丁新華 汪洋洲 賈尊尊等
關(guān)鍵詞 亞洲玉米螟; 歐洲玉米螟; 近緣種; 種群分化; 寄主
中圖分類號(hào): S451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A DOI: 10.16688/j.zwbh.2022286
玉米螟俗稱玉米鉆心蟲(chóng),屬鱗翅目Lepidoptera草螟科Crambidae稈野螟屬Ostrinia,是世界范圍內(nèi)玉米上的主要害蟲(chóng),每年給全球玉米生產(chǎn)造成巨大損失,同時(shí)也是造成中國(guó)玉米減產(chǎn)的第一大害蟲(chóng)[13]。玉米螟在世界范圍內(nèi)主要分為歐洲玉米螟Ostrinia nubilalis(Hubner)和亞洲玉米螟O.furnacalis(Guenée),其中歐洲玉米螟主要分布于歐洲、北非、西亞、中亞和北美洲[45],亞洲玉米螟則主要分布在亞洲東部和南部、澳大利亞和西太平洋的一些島嶼上[6]。中國(guó)是目前世界已知的唯一同時(shí)分布有亞洲玉米螟和歐洲玉米螟的國(guó)家,其中亞洲玉米螟在中國(guó)廣泛分布且為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種,歐洲玉米螟目前已知僅分布于中國(guó)新疆的伊犁河谷地區(qū)[7]。
兩種玉米螟同時(shí)也是研究生物進(jìn)化、雜交和同域物種形成的理想模式生物[89],其中歐洲玉米螟由于種群間在生態(tài)和性特征上存在差異,已成為研究生態(tài)多樣性和早期物種形成機(jī)制的模式生物[10]。此外,同域發(fā)生區(qū)對(duì)種群進(jìn)化研究也十分重要,已成為研究物種進(jìn)化的熱點(diǎn)之一[1113]。綜上可見(jiàn),同域發(fā)生的亞洲玉米螟和歐洲玉米螟可為研究近緣種種間競(jìng)爭(zhēng)、物種進(jìn)化、雜交等提供極為難得的材料。
新疆伊犁河谷地區(qū)地處我國(guó)最西部,與中亞的哈薩克斯坦接壤,并被青藏高原、塔克拉瑪干沙漠和天山山脈阻隔。20世紀(jì)80年代新疆伊犁河谷地區(qū)還是純系歐洲玉米螟分布區(qū),亞洲玉米螟還沒(méi)有入侵到此地,且歐洲玉米螟也沒(méi)有入侵到亞洲東部,直到1988年之前該區(qū)域僅報(bào)道有歐洲玉米螟分布[1416]。但在近幾十年里,亞洲玉米螟已入侵到這一區(qū)域,目前這一區(qū)域已成為世界上唯一一處已知的亞洲玉米螟和歐洲玉米螟同域混生區(qū),且亞洲玉米螟作為外來(lái)種在玉米上已經(jīng)成功取代歐洲玉米螟,成為混生區(qū)玉米上的優(yōu)勢(shì)種類,研究還發(fā)現(xiàn)亞洲玉米螟可以和歐洲玉米螟進(jìn)行基因交流,并在自然界中發(fā)現(xiàn)了它們的大量雜交個(gè)體,且基因流偏向從亞洲玉米螟種群滲透到歐洲玉米螟種群[7]。
盡管新疆伊犁混生區(qū)玉米螟種群中歐洲玉米螟在玉米上的種群數(shù)量已顯著下降,然而在混生區(qū)內(nèi)其他寄主植物上歐洲玉米螟種群數(shù)量是否下降尚不清楚,且該混生區(qū)內(nèi)玉米螟的主要野外寄主種類以及這兩種近緣種在主要寄主植物上的群落組成及混生比例也尚不清楚,為此,本文在田間寄主植物系統(tǒng)調(diào)查的基礎(chǔ)上,利用線粒體細(xì)胞色素c氧化酶Ⅰ(mtCOⅠ)基因測(cè)序和種特異性氣味受體4(OR4)基因限制性酶切法對(duì)混生區(qū)內(nèi)4個(gè)縣市8?jìng)€(gè)采樣地5種主要寄主上的986個(gè)玉米螟樣本進(jìn)行種類鑒定分析,以期系統(tǒng)摸清新疆伊犁同域混生區(qū)內(nèi)玉米螟的主要野外寄主種類,明確亞洲玉米螟和歐洲玉米螟的空間組成分布現(xiàn)狀及不同寄主群落混生情況,為后續(xù)同域環(huán)境近緣種種間競(jìng)爭(zhēng)、生物進(jìn)化、雜交等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1材料與方法
1.1寄主種類調(diào)查
筆者所在研究團(tuán)隊(duì)于2018年-2019年連續(xù)2年每年5月初至9月底對(duì)已有文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)是玉米螟寄主且在新疆伊犁河谷混生區(qū)內(nèi)有廣泛分布的植物開(kāi)展玉米螟發(fā)生為害調(diào)查,共8科21屬23種,同時(shí)還對(duì)這些寄主植物尤其是分布在玉米田周邊可能是玉米螟野生寄主的雜草或其他植物開(kāi)展系統(tǒng)調(diào)查。具體方法為:對(duì)每種主要寄主/可能寄主隨機(jī)設(shè)置調(diào)查地,并重復(fù)3次,每調(diào)查樣地均采用5點(diǎn)取樣方法,每點(diǎn)20株,每隔7d調(diào)查1次,如若發(fā)現(xiàn)有玉米螟發(fā)生,則繼續(xù)統(tǒng)計(jì)卵、幼蟲(chóng)、蛹等各蟲(chóng)期的數(shù)量和被害株率等指標(biāo)。
1.2樣本采集
本研究對(duì)混生區(qū)內(nèi)玉米螟田間樣本的采集分兩次完成,第一批次樣本采集于2019年8月3日至16日,為混生區(qū)內(nèi)玉米上采集的第2代玉米螟卵塊,共獲得961個(gè)卵塊。隨后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行單卵塊飼養(yǎng),飼養(yǎng)條件為(28±1)℃,光周期L∥D=16h∥8h,RH(75±5)%,并對(duì)其中成功孵化的602個(gè)卵塊進(jìn)行抽樣鑒定,每個(gè)卵塊隨機(jī)抽取單頭低齡玉米螟幼蟲(chóng)進(jìn)行DNA 提取和物種鑒定(表1)。第二批次樣本采集于2019年9月13日至10月7日,為混生區(qū)內(nèi)5種主要寄主植物上采集的第2代玉米螟幼蟲(chóng),共獲得1225頭樣本。記錄采樣相關(guān)信息,將采集到的幼蟲(chóng)單頭放入管帽扎有透氣孔的1.5mL離心管內(nèi)臨時(shí)保存,帶回實(shí)驗(yàn)室后置于-80℃超低溫冰箱中保存。隨后從各采樣地每種寄主上隨機(jī)抽取一定數(shù)量的玉米螟幼蟲(chóng)進(jìn)行DNA 提取和物種鑒定,共計(jì)384頭幼蟲(chóng)樣本(表2)。綜上,總計(jì)獲得來(lái)自混生區(qū)內(nèi)4個(gè)縣市8?jìng)€(gè)采樣地5種寄主上的986個(gè)疑似玉米螟樣本。
1.3DNA提取
玉米螟DNA 的提取參考Frohlich等的方法略作修改[17]。取單頭玉米螟幼蟲(chóng)放入1.5mLEppen-dorf管內(nèi),吸?。保唉蹋?裂解液[每升裂解液含5μL1mol/LTris(pH=8.0),1μL0.5mol/LEDTA(pH=8.0),5μLNP40,5.3μL250.0mg/mLPro-teinK+ ,983.7μLddH2O]滴在蟲(chóng)體上,使用滅菌的小號(hào)研磨棒將玉米螟充分研磨均勻;用10μL裂解液清洗研磨棒并將清洗液移入Eppendorf管中,最后再加入40μL裂解液(總體積約60μL);將勻漿液在PCR儀中溫育(65℃15min,95℃10min),溫育后的產(chǎn)物在-20℃貯存?zhèn)溆谩?/p>
1.4PCR擴(kuò)增
PCR反應(yīng)總體系為50μL,其中DNA 模板2.4μL,上、下游引物(線粒體COI基因,GenBank登錄號(hào)為GU093522.1。上游:5′-GCTTTCCCAC-GAATAAATAATA-3′;下游:5′-TAAACTTCTG-GATGTCCAAAAAATCA-3′)各2 μL,TaqPCRmix25μL,其余使用超純水補(bǔ)足。PCR 反應(yīng)程序?yàn)椋梗础妫担恚椋?;94℃30s,52℃30s,72℃1min,35個(gè)循環(huán);72℃ 10min;4℃ 保存。PCR 產(chǎn)物用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),電泳結(jié)果在AlphaImagerHP凝膠成像系統(tǒng)中檢查。將PCR產(chǎn)物送至深圳華大基因公司,對(duì)986個(gè)玉米螟樣品的單鏈進(jìn)行測(cè)序(ABI3730Xl,Applied Biosystems)。
1.5物種鑒定
對(duì)樣品的mtCOⅠ基因序列進(jìn)行比對(duì),并結(jié)合氣味受體4(OR4)基因限制性內(nèi)切酶酶切的結(jié)果鑒定亞洲玉米螟和歐洲玉米螟雜合體組成情況[7]。首先,將COⅠ序列在BOLD數(shù)據(jù)庫(kù)在線比對(duì)確認(rèn)玉米螟種類[18],并將相關(guān)序列提交至GenBank,其中942 個(gè)亞洲玉米螟序列GenBank 登錄號(hào)為ON428469~ ON428476、ON428680~ ON428900、ON453532~ ON453614、ON453616~ ON453645、ON458761~ ON458800、ON458802~ ON458858、ON460597~ ON460646、ON460954~ ON461003、ON461257~ ON461367、ON461377~ ON461472、ON462185~ ON462258、ON468523~ ON468527、ON468531~ON468560、ON468563~ON468645;44個(gè)歐洲玉米螟序列GenBank登錄號(hào)為ON462368~ON462411。
OR4基因獲取及酶切:PCR反應(yīng)總體系為50μL,其中DNA 模板2.4μL,上、下游引物(OstOR4-F1:5′-TGACCAAAACCCATCGACTCT-3′;OstOR4-R1:5′-TTGTCGGAAAGGTAATRTAGCC-3′)各2 μL,TaqPCRmix25μL,使用超純水補(bǔ)足至50μL。PCR反應(yīng)程序:94℃ 5 min;94℃ 30s,57℃ 30s,72℃1min,35個(gè)循環(huán);72℃ 10min,4℃ 保存。PCR產(chǎn)物用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。擴(kuò)增產(chǎn)物用TaqⅠ進(jìn)行酶切,酶切體系包括PCR產(chǎn)物10μL (0.1~0.5μg的DNA),nuclease-freewater18μL,10×TaqⅠBuffer2μL,TaqⅠ1~2μL。混勻后在65℃溫?。薄保叮瑁瘶悠酚茫常キ傊悄z在80V下電泳60min,然后在凝膠成像系統(tǒng)中檢查結(jié)果。
1.6數(shù)據(jù)分析
采用MicrosoftOfficeExcel2010和SPSS23.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)混生區(qū)內(nèi)不同調(diào)查地點(diǎn)亞洲玉米螟或歐洲玉米螟卵塊/幼蟲(chóng)混生比例間的差異水平進(jìn)行單因素方差分析(OnewayANOVA),如果差異顯著再進(jìn)行Duncan’sHSD 多重比較,顯著性水平設(shè)定為α=0.05。
2結(jié)果與分析
2.1新疆伊犁同域混生區(qū)玉米螟主要寄主植物種類調(diào)查
調(diào)查發(fā)現(xiàn),新疆伊犁混生區(qū)內(nèi)玉米螟的寄主植物主要是玉米Zea ma ys L、高粱Sorghum bicotor(L.)Moench、稗Echinochloacrus-galli(L.)Beauv.、狗尾草Setaria viridis(L.)Beauv.和苘麻Abutilon theo phrasti Medicus ,偶見(jiàn)蒼耳Xanthium strumarium L.、大麻Cannabis sativa L、反枝莧Amaranthus rdroflerus L.等,其中,玉米為該混生區(qū)玉米螟最主要的寄主,受害最嚴(yán)重,平均蟲(chóng)量為30~240頭/百稈,嚴(yán)重時(shí)高達(dá)560頭/百稈。其次為高粱,平均蟲(chóng)量為10~40頭/百稈。在混生區(qū)調(diào)查地可見(jiàn)玉米螟在稗草上普遍發(fā)生,平均被害株率可達(dá)10%~20%。狗尾草、苘麻等雜草也常見(jiàn)玉米螟不同程度地發(fā)生,被害株率除在極少數(shù)區(qū)域可達(dá)1%~5%以外,大多低于1%。此外,混生區(qū)內(nèi)也偶見(jiàn)蒼耳、大麻、反枝莧上有少量玉米螟幼蟲(chóng),豇豆、茄子有極少量玉米螟卵塊分布但未見(jiàn)幼蟲(chóng)發(fā)生。
2.2新疆伊犁同域混生區(qū)玉米植株上兩種玉米螟卵組成和分布情況
在明確混生區(qū)主要寄主植物種類的基礎(chǔ)上,首先對(duì)混生區(qū)內(nèi)主要寄主植物玉米植株上兩種玉米螟卵的組成及混生情況進(jìn)行研究,從玉米植株上采集的第2代玉米螟卵塊中有359個(gè)卵塊因被赤眼蜂寄生、卵塊干燥死亡、無(wú)效卵等原因未能孵化,對(duì)成功孵化的602個(gè)卵塊進(jìn)行單卵塊飼養(yǎng)并依次抽取低齡幼蟲(chóng)進(jìn)行COⅠ片段測(cè)序,并在BOLD 數(shù)據(jù)庫(kù)搜索比對(duì),結(jié)果顯示,575個(gè)卵塊樣本被鑒定為亞洲玉米螟,相似性為99.02%~100%;27個(gè)卵塊樣本則被鑒定為歐洲玉米螟,相似性為99.24%~100%。從地理分布來(lái)看,亞洲玉米螟已在混生區(qū)內(nèi)所有調(diào)查縣市的玉米上廣泛分布,且在各調(diào)查地混生比例存在顯著差異(犘<0.05),為86.44%~100%不等;歐洲玉米螟分布范圍已經(jīng)極為有限,僅分布于緊鄰哈薩克斯坦的霍爾果斯市以及位于伊犁河谷最東部、西天山腹地新源縣這2個(gè)縣市的少數(shù)區(qū)域,且所占比例較低,為0~13.56%不等。所有調(diào)查地中,新源縣塔勒德鎮(zhèn)歐洲玉米螟比例最高,達(dá)13.56%,其次依次為新源縣阿勒瑪勒鎮(zhèn)(11.25%)、霍爾果斯市伊車鄉(xiāng)(9.55%)、新源縣阿熱勒托別鎮(zhèn)(0.64%)。新源縣吐?tīng)柛l(xiāng)和霍城縣均未發(fā)現(xiàn)有歐洲玉米螟分布。
2.3新疆伊犁同域混生區(qū)不同寄主植物上玉米螟幼蟲(chóng)的種類組成和分布情況
為進(jìn)一步摸清混生區(qū)內(nèi)各主要寄主植物上分布的玉米螟種類組成及混生情況,筆者采集了混生區(qū)內(nèi)5種主要寄主植物上的第2代玉米螟幼蟲(chóng),共獲得1225頭樣本,并隨機(jī)抽取一定數(shù)量的樣本進(jìn)行mtCOⅠ基因片段測(cè)序,并在BOLD 數(shù)據(jù)庫(kù)中在線比對(duì),結(jié)果顯示,367個(gè)幼蟲(chóng)樣本被鑒定為亞洲玉米螟,相似性為99.11%~100%;17個(gè)幼蟲(chóng)樣本被鑒定為歐洲玉米螟,相似性為100%。從不同寄主分布來(lái)看,亞洲玉米螟比歐洲玉米螟有更廣泛的寄主范圍和更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,具體表現(xiàn)為亞洲玉米螟在混生區(qū)內(nèi)可取食玉米、高粱、稗草、狗尾草、苘麻等所有主要寄主植物,其在上述5種寄主上的混生比例依次為73.33% ~100%、100%、88.89% ~100%、95.00%~100%、100%。歐洲玉米螟則主要集中分布在玉米上,混生比例為0~26.67%,偶爾取食稗草和狗尾草,混生比例依次為0~11.11%、0~5.00%不等。綜合來(lái)看,目前亞洲玉米螟已在混生區(qū)內(nèi)所有主要寄主植物上成功取代歐洲玉米螟,并成為新疆伊犁同域混生區(qū)內(nèi)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種。
2.4新疆伊犁同域混生區(qū)兩種近緣種玉米螟雜交個(gè)體組成情況
我們?cè)谟衩譵tCOⅠ基因測(cè)序比對(duì)的基礎(chǔ)上,采用OR4基因限制性內(nèi)切酶鑒定法對(duì)上述5種主要寄主植物上的384頭玉米螟幼蟲(chóng)樣本進(jìn)行酶切鑒定。結(jié)果(圖1)顯示,367頭幼蟲(chóng)樣本酶切結(jié)果為兩條帶,即存在TaqⅠ酶切位點(diǎn)(TCGA),被鑒定為亞洲玉米螟;17頭幼蟲(chóng)樣本酶切結(jié)果為1條帶,即不存在TaqⅠ酶切位點(diǎn)(TCGA),被鑒定為歐洲玉米螟。綜合mtCOⅠ和OR4基因的聯(lián)合鑒定結(jié)果,上述所有玉米螟樣本兩種鑒定方法的結(jié)果均保持一致。這表明,本研究中混生區(qū)內(nèi)5個(gè)研究地5種寄主植物上分布的384頭玉米螟樣本均為純合體,即純合亞洲玉米螟和純合歐洲玉米螟,未發(fā)現(xiàn)有雜合體存在。
3結(jié)論與討論
歐洲玉米螟是一種多食性鱗翅目昆蟲(chóng),原產(chǎn)于歐洲和西亞[19],其幼蟲(chóng)可以取食200多種單子葉和雙子葉寄主植物[10],有證據(jù)表明,其在地方栽培玉米和其他寄主植物上呈現(xiàn)一定程度的?;裕郏玻埃荨H纾停幔欤幔酰螅岬龋郏?,21]研究發(fā)現(xiàn),法國(guó)北部取食玉米和啤酒花艾蒿的歐洲玉米螟種群分化為2種寄主型,而其他地區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的寄主?;?。實(shí)驗(yàn)室選擇性試驗(yàn)表明,歐洲玉米螟初孵幼蟲(chóng)可能更喜歡替代宿主雜草而不是玉米[22],但在玉米上的存活率最高[2324]。在波蘭和其他歐洲國(guó)家,歐洲玉米螟主要在北艾Artemisia vulgaris、啤酒花Humulus lupu-lus、大麻Cannabis sativa和玉米上被發(fā)現(xiàn)[2]。本研究發(fā)現(xiàn),目前新疆伊犁混生區(qū)內(nèi)歐洲玉米螟主要取食并分布在玉米上,偶見(jiàn)取食稗草、狗尾草,其在上述3種當(dāng)?shù)刂饕闹髦参锷系幕焐壤来螢椋啊玻叮叮罚ァⅲ啊保保保保?、0~5.00%。這與Megan等通過(guò)利用穩(wěn)定同位素(δC)發(fā)現(xiàn)北美地區(qū)歐洲玉米螟主要取食C4植物(主要是玉米)的研究結(jié)果基本一致[20],但與Piwczyński等的研究結(jié)果不同[2]。從地理分布來(lái)看,新疆伊犁混生區(qū)內(nèi)歐洲玉米螟分布范圍極為有限,目前主要分布在伊犁河谷最西部,與中亞哈薩克斯坦毗鄰的霍爾果斯市以及位于伊犁河谷最東部,西天山腹地新源縣等少數(shù)區(qū)域,所占比例僅為0~26.67%不等。
亞洲玉米螟被認(rèn)為是中國(guó)廣布的優(yōu)勢(shì)種,我國(guó)已明確的亞洲玉米螟寄主植物也有70余種,可為害玉米、高粱、谷子、水稻等重要糧食作物以及棉、麻等經(jīng)濟(jì)作物和多種菊科類雜草[2526]。本研究發(fā)現(xiàn),亞洲玉米螟在新疆伊犁混生區(qū)所有調(diào)查縣市的采樣地均廣泛分布,所占比例為73.33%~100%,從寄主分布來(lái)看,混生區(qū)內(nèi)玉米、高粱、稗草、狗尾草、苘麻等5種寄主植物上的玉米螟種類也均主要是亞洲玉米螟,比例依次為73.33%~100%、100%、88.89%~100%、95.00%~100%、100%。目前,亞洲玉米螟已在混生區(qū)內(nèi)主要寄主植物上成功取代了歐洲玉米螟,成為新疆伊犁同域混生區(qū)內(nèi)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種,且廣泛分布于各混生區(qū)內(nèi)。這一研究結(jié)果與王克勤等[27]、楊哲等[28]對(duì)我國(guó)東北地區(qū)亞洲玉米螟寄主?;苑治龅闹饕Y(jié)果基本相符。田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)酸模葉蓼Persicaria lapathifolia是亞洲玉米螟最適宜寄主植物,其次為玉米、谷子、薏苡Coix lacryma-jobi[25,28]?;焐鷧^(qū)內(nèi)亞洲玉米螟比歐洲玉米螟具有更廣泛寄主范圍的原因可能是由于亞洲玉米螟在玉米引入中國(guó)之前就以谷子和雜草為寄主,在中國(guó)進(jìn)化的歷史比較悠久,因而比歐洲玉米螟具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
此外,筆者利用mtCOⅠ基因測(cè)序結(jié)合氣味受體4(OR4)基因酶切鑒定對(duì)混生區(qū)內(nèi)不同調(diào)查地玉米、高粱、稗草、狗尾草、苘麻等5種寄主植物上亞洲玉米螟和歐洲玉米螟的雜合體組成情況進(jìn)行分析,所有384個(gè)玉米螟樣本均為純合亞洲玉米螟或純合歐洲玉米螟,未發(fā)現(xiàn)有雜合體存在。這一結(jié)果與Wang等[7]的研究結(jié)果存在差異,推測(cè)造成這一差異的原因可能有兩個(gè),一方面Wang等[7]主要是采用64 個(gè)高通量SNP遺傳位點(diǎn)標(biāo)記和一個(gè)種特異性氣味受體犗犚4 基因證明了自然界中亞洲玉米螟和歐洲玉米螟雜交個(gè)體的存在,而本文采用的犿狋犆犗Ⅰ基因測(cè)序結(jié)合氣味受體犗犚4基因酶切鑒定的方法可能不能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)雜合體的存在。另一方面,也有可能是由于在亞洲玉米螟加速取代歐洲玉米螟過(guò)程中受遺傳漂變的影響導(dǎo)致雜合體比例快速降低,其具體原因有待日后進(jìn)一步深入研究。本文通過(guò)全面摸清當(dāng)前新疆伊犁這一世界上唯一已知亞洲玉米螟和歐洲玉米螟同域混生區(qū)域內(nèi)玉米螟種群競(jìng)爭(zhēng)替代以及主要寄主種類,系統(tǒng)明確亞、歐兩種玉米螟在主要寄主植物上的分布情況,為后續(xù)同域環(huán)境近緣種種間競(jìng)爭(zhēng)替代和生物進(jìn)化等研究提供科學(xué)依據(jù)。