齊琳,云月利，李長春，陳建，張增燾，彭宇

(1.生物資源綠色轉(zhuǎn)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062；2.特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北省重點實驗室(湖北工程學(xué)院)，湖北 孝感 432000)

共生菌Wolbachia感染對果蠅適合度的影響

齊琳1,云月利1，李長春2，陳建1，張增燾1，彭宇1

(1.生物資源綠色轉(zhuǎn)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062；
2.特色果蔬質(zhì)量安全控制湖北省重點實驗室(湖北工程學(xué)院)，湖北 孝感 432000)

近年來的研究表明，Wolbachia會對多種昆蟲的生殖和生長發(fā)育等產(chǎn)生影響，但對于果蠅的適合度影響研究較少.本研究比較黑腹果蠅Drosophilamelanogaster感染和未感染W(wǎng)olbachia品系在產(chǎn)卵量、孵化率、發(fā)育歷期、成蟲壽命及生命期望值方面的差異.結(jié)果顯示，Wolbachia感染顯著降低了果蠅的產(chǎn)卵量(P<0.000 1)、孵化率(P=0.018)、化蛹率(P<0.000 1)、羽化率(P<0.000 1)和成蟲壽命(P<0.000 1)，導(dǎo)致幼蟲的發(fā)育歷期延長(P<0.000 1)，且卵期和I齡、Ⅱ齡和Ⅲ齡期幼蟲生命期望值均降低.感染W(wǎng)olbachia果蠅品系的相對適合度為0.688，表明Wolbachia感染對果蠅的生長發(fā)育和繁殖存在有害的影響.

Wolbachia；果蠅；適合度；生命表

0 引言

Wolbachia是一種胞內(nèi)共生細菌，它的存活完全依靠寄主細胞提供的營養(yǎng)，在脫離寄主細胞的外環(huán)境中僅能存活7 d左右[1-2].Wolbachia感染宿主眾多，被認為是共生細菌中豐度最高、分布最廣的類群[3-4].Wolbachia在寄生中最集中的地方位于寄主生殖系統(tǒng)細胞的細胞質(zhì)中，并且也存在于非生殖組織中，在果蠅成蟲的頭、胸、中腸、馬氏管和血淋巴等組織中均存在Wolbachia[5].感染了該類共生菌會引發(fā)宿主生殖異常反應(yīng)，包括胞質(zhì)不親和(cytoplasmic incompatibility，CI)[6]、雄性染色體的雌性化[7]、誘導(dǎo)孤雌生殖(parthenogenesis indueing，PI)[8]和殺雄[9]等.同時，Wolbachia還對宿主的代謝活動[10]、壽命[11]和嗅覺反應(yīng)[12]等存在一定的影響.

Wolbachia可以作為載體使某種特定基因在其宿主種群中得以傳播，有目的地改造宿主種群，以增強害蟲天敵的生物防治潛能.同時，也可以利用Wolbachia菌株存在的CI、PI、雌性化以及殺雄等作用，可使宿主害蟲的壽命縮短，引起害蟲提前死亡，使目標(biāo)害蟲在未達到為害的蟲期提前死亡，從而達到良好防治效果[13].

本研究比較了黑腹果蠅Drosophilamelanogaster感染和未感染W(wǎng)olbachia品系在產(chǎn)卵量、孵化率、發(fā)育歷期、成蟲壽命等生物學(xué)特性的差異，通過構(gòu)建感染和未感染W(wǎng)olbachia果蠅的生命表，研究Wolbachia感染對果蠅適合度的影響，為更好地利用Wolbachia進行害蟲生物防治提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試果蠅及所攜帶的Wolbachia品系 研究所用果蠅品系為黑腹果蠅Drosophilamelanogaster，其體內(nèi)共生的Wolbachia品系為Riverside.按照 McGraw等[14]的命名方法, 該果蠅的名稱縮寫為DmelwRi.去除Wolbachia的果蠅品系, 名稱縮寫為DsimwRiT.果蠅體內(nèi)的Wolbachia用四環(huán)素處理去除[15], 用PCR方法檢測Wolbachia的去除與否[16].為保證完全去除果蠅體內(nèi)的Wolbachia，要用含有四環(huán)素的培養(yǎng)基連續(xù)飼養(yǎng)果蠅2代以上，然后用正常飼料常規(guī)方法飼養(yǎng).

1.2Wolbachia感染對果蠅的產(chǎn)卵量及孵化率的影響 將感染和未感染W(wǎng)olbachia的5日齡果蠅成蟲各5只(雌∶雄=3∶2)，放入預(yù)先盛有一薄層培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中飼養(yǎng)，6 h后，用放大鏡計數(shù)產(chǎn)卵量.將帶有卵的培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)箱中(溫度：(25±1) ℃；相對濕度：(65±5)%；光照時間：14 h)繼續(xù)飼養(yǎng)，24 h后觀察卵的孵化情況并計算孵化率.共設(shè)30次重復(fù).

1.3Wolbachia感染對果蠅生長發(fā)育的影響 每12 h觀察培養(yǎng)皿中已孵化的感染和未感染W(wǎng)olbachia幼蟲的生長發(fā)育狀況.待幼蟲蛻皮后，將幼蟲轉(zhuǎn)入新的培養(yǎng)皿繼續(xù)飼養(yǎng)，直至所有幼蟲化蛹并羽化為成蟲.記錄各發(fā)育階段幼蟲存活數(shù)、蛻皮時間、化蛹數(shù)及成蟲數(shù).測定成蟲壽命時，將剛羽化(未交配)的成蟲單頭放入新的培養(yǎng)管中，在培養(yǎng)箱(培養(yǎng)條件同上)中繼續(xù)飼養(yǎng)，直到全部死亡，記錄存活天數(shù).幼蟲和成蟲的培養(yǎng)基為常規(guī)培養(yǎng)基.參照彭宇等[17]和楊持等[18]的方法構(gòu)建果蠅實驗種群生命表.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 凈增殖力(R0)的計算公式為：R0=N(t+1)/Nt；Nt：種群的起始總個體數(shù)；Nt+1：繁衍一代后的種群總個體數(shù).相對適合度為不同果蠅品系的凈增殖力之比.數(shù)據(jù)分析采用SPSS(version 19.0)統(tǒng)計分析軟件完成.數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±SD)表示.用獨立樣本的t-檢驗比較DmelwRiT品系和DmelwRi品系平均數(shù)之間的差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1Wolbachia感染對果蠅的繁殖力以及生長發(fā)育的影響 被Wolbachia感染后，果蠅的產(chǎn)卵量極顯著降低(P<0.000 1)、同時，卵的孵化率也顯著下降(P=0.018)(表1).DmelwRi品系3個齡期的發(fā)育歷期和總發(fā)育歷期均極顯著地高于DmelwRiT，其化蛹率、羽化率及成蟲壽命極顯著地低于DmelwRiT(P<0.000 1).表明Wolbachia感染明顯降低了果蠅的產(chǎn)卵量、孵化率、化蛹率、羽化率及成蟲壽命，延長果蠅的發(fā)育歷期.

2.2 DmelwRiT品系和DmelwRi 品系生命表的繪制及比較 被Wolbachia感染后，果蠅Ⅰ齡幼蟲和Ⅱ齡幼蟲的死亡率極顯著升高(P<0.000 1)，同時，DmelwRi品系的世代存活率也極顯著低于未感染品系(P<0.000 1)，但Wolbachia感染品系的Ⅲ齡幼蟲及蛹的死亡率與未感染品系無顯著性差異(P>0.05)(表2).Wolbachia感染果蠅品系的凈增殖力為45.24，其相對適合度為0.688.DmelwRi品系各發(fā)育階段的生命期望值與DmelwRiT相比均降低，表明該品系生存處于劣勢(表3中).

表1 果蠅DmelwRiT品系和DmelwRi品系的繁殖特征及生長發(fā)育比較

表2 果蠅DmelwRiT品系和DmelwRi品系生命表

*，差異顯著 (P<0.05)；**，差異極顯著(P<0.01).

表3 DmelwRiT品系和DmelwRi品系不同發(fā)育階段生命期望值

Lx：各發(fā)育階段全部個體存活個體數(shù)平均值；

Tx：各發(fā)育階段存活個體數(shù)平均值之和；

ex：各發(fā)育階段存活個體平均生命期望.

3 討論

本研究表明，DmelwRi和DmelwRiT果蠅品系在產(chǎn)卵量、孵化率、發(fā)育歷期、化蛹率以及羽化率等均存在顯著性差異，主要表現(xiàn)為果蠅被Wolbachia感染后，其生殖力減退，幼蟲發(fā)育歷期延長、死亡率增加、成蟲壽命縮短，這與Min和Benzer[19]所報道的Wolbachia感染可以縮短果蠅成蟲的壽命研究結(jié)果一致.由生命表(表2)可以看出，DmelwRi品系和DmelwRiT品系的凈增殖力分別為45.24和65.68，DmelwRi品系相對于DmelwRiT品系的相對生物適合度為0.688，同時DmelwRi品系各發(fā)育階段生命期望值(表3)均下降.以上均說明DmelwRi品系存在生長與繁殖的不利性，感染W(wǎng)olbachia對黑腹果蠅生長繁殖有負面影響，我們的研究結(jié)果與褚棟等[20]報道的相似.

果蠅被Wolbachia感染后，Ⅰ齡幼蟲和Ⅱ齡幼蟲的死亡率極顯著提高，但并未影響Ⅲ齡幼蟲及蛹的死亡率，這可能是由于Ⅲ齡期和蛹期果蠅體內(nèi)的Wolbachia的密度[13]及生理機能相對穩(wěn)定，因而Wolbachia對果蠅Ⅲ齡期和蛹期的存活影響不大，具體原因有待進行更深入的研究.

[1] Weisburg W G, Dobson M E, Samuel J E,et al. Phylogenetic diversity of the Rickettsiae[J].Journal of Bacteriology,1989,171(8):4202-4206.

[2] Rasgon J L,Gamston C E, Ren X X,et al.Survival of Wolbachiapipientis in cell-free medium[J].Applied & Environmental Microbiology, 2006, 72(11): 6934-6937.

[3] Kirsten H, Peter H, Peter S, et al. How many species are infected withWolbachia?:a statistical analysis of current data[J].Fems Microbiology Letters, 2008, 281(2):215-220.

[4] Jeyaprakash A, Hoy M A. Long PCR improvesWolbachia, DNA amplification:wsp sequences found in 76% of sixty-three arthropod species[J].Insect Molecular Biology, 2000, 9(4): 393-405.

[5] Dobson S L, Bourtzis K,Braig H R, et al.Wolbachiainfections are distributed throughout insect somatic and germ line tissues[J].Insect Biochemistry and Molecular Biology,1999,29(2):153-160.

[6] Bourtzis K, Nirgianaki A, Markakis G, et al.Wolbachiainfection and cytoplasmic incompatibility inDrosophilaspecies[J].Genetics,1996,1449(12):1081-1090.

[7] Stevens L,Wade M J. Cytoplasmically inherited reproductive incompatibility in Tribolium flour beetles: the rate of spread and effect on population size[J].Genetics, 1990, 124(2):367-372.

[8] Werren J H. Biology ofWolbachia[J].Annual Review of Entomology,1997,42(1):587-609.

[9] Stouthamer R, Breeuwer J A J, Hurst G D D.Wolbachiapipientis:microbial manipulator of arthropod reproduction[J].Annual Review of Microbiology,1999,53(1/2):71-102.

[10] Kremer N, Charif D, Henri H, et al. A new case ofWolbachiadependence in the genusAsobara: evidence for parthenogenesis induction inAsobarajaponica[J].Heredity, 2009,103(3):248-256.

[11] McMeniman C J, Lane R V, Cass B N, et al. Stable introduction of a life-shorteningWolbachiainfection into the mosquitoAedesaegypti[J].Science,2009,323(5910): 141-144.

[12] 彭宇,王玉鳳.Wolbachia感染顯著提高果繩的嗅覺反應(yīng)[J].科學(xué)通報,2009,54 (5): 596-602.

[13] 李志偉, 王志鋼.Wolbachia在害蟲防治中的作用及其研究進展[J].中國媒介生物學(xué)及控制雜志, 2006, 17(3): 250-252.

[14] Mcgraw E A, Merritt D J, Droller J N, et al.Wolbachiamediated sperm modification is dependent on the host genotype inDrosophila[J].Proceedings of the Royal Society B Biological Sciences, 2001, 268(1485): 2565-2570.

[15] Reynolds K T, Thomson L J, Hoffmann A A. The effects of host age, host nuclear background and temperature on phenotypic effects of the virulentWolbachiastrain popcorn inDrosophilamelanogaster[J].Genetics,2003,164(3):1027-1034.

[16] Braig H R, Zhou W, Dobson S L, et al.Cloning and characterization of a gene encoding the major surface protein of the bacterial endosymbiontWolbachiapipientis[J].Journal ofBacteriology,1998,180(9):2373-2378.

[17] 彭宇,趙敬釗,劉鳳想,等.溫度對真水狼蛛發(fā)育和繁殖的影響.[J].生態(tài)學(xué)報,2000, 20(4): 606-610.

[18] 楊持.生態(tài)學(xué)[M].2版.北京:高等教育出版社,2008:51-53.

[19] Min K T, Benzer S.Wolbachia, normally a symbiont ofDrosophila, can be virulent, causing degeneration and early death[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,1997,94(20):10792-10796.

[20] 褚棟, 張友軍, 畢玉平,等.Wolbachia屬共生菌及其對節(jié)肢動物宿主適合度的影響[J].微生物學(xué)報, 2005, 45(5): 817-820.

(責(zé)任編輯 游俊)

The effects ofWolbachiainfection on the fitness ofDrosophilamelanogaster

QI Lin1，YUN Yueli1,LI Changchun2,CHEN Jian1,ZHANG Zengtao1, PENG Yu1

(1. Hubei Collaborative Innovation Center for Green Transformation of Bio-Resources, College of Life Sciences,
Hubei University, Wuhan 430062,China；2. Hubei Key Laboratory of Quality Control
of Characteristic Fruits and Vegetables(Hubei Engineering University), Xiaogan 432000, China)

Recent studies have indicated thatWolbachiacan affect the reproduction, growth and development of many kinds of insects, but there are few studies of its effect on the fitness ofDrosophilamelanogaster. In the present study, we compared the differences in the fecundity, hatching rate, developmental duration, adult longevity and life expectancy ofD.melanogasterbetween infected and uninfectedWolbachia. The results showed thatWolbachiainfection significantly reduced the oviposition amount (P<0.000 1), hatching rate (P=0.018), pupation rate (P<0.000 1), emergence rate (P<0.000 1) and adult longevity (P<0.000 1) ofD.melanogaster. Meanwhile,Wolbachiainfection could cause the flies to prolong developmental durations (P<0.000 1), and decrease life expectancy in egg, first instar, second instar and third instar larvae. Strain ofD.melanogasterinfectedWolbachiawas calculated to have a fitness value of 0.688 relative to the uninfected one, indicating that there is the harmful effects ofWolbachiainfection on the reproduction and development ofD.melanogaster.

Wolbachia;Drosophilamelanogaster; fitness; life table

2016-09-23

國家自然科學(xué)基金(31672317、 31401982)和湖北省科技廳國際合作項目(2014BHE002、 2016AHB003)資助

齊琳(1991-)，女，碩士生；彭宇，通信作者，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail: pengyu@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)02-0195-04

Q969.44

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.02.017