蝗总科昆虫翅型与飞行肌和性腺发育的相关性研究

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[目的]昆虫的翅型分化常见的有长翅型、短翅型和无翅型,翅型特征是研究昆虫进化的重要特征。目前对昆虫翅型的研究报道主要集中在蚜虫、飞虱和竹节虫等类群,而关于蝗虫的研究相对较少。蝗总科昆虫中存在着从能够飞行的长翅型到前后翅完全消失的无翅型等多种长度不同的翅型,这种翅型的多样性是对生存环境适应性产生的权衡对策,无翅或短翅的物种可以将原本用于构建飞行肌的能量更多用于生殖,因此可以更早地产生更多的卵,在一些比较严酷的环境下具有选择优势。蝗虫的翅型多样性和飞行肌、雌雄性腺等特征的发育是否具有相关性还没有系统地研究。本文在收集大量蝗虫自然种群特征的基础上,验证蝗总科昆虫飞行和生殖相互权衡的假设,揭示蝗虫翅型、飞行肌和生殖腺等性状的适应性变化。[方法]1.对野外采集到的蝗总科昆虫的翅长、体长、飞行肌重量、精巢/卵巢重量等性状特征数据进行收集及统计分析。2.采用Kruskal-Wallis和Mann-Whitney U非参数方差分析,分别检验58种雄性和56种雌性蝗虫的翅长、飞行肌和性腺在不同生活型的差异显著性。3.使用Spearman秩相关的分析方法对雄性和雌性成虫相对翅长、飞行肌相对重量和性腺指数(GSI)进行相关性分析。4.选用t-test方法比较5种雌雄翅二态性昆虫飞行肌相对重量和性腺指数的差异性。5.基于线粒体基因组序列数据构建所研究的蝗总科昆虫系统树,应用系统发育比较方法在R 3.6.1中分别对39种雌雄蝗总科昆虫相对翅长、飞行肌相对重量和性腺指数等特征值进行系统发育信号分析。[结果]1.共采集到全国近十个省区的64种蝗虫,其中包括雌性和雄性的有54种。雄性中有长翅39种,短翅16种,无翅3种;长翅蝗虫的飞行肌相对重量明显大于短翅蝗虫,无翅蝗虫无飞行肌;但是短翅和无翅雄性蝗虫性腺指数较高。雌性有长翅36种,短翅18种,无翅2种;无翅和短翅蝗虫的性腺指数明显高于长翅蝗虫,例如鳞翅型蝗虫腾格里短鼻蝗的性腺指数达到了 0.2945。2.不同生活型雄性蝗虫的相对翅长、飞行肌相对重量和性腺指数不存在显著性差异(P>0.05);雌性蝗虫的相对翅长和飞行肌相对重量不存在显著性差异(P>0.05),但地栖型雌性蝗虫的性腺指数显著高于草栖型的雌性蝗虫(P<0.05)。3.雌、雄相对翅长与飞行肌相对重量呈现出强正相关性关系(♀r=0.7269,♂r=0.8344);雌、雄飞行肌相对重量与性腺指数呈现出负相关性关系(♀r=-0.5024,♂r=-0.2649)。4.同一物种雌雄成虫的飞行肌相对重量差异性非常显著(P<0.05),短翅雄性蝗虫的飞行肌相对重量明显大于鳞翅雌性蝗虫,其雌雄成虫的性腺指数差异性也比较显著(P<0.05),鳞翅雌性蝗虫的性腺指数明显要高于短翅雄性蝗虫。5.系统发育信号分析结果显示雌雄蝗虫相对翅长、飞行肌相对重量和性腺指数具有显著的系统发育依赖性,其中相对翅长系统发育信号最为强烈(K>1),雌、雄性的性腺指数系统发育信号相对较弱(K<1)。[结论]蝗总科昆虫在飞行和生殖中存在相互权衡对策,无翅或短翅种类缺飞行肌,将原本飞行肌的能量更多用于生殖,生殖腺发达,因此具有选择优势。雌雄翅长、飞行肌和性腺的大小具有显著的系统发育依赖性,其中翅长在系统发生关系上呈现出高度的一致性。
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