病毒和磁場對稻飛虱發(fā)育、生殖及行為的影響研究.pdf

1、昆蟲作為地球上數(shù)量最多的動物類群，不斷與其周圍環(huán)境（生物因素和非生物因素）相互作用，這正是昆蟲生態(tài)學的主要研究內容，也是昆蟲進化的主要動力之一?；诶ハx生態(tài)學，通過研究生物和非生物因素對昆蟲的影響可以探索昆蟲對環(huán)境的適應策略及其響應機制，進而為生物防治和物理防治策略的探索提供新思路。
　　稻飛虱(主要包括褐飛虱Nilaparvata lugens，白背飛虱Sogotalla furcifera和灰飛虱Laodelphax stri

2、atellus)是亞洲地區(qū)發(fā)生的嚴重危害水稻生產的遷飛性害蟲。此外，稻飛虱還可通過傳播植物病毒為害糧食作物，其中尤以灰飛虱傳播的水稻條紋病毒(Ricestripe virus，RSV)最為典型，開展RSV感染對灰飛虱發(fā)育生理及其行為的影響研究，有望揭示昆蟲和病毒之間的相互適應機制，發(fā)掘防治植物病毒和傳毒害蟲的新策略。
　　關于三種主要稻飛虱的遷飛特性，目前主要認為其隨氣流飛行。最近，長距離遷飛昆蟲帝王蝶（Danaus plexip

3、pus）磁定向行為的發(fā)現(xiàn)為稻飛虱的磁定向和磁生物學效應研究提供了依據(jù)。長久以來，地球磁場（Geomagnetic field，GMF）作為易被忽視卻無處不在的非生物因素，除被證明能為一些生物提供定向信息外，其強度變化對生物產生的磁生物學效應也日益引起人們的廣泛關注。作為可模擬GMF減弱和外太空零磁空間環(huán)境的近零磁場(Near-zero magnetic field，NZMF)，雖然利用其對昆蟲開展的磁生物學效應研究尚處于起步階段，但對于

4、發(fā)掘GMF減弱下昆蟲的響應方式和磁感受機制有重要意義。
　　本論文基于昆蟲生態(tài)學，以稻飛虱為模式生物，從生理和行為兩個方面，分別開展了作為生物因素的RSV病毒與介體灰飛虱之間的互作研究，以及作為非生物因素的近零磁場對三種主要稻飛虱的磁生物學效應研究，主要研究結果如下:
　　1.水稻條紋病毒(RSV)對其傳毒介體灰飛虱發(fā)育和生殖的影響
　　本研究以RSV-灰飛虱-類酵母共生菌(Yeast-like symbionts，Y

5、LS)系統(tǒng)為研究對象，研究發(fā)現(xiàn):RSV感染引起灰飛虱5齡若蟲蛻皮激素合成關鍵基因CYP307A1表達量上調，同時保幼激素合成關鍵基因JHAMT表達量下調，這與攜毒灰飛虱的若蟲歷期縮短的表型一致;而若蟲發(fā)育歷期的縮短有利于灰飛虱種群的擴大和RSV病毒的水平傳播。此外，RSV感染增加了灰飛虱初羽化成蟲的體重，這又與攜毒灰飛虱體內 YLS含量增多的結果一致，而這兩種表型對灰飛虱和RSV的適合度均有利。除了RSV感染引起的以上有利效應外，RSV

6、感染顯著降低了灰飛虱雌蟲的生殖力，這可能與攜毒灰飛虱初羽化雌蟲的卵黃原蛋白基因（Vitellogenin，Vg）表達量顯著下調有關?；诶ハx進化過程中適合度最優(yōu)原則，RSV感染引起的這一不利效應與以上有利效應可能是RSV-灰飛虱-YLS系統(tǒng)在協(xié)同進化過程中形成的Trade-off策略。
　　2.水稻條紋病毒(RSV)對其傳毒介體灰飛虱取食行為爭飛行能力的影響
　　通過參考其他稻飛虱和蚜蟲等刺吸類昆蟲的取食行為特征波型，本研究

7、系統(tǒng)鑒定出灰飛虱取食過程中的8種取食波型;其中，包括首次發(fā)現(xiàn)的推測為取食細胞過程中口針穿透細胞的Nx波型。對灰飛虱刺吸波型總次數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，感染RSV的灰飛虱雌蟲P波型顯著少于未感染的個體，表明感染RSV后灰飛虱刺探成功率提高。對灰飛虱刺吸波型總時長的分析發(fā)現(xiàn)，感染RSV的灰飛虱成蟲傳播持久性病毒的關鍵波型N4a的持續(xù)時長高于未感染的個體，表明RSV感染使灰飛虱成蟲的取食行為傾向于有利于RSV的水平傳播。此外，相對于未感染的灰飛虱雌蟲，

8、感染RSV的雌蟲NP波型持續(xù)時長顯著減少，而N4b（取食韌皮部）波型顯著增加。雄蟲相應取食波型的變化與雌蟲恰恰相反，表明感染RSV后灰飛虱取食行為表現(xiàn)為雌雄二型現(xiàn)象。由于RSV的適合度很大程度取決于灰飛虱對其水平傳播的能力，因此灰飛虱取食行為的改變可能是生物因素RSV與灰飛虱協(xié)同進化的結果。另一方面，研究還發(fā)現(xiàn)灰飛虱初羽化2日齡長翅雄蟲感染RSV后其飛行速度顯著低于未感染個體，而飛行距離相對于未感染的灰飛虱有明顯縮短達11.76％（P＞

9、0.05），結果表明RSV感染可能對灰飛虱雄蟲的飛行能力產生不利影響。
　　3.近零磁場(NZMF)對褐飛虱、灰飛虱和白背飛虱發(fā)育和生殖的影響
　　本試驗比較研究了近零磁場(NZMF)和地磁場(GMF)兩種環(huán)境下三種主要稻飛虱發(fā)育和生殖的影響。與對照GMF相比，試驗結果表明:(1)灰飛虱:NZMF對卵期影響不顯著，但顯著延長了若蟲發(fā)育歷期。NZMF還導致初羽化成蟲體重顯著降低，且顯著降低了雌蟲產卵量。此外，NZMF還使Vg表

10、達量下調，這可能是雌蟲生殖力下降的原因。(2)褐飛虱:NZMF顯著延長了卵期，對雌性若蟲的發(fā)育歷期影響不顯著，但顯著延長了雄性若蟲的發(fā)育歷期。NZMF還使初羽化成蟲體重顯著降低，且顯著降低了雌成蟲產卵量。此外，NZMF使Vg表達量下調，這也可能是雌蟲生殖力下降的原因。(3)白背飛虱:NZMF顯著延長了卵期，同時顯著延長了若蟲的發(fā)育歷期。此外，NZMF僅使初羽化短翅雌成蟲體重顯著降低，且僅明顯降低了雌蟲的產卵量。通過對Vg的時間動態(tài)表達分

11、析發(fā)現(xiàn)，NZMF可能影響了Vg的轉錄表達節(jié)律。
　　另一方面，以白背飛虱為例開展了近零磁場(NZMF)對稻飛虱發(fā)育影響的分子機制探究。通過對白背飛虱5齡若蟲磁感受關鍵基因Cryptochromes（Cry1和Cry2）、保幼激素合成通路關鍵基因JHAMT，F(xiàn)AMeT和JHEH和蛻皮激素合成通路關鍵基因CYP307A1的時間動態(tài)表達分析發(fā)現(xiàn)，NZMF處理使Cry1和Cry2在第一個取樣點的表達量顯著上調，反映了其二者在白背飛虱磁感受

12、中的上游作用;NZMF對激素合成關鍵基因的影響反映出保幼激素和蛻皮激素滴度變化與NZMF引起的若蟲發(fā)育延緩一致。本研究首次提出了非生物因素NZMF引起的磁生物學效應背后的潛在機制，即Cryptochromes介導的激素信號轉導機制，反映了昆蟲在適應非生物環(huán)境因素變化中激素調節(jié)所起的潛在的重要作用。
　　4.近零磁場(NZMF)對稻飛虱正趨光性和飛行能力的影響——以白背飛虱為例
　　相對于正常磁場(GMF)對照組，NZMF處理

13、后白背飛虱短翅型比例顯著增高，初羽化成蟲前兩日總的上燈個體比例亦顯著增高。進一步通過對白背飛虱長翅雌成蟲兼具磁感受、光受體和生物鐘等功能的多功能基因Cryptochromes（Cry1和Cry2）的時間動態(tài)表達分析發(fā)現(xiàn)，NZMF處理使Cry1和Cry2在第一個取樣點表達量顯著下調，其正趨光性的變化可能由多功能基因Cryptochromes的感光功能受到影響導致。此外，NZMF處理后白背飛虱飛行速度顯著降低，飛行時間和飛行距離顯著增加。這

14、一表型的改變可能和脂類能量代謝有關的激脂激素合成關鍵基因AKH和AKHR以及與飛行活性有關的章魚胺合成關鍵基因OAR的轉錄表達有關。此結果也可能由Cryptochromes介導的激素信號轉導途徑調控。由于稻飛虱蟲源地為低緯度地區(qū)磁場相對GMF平均值偏弱，但該地區(qū)溫度高，可能彌補了磁場強度減弱對稻飛虱發(fā)育歷期延長和體重降低的不利因素。因此，以上結果也體現(xiàn)了稻飛虱對非生物因素NZMF的適應策略。
　　綜上所述，本文系統(tǒng)探究了稻飛虱對環(huán)