調(diào)表達(dá)基因2 364條,下調(diào)表達(dá)基因2 243條),取食小麥葉后(FAWw組)的差異表達(dá)基因432條(上調(diào)表達(dá)基因263條,下調(diào)表達(dá)基因169條),共同的差異表達(dá)基因304條,其中在FAWw組和FAWsl組中均表現(xiàn)上調(diào)表達(dá)的基因有82條,均表現(xiàn)下調(diào)表達(dá)的基因有98條(表5)。
表4 差異表達(dá)基因相關(guān)統(tǒng)計(jì)
在FAWw組的上調(diào)表達(dá)基因中,有82條基因是在FAWsl組中也表現(xiàn)上調(diào)表達(dá)的共同上調(diào)表達(dá)基因,有94條基因?qū)儆诠餐町惐磉_(dá)基因中在FAWsl組呈現(xiàn)下調(diào)表達(dá)的基因,87條基因?yàn)樘禺愋陨险{(diào)表達(dá)基因(表5)。去掉82條共同上調(diào)表達(dá)基因后進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)FAWw組表達(dá)量顯著上調(diào)的基因有大量涉及表皮相關(guān)功能,包括表皮蛋白(cuticle protein),類(lèi)似兜甲蛋白(loricrin-like),類(lèi)似節(jié)肢彈性蛋白原(pro-resilin-like),表皮生長(zhǎng)因子受體激酶(epidermal growth factor receptor kinase),內(nèi)表皮結(jié)構(gòu)糖蛋白(endocuticle structural glycoprotein)等。共有32條表皮相關(guān)基因,其中27條在FAWw組上調(diào)表達(dá),在FAWsl組下調(diào)表達(dá)(表6)。該結(jié)果表明不同食物對(duì)草地貪夜蛾幼蟲(chóng)的表皮發(fā)育有不同影響。
表5 特異性差異表達(dá)基因與共同差異表達(dá)基因
細(xì)胞色素P450(cytochrome P450)被認(rèn)為與多食性昆蟲(chóng)的寄主適應(yīng)性相關(guān)。FAWw組的差異表達(dá)基因中,細(xì)胞色素P450基因有16條,主要包含CYP4,CYP6,CYP9等家族的基因。其中下調(diào)基因有13條。在下調(diào)表達(dá)的細(xì)胞色素P450基因中,有5條屬于FAWw組特異性下調(diào)基因,有8條屬于共同下調(diào)基因(表6)。另外有2條解毒酶基因也在FAWw組和FAWsl組中共同下調(diào),分別是谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferase,GST)基因和過(guò)氧化物酶(peroxidase)基因。
表6 草地貪夜蛾取食小麥后(FAWw)的功能性差異表達(dá)基因
GO包含3個(gè)大類(lèi),分別是生物學(xué)過(guò)程(Biological Process),細(xì)胞組分(Cellular Component),分子功能(Molecular Function)。通過(guò)GO對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行功能富集分析,得到在生物學(xué)過(guò)程大類(lèi)中,F(xiàn)AWw組的上調(diào)表達(dá)基因的富集趨勢(shì)與總差異表達(dá)基因的富集趨勢(shì)相似,表現(xiàn)為在免疫系統(tǒng)過(guò)程(immune system process)和細(xì)胞殺傷(cell killing)功能上顯著富集(圖2)。富集顯著程度排名靠前(前20項(xiàng))的二級(jí)功能術(shù)語(yǔ)(Term)中,有4條術(shù)語(yǔ)涉及免疫功能,分別是防衛(wèi)細(xì)菌反應(yīng)(defense response to bacterium,GO:0042742),外來(lái)細(xì)胞殺傷(killing of cells of other organism,GO:0031640),防衛(wèi)原生動(dòng)物反應(yīng)(defense response to protozoan,GO:0042832),抗真菌體液免疫反應(yīng)(antifungal humoral response,GO:0019732)。而FAWsl組的差異表達(dá)基因在免疫功能上沒(méi)有明顯的富集(圖2)。在細(xì)胞組分大類(lèi)中,F(xiàn)AWw組和FAWsl組的差異表達(dá)基因在功能富集分析上差異不大,富集顯著程度最高的二級(jí)功能術(shù)語(yǔ)均為胞外區(qū)(extracellular region,GO:0005576)和細(xì)胞器膜(organelle membrane,GO:0031090),每個(gè)術(shù)語(yǔ)內(nèi)的上調(diào)和下調(diào)表達(dá)基因數(shù)量相近。在分子功能大類(lèi)中,表皮結(jié)構(gòu)成分(structural constituent of cuticle,GO:0042302)是FAWw組和FAWsl組的差異表達(dá)基因富集顯著程度最高的二級(jí)功能術(shù)語(yǔ),然而在FAWw組表現(xiàn)為上調(diào)基因在表皮結(jié)構(gòu)成分中顯著富集,在FAWsl組則是下調(diào)基因在表皮結(jié)構(gòu)成分中顯著富集,表明取食小麥后可能有利于草地貪夜蛾幼蟲(chóng)表皮的生成。
A,草地貪夜蛾幼蟲(chóng)取食小麥后(FAWw)的差異表達(dá)基因GO富集分析;B,草地貪夜蛾幼蟲(chóng)取食人工飼料后(FAWsl)的差異表達(dá)基因GO富集分析。
KEGG代謝通路富集分析結(jié)果顯示,F(xiàn)AWsl組的上調(diào)基因富集的代謝通路有蛋白酶體(Proteasome),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)加工(Protein processing in endoplasmic reticulum),DNA復(fù)制(DNA replication),錯(cuò)配修復(fù)(Mismatch repair)等,這些通路都與生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)。下調(diào)基因富集的代謝通路主要與解毒代謝有關(guān),如過(guò)氧化物酶體(Peroxisome),細(xì)胞色素P450代謝外源物質(zhì)(Metabolism of xenobiotics by cytochrome P450),藥物代謝-細(xì)胞色素P450(Drug metabolism-cytochrome P450),藥物代謝-其他酶(Drug metabolism-other enzymes),谷胱甘肽代謝(Glutathione metabolism)等(圖3)。人工飼料相比與植物,有毒次生代謝物明顯減少,因此,幼蟲(chóng)的解毒代謝活性顯著下降。取食小麥的FAWw組,上調(diào)基因主要在甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝(Glycine, serine and threonine metabolism),半胱氨酸和甲硫氨酸代謝(Cysteine and methionine metabolism),DNA復(fù)制,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)加工等通路富集。下調(diào)基因富集較顯著的通路有過(guò)氧化物酶體,苯丙氨酸代謝(Phenylalanine metabolism)等(圖4)。表明取食小麥后,幼蟲(chóng)氨基酸代謝和轉(zhuǎn)換反應(yīng)更活躍。
A,F(xiàn)AWsl上調(diào)表達(dá)基因的KEGG代謝通路富集分析;B,F(xiàn)AWsl下調(diào)表達(dá)基因的KEGG代謝通路富集分析。
A, FAWw上調(diào)表達(dá)基因的KEGG代謝通路富集分析;B,F(xiàn)AWw下調(diào)表達(dá)基因的KEGG代謝通路富集分析。
本研究中,取食玉米的草地貪夜蛾幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)換飼喂小麥后的差異表達(dá)基因數(shù)量(542條)比轉(zhuǎn)換飼喂人工飼料后的差異基因數(shù)量(6 863條)明顯減少,表明小麥和玉米對(duì)草地貪夜蛾幼蟲(chóng)而言是非常相似的食物,可以互相替代。已有多項(xiàng)研究表明,草地貪夜蛾取食小麥后能順利完成生活史。王芹芹等試驗(yàn)結(jié)果表明,草地貪夜蛾幼蟲(chóng)取食小麥和玉米的取食選擇率、存活率、體重?zé)o顯著差異。巴吐西等證明,草地貪夜蛾取食小麥后幼蟲(chóng)存活率和凈增殖率低于取食玉米,但平均世代周期、內(nèi)稟增長(zhǎng)率、周限增長(zhǎng)率無(wú)顯著差異。呂亮等發(fā)現(xiàn),草地貪夜蛾幼蟲(chóng)對(duì)小麥的食物利用效率低于玉米,但幼蟲(chóng)取食小麥生長(zhǎng)發(fā)育速度比取食玉米更快。我國(guó)云南、安徽、江蘇、河南、山東、四川均有草地貪夜蛾為害小麥田。因此,草地貪夜蛾取食小麥越冬的風(fēng)險(xiǎn)依然存在。
草地貪夜蛾是典型的多食性害蟲(chóng),但是在取食上也有一定的偏好性。草地貪夜蛾有“玉米型”和“水稻型”兩個(gè)亞群,“玉米型”草地貪夜蛾取食水稻后適合度顯著降低。對(duì)“玉米型”和“水稻型”草地貪夜蛾幼蟲(chóng)進(jìn)行基因組測(cè)序,發(fā)現(xiàn)“玉米型”和“水稻型”在細(xì)胞色素P450基因家族有顯著分化,且“水稻型”的CYP4家族基因相比“玉米型”急劇擴(kuò)張,表明細(xì)胞色素P450在草地貪夜蛾寄主適應(yīng)性中起到重要作用。人工飼料里的有毒次生代謝物少,取食人工飼料后,草地貪夜蛾幼蟲(chóng)細(xì)胞色素P450家族基因顯著下調(diào),表明“適口性”更好的食物,可以減輕幼蟲(chóng)的解毒壓力。而取食小麥后,細(xì)胞色素P450家族部分基因表達(dá)量有所下調(diào),可能表明小麥對(duì)草地貪夜蛾幼蟲(chóng)而言“適口性”較好,也存在小麥的防御反應(yīng)抑制了幼蟲(chóng)解毒能力的可能性。
本研究中還發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾在取食小麥之后,大量涉及免疫功能的基因,以及表皮相關(guān)的基因,表達(dá)量顯著上調(diào)。而這一現(xiàn)象在取食人工飼料后沒(méi)有發(fā)生。表明取食小麥可以提升草地貪夜蛾抵抗逆境的能力。尤其是大量表皮相關(guān)基因,在取食小麥后表達(dá)上調(diào),而在取食人工飼料后表達(dá)下調(diào),這個(gè)對(duì)比結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了取食小麥對(duì)草地貪夜蛾的表皮生成有潛在的促進(jìn)作用。這些差異表達(dá)的表皮相關(guān)基因主要涉及表皮蛋白基因。表皮蛋白對(duì)昆蟲(chóng)的表皮結(jié)構(gòu)形成和穩(wěn)固有關(guān)鍵作用,如在褐飛虱()中,一些表皮蛋白的缺失會(huì)造成表皮無(wú)法正常生成。昆蟲(chóng)在受到低溫、干燥、農(nóng)藥等不利因素的影響時(shí),表皮蛋白基因的表達(dá)量會(huì)上調(diào)。取食也會(huì)改變昆蟲(chóng)表皮蛋白基因的表達(dá)情況,如岡比亞按蚊()在血餐飼喂后,多種表皮蛋白基因的表達(dá)量發(fā)生變化。然而在草地貪夜蛾中,取食小麥對(duì)幼蟲(chóng)表皮的具體作用還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,如取食小麥后表皮是否有增厚,是否能增強(qiáng)草地貪夜蛾的抗寒能力等。
綜上所述,小麥?zhǔn)遣莸刎澮苟暧紫x(chóng)較好的替代性寄主,秋冬季節(jié)玉米收割之后,草地貪夜蛾選擇小麥作為越冬寄主的可能性很大。我國(guó)南方氣候溫暖,多數(shù)地區(qū)種植秋玉米和冬小麥。以溫州為例,溫州地區(qū)近年來(lái)的12月至次年2月平均氣溫均在10 ℃左右(溫州氣象局,http://www.wz121.com/menuDetail),2019年度種植玉米面積6 097 hm,小麥面積602 hm(溫州市統(tǒng)計(jì)局,http://wztjj.wenzhou.gov.cn/art/2020/11/11/art_1468706_58725761.html),是適宜草地貪夜蛾越冬的地帶。一些零星調(diào)查顯示,溫州地區(qū)在1月仍能夠在玉米田邊的禾本科雜草上以及殘留的玉米株上發(fā)現(xiàn)4~6齡的草地貪夜蛾幼蟲(chóng)。需加強(qiáng)冬季小麥田的草地貪夜蛾幼蟲(chóng)及蛹的普查,尤其是前茬種植玉米的小麥田。