关键词:
草地贪夜蛾
COI基因
Tpi基因
微卫星
种群遗传分析
生态学
摘要:
草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda属于昆虫纲(Insecta)、鳞翅目(Lepidoptera)、夜蛾科(Noctuidae)、灰翅夜蛾属(Spodoptera Herrich-Schaeffer),起源于南美洲及北美地区。由于其远距离迁飞特性,2016年在非洲被广泛发现,在2018年进一步迁飞至东南亚并于2019年初入侵中国云南省形成定殖行为。由于其入侵时间短、破坏力强,为了更好地进行防治,需要对其遗传学和生态学进行进一步研究。通过对草地贪夜蛾种群遗传结构、遗传分化和遗传多样性的研究不仅可以揭示国内草地贪夜蛾不同地理种群间的亲缘关系,也可以估计出不同地理种群间基因流强度和扩散范围,推测可能的迁移扩散情况。与传统研究手段相比,种群遗传学分析省时省力且有很强的操作性。与此同时,为了研究入侵国内的草地贪夜蛾对两种主要作物玉米和水稻的寄主适应性和偏好性,本文利用两种主要寄主作物的叶片对草地贪夜蛾进行了饲养、观察和统计分析。旨在利用遗传学和生态学相结合的研究方法更好获得该虫的理论背景基础,为未来草地贪夜蛾的防治工作提供可实施的管理对策方案。
本文首先利用线粒体细胞色素氧化酶I(COI)基因、磷酸丙糖异构酶(Tpi)基因和SSR分子标记,研究了来自中国16个草地贪夜蛾种群的遗传分化、遗传多样性和遗传结构。接着利用常用的生态学统计研究手段,分析玉米叶片和水稻叶片饲喂下草地贪夜蛾的产卵率、孵化率、死亡率以及存活率情况,得出的主要结论如下:
1)本实验对2年内采自国内6个省份的16个草地贪夜蛾种群322个个体的线粒体COI片段进行分型鉴定分析,发现这些草地贪夜蛾个体可以分为296个水稻型和26个玉米型。但此结果与国内草地贪夜蛾主要寄主为玉米、甘蔗和高粱信息不一致。进一步利用Tpi基因对其中50个草地贪夜蛾进行分型鉴定,发现超过80%的草地贪夜蛾为玉米型,而少数为杂合型,这与寄主信息比较吻合,因此得到Tpi基因分型鉴定是国内草地贪夜蛾分子鉴定的优势手段,对比COI基因分型能够更加简单有效准确区分国内草地贪夜蛾的类型。
2)利用获得的367bp线粒体COI片段,再与NCBI网站下载的南美洲55条COI片段综合对比。单独从国内来看,322条序列一共有6个重要单倍型,存在10个变异位点,其中Hap_1的数量最多,在292个个体中被发现,其次是Hap_2,存在于23个个体当中。国内与南美洲综合来看,377个草地贪夜蛾个体通过线粒体COI可分为20个单倍型。其中中国的单倍型有6种,且其中的4种是国内特有单倍型。除此之外,国内的最多水稻型草地贪夜蛾Hap_8与乌拉圭汇在一起,可能意味着这种单倍型是来源于乌拉圭。另外,中国的Hap_16单倍型,也是收集到的最多玉米型是cs-h4玉米型,这种玉米型在美国地区常见且南美地区很少出现,可能意味着这次入侵中国的草地贪夜蛾是有两种不同的来源,分别来自北美地区的美国和南美地区的乌拉圭。
3)基于COI分子标记数据研究草地贪夜蛾种群遗传分化,AMOVA分子方差分析结果显示,16个草地贪夜蛾种群的变异主要发生在种群内部,变异比例为97.25%,而种群间的变异比率仅有2.75%,意味着种群间的变异比例极小。对FST值分析发现成对的FST取值范围为-0.088~0.222,大部分的FST值并不显著。基于线粒体COI基因片段的FST值结果显示我国的草地贪夜蛾种群中分化程度较小,甚至有些种群几乎无分化。只有广东省(NS)种群与部分种群存在显著的分化,分化程度在0.047~0.222之间,其中NS种群与HM种群的FST值最大,为0.222。总体可知,除了CZ、JR和HM地理种群遗传分化大多为正值,有一定的遗传分化,但是存在部分种群间的FST值为负值,意味这些种群间没有分化且存在很强的基因流(gene flow)水平。
4)本研究还对草地贪夜蛾的COI基因进行了中性检验,包括Fu and Li's D&F、Tajima's D和Fu’s Fs四项。结果发现MS和ZJ种群的Fu’s Fs不显著,而Fu and Li's D&F显著,说明这两个种群可能存在着背景选择。MY种群的Tajima's D为显著正值,意味着种群规模的显著减少或受到了平衡选择。MS、ZJ、CZ和JR四个种群的Tajima's D值为显著负值,表示低频率的等位基因比预期要高,意味着种群的扩增现象或者受到了负选择作用。另外,JR种群的Fu’s Fs为正值,而Fu and Li's D&F值不显著,可能暗示这个种群近期可能出现了种群扩散。
5)利用南美洲以前报道的8个微卫星对中国16个草地贪夜蛾种群进行种群遗传分化和遗传结构分析,每个草地贪夜蛾种群微卫星位点存在有效等位基因的个数为4.1-9.1,平均数为6.84,比南美洲的6.49要高,意味着国内种群的多