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        東亞飛蝗和刺腿食蚜蠅內(nèi)生酵母菌多樣性分析

        2018-10-29 05:33:04劉開平韋玉梅孫燕飛雷勇輝
        廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年9期
        關(guān)鍵詞:飛蝗東亞酵母菌

        劉開平,韋玉梅,熊 杰,孫燕飛,雷勇輝

        (1.石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆 石河子 832003;2.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆 石河子 832003)

        蝗蟲屬直翅目,全世界種類超過10 000種,我國(guó)有1 000余種?;认x主要包括飛蝗和土蝗,飛蝗在我國(guó)有東亞飛蝗〔Locusta migratoria manilensis(Meyen)〕、 亞 洲 飛 蝗〔Locusta migratoria migratoria(Linnaeus)〕和西藏飛蝗〔Locusta migratoria tibitensis(Chen)〕3 種,其中東亞飛蝗分布范圍最廣,具有繁殖能力強(qiáng)、食量大、遷飛、抵抗不良環(huán)境能力強(qiáng)等特點(diǎn),一旦爆發(fā)成災(zāi),常常導(dǎo)致顆粒無收,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)穩(wěn)定造成嚴(yán)重危害[1]。刺腿食蚜蠅是常見的昆蟲天敵,以幼蟲捕食蚜蟲而著稱[2],在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中是一種益蟲。

        近年來,昆蟲體內(nèi)共生菌的研究越來越引起國(guó)內(nèi)外研究者的重視。在長(zhǎng)期的協(xié)同進(jìn)化過程中,昆蟲與其體內(nèi)的共生菌建立了密切的互利共生關(guān)系,內(nèi)共生菌是宿主昆蟲生長(zhǎng)發(fā)育及適應(yīng)性的重要調(diào)控因子[3]。有研究表明,刺吸危害的同翅目昆蟲,如蚜蟲、飛虱、葉蟬等,體內(nèi)普遍存在內(nèi)共生菌。大多數(shù)同翅目昆蟲的共生菌,除了在短期的卵巢感染階段外,很少情況下在菌胞(Mycetocyte)外發(fā)現(xiàn);蚜蟲共生菌的種類主要有初級(jí)共生菌布赫納氏菌(Buchnera aphidicola)和若干次級(jí)共生菌,如沙雷氏菌 (Serratia symbiotica)、立克次氏體(Rickettsiaspp.)、沃爾巴氏菌(Wolbachiaspp.)、U型共生腸桿菌(egiella insecticola)、T 型共生腸桿菌 (Hamil-tonella defensa)等[4],但目前關(guān)于昆蟲共生酵母菌的研究鮮為報(bào)道。在“昆蟲·共生菌”這一共生關(guān)系研究中,共生菌的離體培養(yǎng)至關(guān)重要[5],而傳統(tǒng)可培養(yǎng)方法對(duì)昆蟲內(nèi)生菌不同分類水平菌群結(jié)構(gòu)的多樣性難以進(jìn)行全面深入研究,隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,高通量測(cè)序技術(shù)已開始逐步應(yīng)用于微生物多樣性研究。26S rDNA的D1/D2區(qū)域的序列保守程度適中,長(zhǎng)度適中(約600 bp),可以作為酵母菌種級(jí)水平鑒定指標(biāo),在微生物高通量測(cè)序研究中應(yīng)用廣泛。對(duì)大量子囊菌酵母26S rDNA的D1/D2區(qū)域的序列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),同種但不同菌株之間該區(qū)核苷酸替換率低于1%,通過對(duì)該序列的研究可以將假絲酵母屬(Candida)絕大部分種區(qū)分開[6]。對(duì)卵塊培養(yǎng)法分離得到的褐飛虱體內(nèi)的兩株菌的26S rDNA D1/D2區(qū)序列測(cè)序分析,發(fā)現(xiàn)分別與解脂假絲酵母(Yarrowia lipolytica)和嗜鹽梗孢酵母(Sterigmatomyces halophilus) 具 有 100% 和99.8%序列相似性[7]。至今,國(guó)內(nèi)外尚無有關(guān)東亞飛蝗和食蚜蠅體內(nèi)的酵母共生菌的離體培養(yǎng)報(bào)道,這嚴(yán)重阻礙了該類共生菌的生理生化特性實(shí)驗(yàn)的開展。而作為單細(xì)胞個(gè)體,其常規(guī)的形態(tài)分類又受到很大的限制,從而使得該類共生菌的分類研究至今止步不前。

        本研究首次采用Illumina MiSeq高通量測(cè)序方法對(duì)2種昆蟲酵母菌26SrDNA進(jìn)行分析,探討農(nóng)業(yè)害蟲東亞飛蝗及益蟲刺腿食蚜蠅這兩種不同類型昆蟲內(nèi)生酵母菌的多樣性差異,并為農(nóng)業(yè)害蟲防治和特殊環(huán)境下的特殊微生物資源利用提供思路。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        在石河子市分別采集東亞飛蝗和刺腿食蚜蠅2種昆蟲各30只,采樣信息見表1。

        表1 不同采樣點(diǎn)地理因子

        1.2 東亞飛蝗和刺腿食蚜蠅內(nèi)生菌基因組DNA提取及測(cè)序

        將所得樣本昆蟲用酒精進(jìn)行表面消毒后用無菌水清洗,再用研缽在無菌間研磨成勻漿,然后將所得原液與無菌水按1∶1比列混合,并用0.45 μm的濾膜進(jìn)行抽濾,然后利用試劑盒提取基因組DNA (Powersoil?DNA isolation kit)。根據(jù)Kurtzman等[8]的方法,用通用引物NL-1和NL-2 PCR擴(kuò)增酵母26S rDNA的D1/D2區(qū)域。PCR擴(kuò)增體系(50 μL):dd H2O 38 μL,10×Taq E Buffer 5 μL,dNTPs(2.5mmol/L)4 μL,引物NL-1 和NL-4各1 μL,混勻,再分別加入模板DNA 0.5μL,Taq聚合酶(5 U/ L)0.5 μL,混勻后稍微離心。然后按照程序94℃,1 min;53℃,1 min;72℃,1 min 20 s進(jìn)行36個(gè)循環(huán)。PCR產(chǎn)物用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)鑒定,用Axygen DNA凝膠回收試劑盒(Axygen,美國(guó))進(jìn)行割膠回收。送樣至上海派森諾生物科技有限公司對(duì)樣品26S rDNA D1/D2區(qū)進(jìn)行高通量測(cè)序,利用Illumina(MiSeq)平臺(tái),對(duì)獲得的序列進(jìn)行OTU歸并劃分,每個(gè)OTU的代表序列用于分類地位鑒定,在屬水平對(duì)菌群進(jìn)行聚類分析,根據(jù)聚類結(jié)果分析東亞飛蝗和刺腿食蚜體內(nèi)酵母群落豐富度的差異。

        1.3 多樣性分析

        基于OTU聚類結(jié)果,利用Mothur軟件計(jì)算東亞飛蝗和刺腿食蚜蠅體內(nèi)酵母菌Alpha多樣性,包括Chao1指數(shù)、Ace指數(shù)、Shannon指數(shù)及Simpson指數(shù)[9],作為測(cè)序數(shù)據(jù)量不同樣本中物種豐富度比較的依據(jù),也可作為樣本測(cè)序量合理與否“是否足以覆蓋所有類群”的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),得出樣本測(cè)序深度。并通過SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)2個(gè)樣本的多樣性指數(shù)差異的顯著性分析[10],反映東亞飛蝗和刺腿食蚜蠅體內(nèi)絕大多數(shù)酵母菌的信息。

        1.4 物種組成分析

        獲得的OTU與RDP數(shù)據(jù)庫(kù)(Release 11.1,http:// rdpcme.msu.edu/)比對(duì),通過 RDP Classifier鑒定OTU代表性序列的微生物分類地位。各組樣品在不同水平的分類比較柱形圖是根據(jù)QIIME(v1.8.0)軟件計(jì)算的結(jié)果用Origin軟件繪制[11]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 東亞飛蝗與刺腿食蚜蠅酵母菌OUT水平分析

        在當(dāng)前的測(cè)序量下,2個(gè)樣本的Chao1曲線與Shannon曲線(圖1)都接近平臺(tái)期,說明增加測(cè)序數(shù)據(jù)無法再找到更多的OTU,這表明選取的樣本測(cè)序量能夠充分反映待測(cè)樣本酵母菌菌群結(jié)構(gòu)的合理性及多樣性。

        圖1 Shannon指數(shù)和Chao1指數(shù)稀釋曲線

        兩個(gè)樣本共檢測(cè)到126 728條reads,其中子囊菌亞門(Ascomycota)32 695條,擔(dān)子菌亞門(Basidiomycota)20 150條,測(cè)序長(zhǎng)度集中在270~300 bp之間。2個(gè)樣品共產(chǎn)生906個(gè)OTU,去除豐度值低于全體樣本測(cè)序總量0.001%的OTU,并去除稀有OTU,用于后續(xù)的一系列分析。OTU劃分并對(duì)分類地位鑒定的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)顯示,在各分類水平上東亞飛蝗體內(nèi)酵母菌OTU數(shù)目均高出刺腿食蚜蠅。由vene圖(圖2)可知東亞飛蝗體內(nèi)特有229個(gè)OTU,刺腿食蚜蠅體內(nèi)特有259個(gè)OTU,二者共有418個(gè)OTU。

        表2 OTU劃分和分類地位鑒定結(jié)果

        圖2 東亞飛蝗和刺腿食蚜蠅共有OTU vene圖

        2.2 東亞飛蝗與刺腿食蚜蠅酵母菌Alpha多樣性分析

        對(duì)2個(gè)樣本的Simpson指數(shù)、Shannon 指數(shù)、Chao1 指數(shù)、Ace指數(shù)進(jìn)行Alpha多樣性及差異顯著性分析表明,東亞飛蝗的Chao1、Ace指數(shù)比刺腿食蚜蠅大,而Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)比刺腿食蚜蠅?。ū?),說明東亞飛蝗樣本存在著稀有OTU的概率更大,而刺腿食蚜蠅樣本中群落的均勻度和豐富度更好,且優(yōu)勢(shì)物種明顯。通過T假設(shè)檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)兩個(gè)樣本各多樣性指數(shù)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)值(t)均小于假設(shè)檢驗(yàn)顯著水平為0.01時(shí)的參考值(t0.01),表明東亞飛蝗和刺腿食蚜蠅體內(nèi)酵母菌多樣性差異并不顯著(表4)。

        表3 樣品的Alpha多樣性指數(shù)

        表4 多樣性指數(shù)差異顯著性分析

        2.3 東亞飛蝗與刺腿食蚜蠅酵母菌的菌群結(jié)構(gòu)分析

        據(jù)OTU劃分和分類地位鑒定結(jié)果,可以獲得兩個(gè)樣本在各分類水平的具體組成(表2、表4,圖3、圖4)。相當(dāng)于以不同的分辨率查看群落組成結(jié)構(gòu),比較兩個(gè)樣本在各分類水平所含有的酵母菌類群數(shù)量(表5);東亞飛蝗體內(nèi)酵母菌群共分屬于2門6綱11目12科17屬73種,刺腿食蚜蠅體內(nèi)酵母菌群共分屬于2門8綱13目16科17屬88種。

        各分類水平上的數(shù)目雖然大體相同,但種類和比例卻相差甚大。通過比較分析發(fā)現(xiàn),在門水平上(圖3),兩個(gè)樣本的內(nèi)生酵母菌主要分布在子囊菌亞門和擔(dān)子菌亞門,東亞飛蝗樣本中子囊菌亞門占比例為76.5%,而刺腿食蚜蠅中僅占22.2%,前者較后者高54.3個(gè)百分點(diǎn);東亞飛蝗樣本中擔(dān)子菌亞門占比例為23.5%,而刺腿食蚜蠅中占77.8%,前者較后者低54.3個(gè)百分點(diǎn)。在屬水平上,兩個(gè)樣本共發(fā)現(xiàn)19個(gè)屬,分別為黑粉菌屬(Filobasidium)、畢赤酵母屬(Pichia)、假絲酵母屬(Candida)、金擔(dān)子菌屬(Aureobasidium)、隱球酵母屬(Cryptococcus)、擬威爾嗜殺酵母屬(Cyberlindnera)、梅奇酵母屬(Metschnikowia)、接合酵母屬(Zygosaccharomyces)、Cystofilobasidium、Prototheca、Papiliotrema、擲孢酵母屬(Sporobolomyces)、雙足綱酵母屬(Dipodascus)、Tetrapisispora、Kwoniella、裂殖酵母屬(Schizosaccharomyces)、阿卡酵母屬(Acaromyces)、威克漢姆酵母屬(Wickerhamlella)、Udeniomyces。其中,兩個(gè)樣本共有的屬為前15個(gè)屬,東亞飛蝗特有的屬為擬威爾嗜殺酵母屬和擲孢酵母屬、分別占1.16%和2.91%;刺腿食蚜蠅特有的屬為雙足綱酵母屬(Dipodascus)和阿卡酵母屬、均占1.49%;東亞飛蝗體內(nèi)優(yōu)勢(shì)屬均為線黑粉菌屬和畢赤酵母屬、分別占44.77%和34.30%,刺腿食蚜蠅體內(nèi)優(yōu)勢(shì)屬也為黑粉菌屬、占43.28%;此外,東亞飛蝗和刺腿食蚜蠅體內(nèi)相差最大的屬為畢赤酵母屬,前者較后者高28.82個(gè)百分點(diǎn)。

        統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),共有的酵母屬中,東亞飛蝗體內(nèi)含量在1%以上的有6個(gè),分別為線黑粉菌屬44.77%、畢赤酵母屬34.30%、假絲酵母屬(3.49%)、Udeniomyces3.49%、隱球酵母屬(Cryptococcus)1.74%、Papiliotrema1.74%;而刺腿食蚜蠅體內(nèi)含量在1%以上的屬有11個(gè),分別為黑粉菌屬43.28%、Udeniomyces7.46%、假絲酵母屬7.46%、梅奇酵母屬5.97%、金擔(dān)子菌屬(Aureobasidium)5.97%、畢赤酵母屬4.48%、Cystofilobasidiu4.48%、Protocheca4.48%、Papiliotrema1.49%、Kwoniella1.49%、裂殖酵母屬1.49%。此外,東亞飛蝗和刺腿食蚜蠅體內(nèi)未分類的真菌分別占4.4%和12.6%。

        圖3 門水平菌群分類學(xué)組成和分布

        圖4 屬水平菌群分類學(xué)組成和分布

        表5 各分類水平的微生物類群數(shù)統(tǒng)計(jì)

        3 結(jié)論與討論

        新疆是東西方生物多樣性的過渡帶。從生態(tài)類型劃分看,是歐洲夏干帶和東亞夏濕帶之間的過渡帶。石河子地區(qū)屬于北疆地區(qū)典型的寒溫帶氣候,嚴(yán)酷的自然環(huán)境成為酵母菌進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力,因此其酵母菌多樣性存在特異性。酵母菌的生存分布受其直接和間接生存微環(huán)境特征的影響[12],本研究中2個(gè)采樣點(diǎn)較近,其生境在同一農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中高度重合,且東亞飛蝗和刺腿食蚜蠅均為雜食性昆蟲[1,13],通過Alpha多樣性分析和菌群結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)刺腿食蚜蠅體內(nèi)內(nèi)生酵母菌多樣性略高于東亞飛蝗,但差異性并不顯著,二者的主要差別在于在于其體內(nèi)特有的酵母。

        統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),擬威爾嗜殺酵母和擲孢酵母只存在于東亞飛蝗體內(nèi)。擲孢酵母的某些類群是人和植物的病原菌[14],從蘋果葡萄等植株的葉片、花以及果實(shí)和其他單子葉植物中能夠分離得到,并引起植物炎癥[15]。昆蟲內(nèi)共生菌不僅能調(diào)控宿主昆蟲的營(yíng)養(yǎng)代謝和生殖代謝,還能協(xié)助昆蟲抵御生物、非生物脅迫,提高昆蟲對(duì)化學(xué)農(nóng)藥的抗性及對(duì)寄主植物的適應(yīng)性等[16]而擲孢酵母某些菌株具有細(xì)胞分化抵抗逆境的特點(diǎn),可作為研究發(fā)育調(diào)控和抗逆機(jī)制的潛在模式生物[17]。有研究表明其抗藥性近年來也有增加趨勢(shì),導(dǎo)致傳統(tǒng)的化學(xué)藥物對(duì)蝗蟲防治日漸式微[18-19]。在同一自然生境中,刺腿食蚜蠅體內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)擲孢酵母。表明蝗蟲內(nèi)擲孢酵母的的抗性機(jī)制可能是導(dǎo)致極端環(huán)境條件下蝗蟲抗性增加的原因之一。擲孢酵母既是某些農(nóng)林經(jīng)濟(jì)作物的病原菌,又可能是蝗蟲抗性增加的調(diào)控因子。而野生的嗜殺酵母能夠產(chǎn)生一定量的嗜殺因子以抵抗病原真菌的感染而不對(duì)自身產(chǎn)生作用[20-21],這在一定程度上解釋了為何蝗蟲體內(nèi)存在病原真菌而不被感染。目前嗜殺酵母已廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)[22]。本研究并未對(duì)擲孢酵母對(duì)蝗蟲抗性調(diào)控的分子機(jī)理以及嗜殺因子的藥理進(jìn)行深入研究,也并未見相關(guān)報(bào)道,因此通過對(duì)其進(jìn)一步研究可為相關(guān)農(nóng)業(yè)病蟲害的綜合性治理提供新思路。

        本研究通過熒光定量原位測(cè)序技術(shù)對(duì)酵母進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)限制性片段多態(tài)分析(PCR-ITS—RFLP)并進(jìn)行了變性凝膠電泳分析,結(jié)果表明DGGE不適用于酵母種群多樣性的定量測(cè)定,而PCR—ITS-RFLP所得結(jié)果不能完全反映樣本酵母菌群結(jié)構(gòu)多樣性[23],但高通量測(cè)序技術(shù)能夠檢測(cè)和鑒定出更多的酵母類群[24]。本研究利用26S rDNA D1/D2區(qū)域序列的高通量測(cè)序,分析2種昆蟲內(nèi)生酵母菌種群結(jié)構(gòu),結(jié)果充分反映了2種具有不同生態(tài)功能昆蟲內(nèi)生酵母菌多樣性的特征,為新疆豐富酵母菌資源的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。但本實(shí)驗(yàn)所選NL1和NL2引物還檢測(cè)到枝孢屬(Cladosporium)、擬南芥屬(Arabidopsis)等其他非酵母微生物類群,針對(duì)昆蟲內(nèi)生酵母高通量測(cè)序的引物選擇有待進(jìn)一步研究加以改進(jìn)。

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