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红棕象甲Rhynchophorus ferrugineus Olivier是棕榈科植物重要入侵害虫之一,危害40多种寄主植物、世代重叠严重、繁殖能力强使得该虫在入侵地不断扩散危害。本研究室前期调查发现红棕象甲成虫前胸背板的色斑数量和类型存在很大的差异,且其腹面外骨骼存在黑色型和红色型两种不同的表型,饲养过程发现两种体色型的幼虫历期差别明显。本研究通过实验室构建不同体色型种群,分析该虫体色型分化现象,包括形态结构及种群遗传特性等;探究两种体色型的种群适合度差异;进一步比较红棕象甲蛹期着色过程的转录组差异,分析着色过程酪氨酸代谢通路的调控以及着色过程存在的分子差异,同时发现自然状态下两种体色型差异基因参与环境抗逆性过程;因而深入分析了两种不同体色型种群的抗病原菌能力,主要结果如下:
1.红棕象甲两种体色型的表皮着色发生于自然种群,着色起始于老熟蛹期后胸;着色过程表皮厚度存在差异,黑色型表皮发育比红色型快;不同体色型前胸背板的斑点数量差异较大,黑色型的斑点数量为7个色斑的个体占87.3%,而红色型色斑数为8的个体占优势,为45.2%。色斑数大于7的个体在红色型的占比远远大于黑色型(红色型55.6%,黑色型为2.3%),说明红棕象甲前胸背板的色斑数分布具有体色特异性和遗传性。不同体色型种群的体色分化显示两种体色型是可以稳定遗传的。
2.红棕象甲不同体色型种群两性生命表分析发现,红棕象甲黑色型的卵孵化率为66.4%,红色型为70.4%,二者不存在显著性差异,蛹期存活率二者间无差别,但黑色型种群的幼虫存活率(35.9%)显著高于红色型(25.0%)。黑色型的幼虫历期显著比红色型的幼虫历期长(黑色型:146.83±4.45d,红色型121.15±3.41d)。黑色型种群各个阶段的期望寿命都比红色型的高,特别是初化蛹的期望寿命是红色型的13.2倍(黑色型158.2d,红色型12d),说明过早化蛹不利于红色型种群的延续。两个体色型种群整体的种群增长一致,说明黑色型种群与红色型种群的生存繁殖策略不一样,黑色型种群通过提高幼虫存活率,缩短卵孵化历期来平衡幼虫历期长对维持种群所带来的不利影响,红色型则缩短生活史历期等来维持种群稳定。
3.对蛹着色前后表皮三个时间点(2d、6d、old)进行比较转录组分析。结果显示,与黑色型相比几丁质代谢和碳水化合物代谢在红色型6d蛹表皮显著上升表达,这促进了红色型蛹表皮厚度在其着色后期不断增加。昆虫激素合成的基因在6d蛹表皮的基因表达量比其他时间点的高,但整体的基因表达量较低,说明在红棕象甲表皮着色过程受激素的影响较小。酪氨酸代谢中的基因进行定量分析,结果显示相关基因在两种体色型中的表达模式不同,黑色型蛹表皮在6d时开始大量累积深色型色素(多巴黑色素和多巴胺黑色素),同时表皮骨化途径N-乙酰多巴胺NADA的合成也增加;红色型蛹表皮浅色型色素(N-乙酰多巴胺NADA和N-β丙酰多巴胺NBAD)途径则在老熟蛹阶段大量累积合成,同时参与表皮的骨化过程,为蛹表皮鞣化过程提供基础。此外,抗逆性相关基因在着色过程的表达说明着色与抗逆性密切相关。
4.以血淋巴的抑菌能力、酚氧化酶活性、血细胞数量为指标,评价两种体色型红棕象甲老熟蛹和成虫的免疫能力,并用酚氧化酶原和抗菌肽相关基因的相对表达量对老熟蛹的免疫能力进行验证。结果显示不论是老熟蛹还是成虫,红色型的免疫响应均比黑色型的强。一方面,推测与红色型蛹表皮着色的生理过程有关,如酚氧化酶级联反应过程的激活因子的差异。另一方面可能是不同体色型在种群生长发育及抵御病原菌之间存在投资权衡。两种体色型血淋巴的抗菌能力在不同生长发育阶段差别比较大,成虫的抗菌能力比老熟蛹强,这与不同虫态所面临的环境压力以及不同发育阶段的投入有关。
综合上述的结果,红棕象甲体色型差异不仅表现在形态结构上,还表现在种群适合度及免疫等方面,不同体色型的红棕象甲在生长发育过程存在不同的繁殖和适应策略,这种策略在发育过程与抵抗环境胁迫之间可能存在权衡关系。比较转录组分析进一步为红棕象甲表皮形成及着色过程的差异研究提供基础。
1.红棕象甲两种体色型的表皮着色发生于自然种群,着色起始于老熟蛹期后胸;着色过程表皮厚度存在差异,黑色型表皮发育比红色型快;不同体色型前胸背板的斑点数量差异较大,黑色型的斑点数量为7个色斑的个体占87.3%,而红色型色斑数为8的个体占优势,为45.2%。色斑数大于7的个体在红色型的占比远远大于黑色型(红色型55.6%,黑色型为2.3%),说明红棕象甲前胸背板的色斑数分布具有体色特异性和遗传性。不同体色型种群的体色分化显示两种体色型是可以稳定遗传的。
2.红棕象甲不同体色型种群两性生命表分析发现,红棕象甲黑色型的卵孵化率为66.4%,红色型为70.4%,二者不存在显著性差异,蛹期存活率二者间无差别,但黑色型种群的幼虫存活率(35.9%)显著高于红色型(25.0%)。黑色型的幼虫历期显著比红色型的幼虫历期长(黑色型:146.83±4.45d,红色型121.15±3.41d)。黑色型种群各个阶段的期望寿命都比红色型的高,特别是初化蛹的期望寿命是红色型的13.2倍(黑色型158.2d,红色型12d),说明过早化蛹不利于红色型种群的延续。两个体色型种群整体的种群增长一致,说明黑色型种群与红色型种群的生存繁殖策略不一样,黑色型种群通过提高幼虫存活率,缩短卵孵化历期来平衡幼虫历期长对维持种群所带来的不利影响,红色型则缩短生活史历期等来维持种群稳定。
3.对蛹着色前后表皮三个时间点(2d、6d、old)进行比较转录组分析。结果显示,与黑色型相比几丁质代谢和碳水化合物代谢在红色型6d蛹表皮显著上升表达,这促进了红色型蛹表皮厚度在其着色后期不断增加。昆虫激素合成的基因在6d蛹表皮的基因表达量比其他时间点的高,但整体的基因表达量较低,说明在红棕象甲表皮着色过程受激素的影响较小。酪氨酸代谢中的基因进行定量分析,结果显示相关基因在两种体色型中的表达模式不同,黑色型蛹表皮在6d时开始大量累积深色型色素(多巴黑色素和多巴胺黑色素),同时表皮骨化途径N-乙酰多巴胺NADA的合成也增加;红色型蛹表皮浅色型色素(N-乙酰多巴胺NADA和N-β丙酰多巴胺NBAD)途径则在老熟蛹阶段大量累积合成,同时参与表皮的骨化过程,为蛹表皮鞣化过程提供基础。此外,抗逆性相关基因在着色过程的表达说明着色与抗逆性密切相关。
4.以血淋巴的抑菌能力、酚氧化酶活性、血细胞数量为指标,评价两种体色型红棕象甲老熟蛹和成虫的免疫能力,并用酚氧化酶原和抗菌肽相关基因的相对表达量对老熟蛹的免疫能力进行验证。结果显示不论是老熟蛹还是成虫,红色型的免疫响应均比黑色型的强。一方面,推测与红色型蛹表皮着色的生理过程有关,如酚氧化酶级联反应过程的激活因子的差异。另一方面可能是不同体色型在种群生长发育及抵御病原菌之间存在投资权衡。两种体色型血淋巴的抗菌能力在不同生长发育阶段差别比较大,成虫的抗菌能力比老熟蛹强,这与不同虫态所面临的环境压力以及不同发育阶段的投入有关。
综合上述的结果,红棕象甲体色型差异不仅表现在形态结构上,还表现在种群适合度及免疫等方面,不同体色型的红棕象甲在生长发育过程存在不同的繁殖和适应策略,这种策略在发育过程与抵抗环境胁迫之间可能存在权衡关系。比较转录组分析进一步为红棕象甲表皮形成及着色过程的差异研究提供基础。