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麦蚜为我国小麦生产上的重要害虫,已上升为我国小麦虫害的首位,尤其以麦长管蚜(Sitobion avenae)危害严重。然而蚜虫的强适应性导致抗蚜基因的匮乏,使得常规抗虫育种难以奏效,到目前为止,蚜虫强适应性的原因以及蚜虫如何克服寄主植物防御仍旧不清晰。在长期的协同进化过程中,蚜虫与其内共生菌建立了紧密的互利共生关系。内共生菌不仅为宿主蚜虫提供所缺失的营养物质,还能在不良环境下为宿主蚜虫提供一定适合度优势。在自然界中,植物为了抵御昆虫的取食形成一系列的防御措施,昆虫则演化出一系列克服寄主植物防御的反防御策略,而共生菌不仅可以作为昆虫行为的“幕后操纵者”,在昆虫与植物相互抵御的“军备竞赛”过程中也具有重要的作用。因此,在基于大量收集了麦长管蚜不同地理种群并筛选得到了除次级共生菌Hamiltonella defensa以外其他共生菌感染背景一致的麦长管蚜实验种群基础上,本研究以H.defensa-麦长管蚜-小麦三者为研究对象,利用生物学、分子生物学、酶学检测等技术,揭示H.defensa介导的麦蚜克服寄主植物防御的策略,首次阐明了植物介导的共生菌在蚜虫种群中的水平传播机制,同时利用蛋白质组学分析筛选得到表达差异及来源于共生菌的特异蛋白为后续更加深入的研究内共生菌介导的蚜虫与小麦互作关系提供理论基础和数据支撑。取得的主要研究结果如下:1.不同麦长管蚜地理种群内共生菌多样性鉴定广泛收集并建立了覆盖中国小麦主产区的17个麦长管蚜不同地理种群,利用PCR的方法鉴定了不同地理种群麦长管蚜体内共生菌的多样性,结果表明在不同地理种群中内共生菌多重感染现象严重,并没有发现单一次级共生菌感染的种群,同时不同地区麦长管蚜内共生菌感染情况具有一定的差异性,而相同小麦产地省份却具有高度一致性。2.感染和缺失H.defensa的麦长管蚜实验种群的建立在筛选得到了自然感染H.defensa(玉溪种群,YX)和缺失H.defensa(德州种群,DZ)的麦长管蚜种群基础上,通过显微注射和抗生素处理建立了与DZ种群遗传背景一致的人工感染H.defensa(DZ-H)和人工缺失H.defensa(DZ-HT)的实验种群,为后续的研究提供了材料基础。3.H.defensa对麦长管蚜适应性及初级共生菌Buchnera aphidicola的影响适应性实验表明感染H.defensa后的蚜虫种群适应性显著提高,具体表现在体重、无翅蚜率及后代产蚜量上;同时利用绝对定量的方法探究了蚜虫体内H.defensa和B.aphidicola菌群动态变化规律,结果表明感染H.defensa的蚜虫种群DZ-H体内B.aphidicola的菌群密度在一些时间点上显著高于缺失H.defensa的蚜虫种群DZ,同时在DZ种群中,B.aphidicola菌群动态变化曲线急剧下降的拐点要比DZ-H种群提前。4.H.defensa介导反寄主植物防御反应的策略通过荧光原位杂交技术揭示了H.defensa在蚜虫胚胎中主要存在于血淋巴、鞘细胞和次级菌胞中,紧密围绕在初级共生菌B.aphidicola的周围,同时在肠道系统中,H.defensa在后肠中被检测到,为H.defensa与B.aphidicola之间可能存在代谢上的接力及提高宿主蚜虫对有毒物质的解毒能力提供一定理论基础。利用荧光定量PCR技术和酶活检测方法揭示了H.defensa介导反寄主植物防御策略的间接证据,主要通过抑制小麦SA和JA防御途径关键基因的表达水平、小麦防御性保护酶活性及提高宿主蚜虫解毒酶活性。5.植物介导的H.defensa在蚜虫种群中的水平传播荧光原位杂交技术和透射电镜技术揭示了H.defensa能够通过蚜虫取食经过口针转移到小麦叶片中,同时能够在小麦叶片中存留12天左右,未感染H.defensa的蚜虫取食感染后的小麦叶片后能够水平获得H.defensa并能够在后代中稳定遗传。此外,这种由植物介导的共生菌的水平传播在不同寄主植物和蚜虫种类中具有普遍性。6.感染和缺失H.defensa蚜虫种群唾液蛋白质组学的研究通过蛋白质组学分析,在感染和缺失H.defensa的蚜虫种群中共鉴定得到255种水状唾液蛋白。按功能分为8类,分别为酶类,转运蛋白,DNA、RNA、蛋白结合或调节蛋白,唾液鞘蛋白,细胞骨架蛋白,其他非酶蛋白和未知蛋白。其中来源于共生菌的蛋白占据了总蛋白数量的43.1%。通过比较感染和缺失H.defensa的蚜虫唾液蛋白发现,感染H.defensa后的蚜虫唾液蛋白种类和数量均高于缺失种群,同时感染H.defensa的蚜虫唾液中具有大量的氧化还原酶和蛋白酶,值得注意的是,在255种蛋白中鉴定出了 46种具有信号肽的分泌蛋白,其中有两种来源于H.defensa。尽管我们暂时并没有对这些特异或差异蛋白进行后续功能验证,但是我们可以合理推测感染H.defensa后的蚜虫种群适应性提高的原因可能与其唾液中丰富多样化的特异蛋白具有重要关联,这些特异的蛋白在蚜虫与植物互作关系中的作用有待后续进一步研究。