论文部分内容阅读
锌（zinc,Zn）是重要的污染物之一,当农用地土壤中Zn含量超过300 mg·kg-1时,存在农产品污染风险。植食性昆虫在Zn的积累与传递过程中起到重要的媒介作用,其也会受到Zn胁迫的影响。昆虫对低浓度Zn胁迫会产生适应性,可能提高对其他胁迫条件的耐受性。本文以植食性昆虫斜纹夜蛾Spodoptera litura为对象,通过在人工饲料中添加不同浓度Zn(0、150、300、450、600和750 mg?kg-1)处理其幼虫,研究Zn胁迫对斜纹夜蛾生长发育和食物利用的影响,分析昆虫对Zn的摄取、排泄和积累,筛选出斜纹夜蛾幼虫对Zn胁迫的耐受阈值;采用转录组测序、mRNA数字基因表达谱（DGE）和定量蛋白质组学（iTRAQ）技术解析斜纹夜蛾对Zn胁迫响应的分子机制;设置不同环境因子（高温,农药）处理,分析Zn胁迫后斜纹夜蛾对高温和农药[高效氯氰菊酯（Beta cypermethrin,CPM）、毒死蜱（Chlorpyrifos,CPF）]的响应,揭示其对Zn胁迫产生适应性的生态后果。主要研究结果如下:1、斜纹夜蛾对Zn胁迫的响应依处理浓度而异:150 mg·kg-1Zn处理后,其成虫的体重显著提高;当Zn处理浓度≥600 mg·kg-1时,幼虫存活率、化蛹率和羽化率显著降低;当Zn处理浓度≥450 mg·kg-1时,幼虫和蛹的发育历期延长,成虫寿命缩短;当Zn处理浓度≥300 mg·kg-1时,6龄幼虫、蛹和成虫的体重均显著降低。因此,斜纹夜蛾幼虫对Zn胁迫的耐受阈值接近450 mg·kg-1Zn。2、当Zn处理浓度低于450 mg·kg-1时,其幼虫近似消化率（AD）和相对消耗率（RCR）、对Zn的吸收率和排泄率均显著升高;当Zn处理浓度高于450 mg·kg-1时,其相对生长率（RGR）、Zn的吸收率和排泄率显著降低,这表明在斜纹夜蛾对Zn胁迫的耐受阈值(接近450 mg·kg-1)内,幼虫可通过改变对Zn的摄取、排泄来调节体内Zn积累量。Zn胁迫促进斜纹夜蛾生长发育的浓度是150 mg·kg-1,而高于阈值且显著抑制其生长发育的浓度是600 mg·kg-1,两处理将用于接下来的实验。3、受150 mg·kg-1Zn胁迫后,幼虫差异基因为100个（上调和下调基因分别为27和73个）:参与激素合成和脂肪消化吸收途径的Unigene9675（CCE016a）表达上调;参与糖代谢、碳水化合物和蛋白消化吸收的基因CL1483.Contig1（与淀粉酶相关）和Unigene28281（与蛋白酶相关）表达上调,参与药物代谢途径的相关基因Unigene22692（Hsp70）表达下调。受600 mg·kg-1Zn胁迫后,幼虫差异基因为447个（上调和下调基因分别为215和232个）:参与脂肪消化吸收和激素生物合成途径的基因Unigene14445（CYP6AB14）表达上调;参与碳水化合物和脂肪消化吸收的基因Unigene6753（与脂肪酸相关）表达下调,参与其它酶的药物代谢途径的Unigene22692（Hsp70）和Unigene33678（UGT46A4）表达下调。受150 mg·kg-1Zn胁迫后,幼虫差异蛋白为112个（上调和下调蛋白分别为39和73个）:涉及激素合成、药物代谢和脂肪消化吸收途径的蛋白CYP321B1（CL360.Contig1）含量增加;涉及类固醇合成和脂肪消化吸收的差异蛋白CL317.Contig2和Unigene9676（CCE016a）表达上调;涉及激素生物合成途径的s Hsp19.3（Unigene28432）和s Hsp（Unigene29830）蛋白均下调。受600 mg·kg-1Zn胁迫后,幼虫差异蛋白为73个（上调和下调蛋白分别为32和41个）:参与药物代谢和激素合成途径的CYP6B50（CL3369.Contig2、CL557.Contig1）、GST1（Unigene28619）、GSTO2（Unigene6526）、GSTE2（Unigene719）、GSTS1（Unigene28047）和GSTS3（Unigene8124）蛋白均下调。功能方面关联到的代谢通路中,幼虫受150 mg·kg-1Zn胁迫后,表达趋势相同的差异基因/蛋白（CL637.Contig2、Unigene29369、Unigene14445、Unigene28281、Unigene9675、CL317.Contig2和Unigene9676）均为上调表达,分别与P450、羟丁酸脱氢酶、胰蛋白酶和酯酶相关;受600 mg·kg-1Zn胁迫后,表达趋势相同的差异基因/蛋白Unigene28281和CL637.Contig2均为上调表达,而与碱性磷酸酶相关基因/蛋白Unigene818和贮藏蛋白相关基因/蛋白CL2797.Contig1和CL1523.Contig2均为下调表达。4、受150 mg·kg-1Zn胁迫后,斜纹夜蛾对高温32.5℃和35℃的耐受性提高了,主要表现为生长期缩短,消化吸收能力和生长繁殖能力显著加强。此Zn胁迫提高幼虫对高温的耐受力的原因是淀粉酶和蛋白酶相关基因/蛋白CL1483.Contig1和Unigene28281上调表达,有助于幼虫对营养物质的消化吸收,从而满足其解毒和生长所需的能量。600 mg·kg-1Zn胁迫和35℃处理对幼虫产生了拮抗作用:幼虫的发育历期变短,食物转化率（ECI）、消化转化率（ECD）和RGR以及对Zn的排泄率升高。5、受150 mg·kg-1Zn胁迫后,斜纹夜蛾对CPM(7.00μg·m L-1)的耐受性增强了,主要表现为其幼虫ECD、ECI、体重和产卵量显著上升;600 mg·kg-1Zn与CPM处理对斜纹夜蛾产生了拮抗作用:各类生命指标均与对照没有差异,ECI和ECD反而升高。受150 mg·kg-1Zn胁迫后,斜纹夜蛾对CPF(10.59 mg·m L-1)的耐受性增强了,表现为其幼虫存活率升高,成虫寿命延长了,幼虫AD升高;而600 mg·kg-1Zn与CPF处理对其产生了拮抗作用:各类生命指标与对照没有差异。150 mg·kg-1Zn胁迫能提高幼虫对CPM和CPF的耐受性的原因是与P450s相关的蛋白CYP321B1（CL360.Contig1）表达上调,其解毒能力增强。受600 mg·kg-1Zn胁迫后,涉及谷胱甘肽S-转移酶的基因/蛋白GST1、GSTO2、GSTE2、GSTS1和GSTS3表达均下调,且P450相关的基因/蛋白CL3369.Contig2和CL557.Contig1（CYP6B50）表达下调,幼虫的解毒能力下降,不能提高对CPM和CPF的耐受能力。总之,斜纹夜蛾对Zn胁迫的耐受阈值接近450 mg·kg-1,当Zn处理浓度低于该阈值时,其幼虫对Zn的吸收率、排泄率、食物利用效率升高,能有效地吸收Zn满足昆虫所需的营养,对高温（32.5℃和35℃）和农药（CPM和CPF）的耐受能力增强了,这与其代谢和解毒相关的基因（如CCE016a）和蛋白（如CYP321B1）上调有关。当Zn处理浓度高于该阈值时,斜纹夜蛾的生长发育和食物利用明显受到抑制,这是因为参与解毒、生长发育的蛋白表达下调。但600 mg·kg-1Zn胁迫与高温、农药对幼虫产生拮抗作用的机制有待进一步研究。