禾谷缢管蚜对温度胁迫的响应及分子机制

禾谷缢管蚜Rhopalosiphum padi(L.)属于半翅目Hemiptera蚜科Aphididae，是世界性的重要小麦害虫之一，其通过刺吸小麦汁液危害，分泌蜜露引起煤污病，影响小麦生长发育;而且还能传播大麦黄矮病毒(Barley yellow dwarf virus，BYDV)，使小麦叶色变黄，植物矮化，分蘖减少;该虫危害给世界各地的小麦生产造成严重损失。禾谷缢管蚜在我国各小麦种植区均有分布，其较耐高温，在长江流域和黄河流域麦区危害较重，但是近年来其严重危害区域逐渐向北方扩大，在我国北方许多小麦种植区的危害逐渐加重，这可能与气温变化等因素有关。全球气候变暖增加了禾谷缢管蚜在北方以孤雌蚜越冬的可能，从而影响早春的虫口基数和危害程度;全球变暖条件下，我国南北各地气温升高，经常出现不正常的温度骤升与骤降以及不正常的酷热与严寒。昆虫对温度胁迫的响应和耐受性对其种群动态、发生规律以及分布和扩散能力有着重要的作用。昆虫温度适应性研究是当前昆虫学研究中的一个重要分支，包括昆虫对温度胁迫的响应、温度耐受性以及对环境的适应性进化，相关研究与昆虫的种群动态、发生分布、地理扩散能力以及种群替代密切相关，能够为全球变暖趋势下害虫发生的预测预报、地理种群扩张以及合理防治策略的制定提供理论依据。本论文研究了高温胁迫对禾谷缢管蚜存活率的影响以及短时高温对禾谷缢管蚜存活、繁殖和后代生长发育的影响;克隆了7个禾谷缢管蚜热激蛋白基因;分析了5个Hsp基因在禾谷缢管蚜不同翅型、生长发育以及生殖方式中的表达模式;研究了高温胁迫后禾谷缢管蚜5个Hsp基因的表达变化;明确热锻炼和冷驯化对禾谷缢管蚜温度耐受性和热激蛋白基因表达的影响以及热锻炼对温度耐受性、繁殖力和热激蛋白基因表达的综合影响;分析了高效氯氰菊酯诱导对热激蛋白基因表达的影响。主要研究结果如下:一、短时高温对禾谷缢管蚜存活及生殖的影响本研究结果显示，无翅和有翅孤雌成蚜存活率随胁迫温度的升高和胁迫时间的延长而降低，并且无翅孤雌成蚜较有翅孤雌成蚜耐高温。短时高温处理后，禾谷缢管蚜当代成蚜的寿命显著缩短，且产蚜量显著降低;F1代成蚜的寿命无显著变化，但36℃和38℃处理后F1代成蚜的产蚜量显著少于对照和37℃处理。38℃处理后禾谷缢管蚜F1代种群的发育历期显著延长，净增殖率r0、内禀增长率rm和周限增长率λ显著低于对照，而平均世代周期t则显著高于对照组。本研究表明，短时高温处理对禾谷缢管蚜当代种群具有显著的不利影响，并且38℃短时高温处理明显抑制禾谷缢管蚜f1代种群增长。二、禾谷缢管蚜hsp基因的克隆及序列分析本研究成功从禾谷缢管蚜中克隆到7个hsp基因(rphsp60、rphsc70、rphsp70-1、rphsp70-2、rphsc70-3、rphsc70-5和rphsp90)，氨基酸序列分析显示，7个hsp基因分别具有hsp60家族，hsp70家族和hsp90家族的特征序列，其中rphsp60和rphsc70-5属于线粒体热激蛋白，rphsc70，rphsp70-1，rphsp70-2和rphsp90属于细胞质热激蛋白，而rphsc70-3为内质网hsp70基因。序列相似性分析表明，7个禾谷缢管蚜热激蛋白具有高度的保守性，并且与蚜科其他蚜虫的氨基酸序列在进化上关系较近。三、禾谷缢管蚜hsp基因在不同翅型、发育阶段和生殖方式的相对表达量分析禾谷缢管蚜5个hsp基因(rphsp60，rphsc70，rphsp70-1，rphsp70-2和rphsp90)的相对表达量在不同翅型、生长发育阶段、生殖方式和蚜型中均表达，但差异显著。rphsp70-2表达量在不全周期有翅孤雌蚜中显著高于无翅孤雌蚜，而5个hsp基因表达量在全周期型禾谷缢管蚜两个翅型中无显著性差异，但rphsp70-1、rphsp70-2和rphsp90表达量在全周期型无翅和有翅孤雌蚜中显著高于不全周期型;rphsp60在若蚜期高表达;rphsc70在不同蚜型间表达量差异不显著，rphsp70-1和rphsp70-2在禾谷缢管蚜雄蚜中表达量最高显著高于其他蚜型，而rphsp90在禾谷缢管蚜卵的相对表达量最高。