番茄潜叶蛾卵巢发育与卵黄原蛋白及其受体的关系研究

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昆虫雌性内生殖系统由卵巢、输卵管、生殖腔、受精囊和雌性附腺组成,具有贮存和增殖生殖细胞、供给营养、提供受精场所和产卵等功能,其卵巢结构及卵子发生过程与害虫发生高峰期、发生量的准确预测和田间防治的适期确定密切相关。因此,了解雌性昆虫内生殖系统的结构是研究其生殖生理的先决条件。卵黄原蛋白(Vitellogenin,Vg)是由雌性昆虫脂肪体产生的一种糖脂复合蛋白,受激素刺激后分泌至血淋巴,最终经过卵母细胞中卵黄原蛋白受体(Vitellogenin receptor,Vg R)介导的内吞作用在卵母细胞发育过程中发挥作用,进而调控昆虫的生殖发育过程。番茄潜叶蛾Tuta absoluta是一种极具毁灭性的世界检疫性农业入侵害虫,喜食番茄、茄子、马铃薯等茄科植物,具有繁殖力强、定殖速度快和气候环境适应性强等特点。其暴发危害会大幅增加化学农药使用量,导致番茄市场价格升高等一系列不利效应。因此,迫切需要探索新的特异性生物防治方法,以有效防治番茄潜叶蛾。昆虫种族延续的关键因素在于生殖,通过人为干预或阻断昆虫的生殖发育过程来达到防治害虫的目的已成为国内外的研究热点。深度挖掘调控昆虫正常生殖发育的关键因子及其作用机制,可为害虫防治奠定理论基础。基于以上背景,本研究探索了番茄潜叶蛾雌虫的卵巢发育分级标准,并围绕番茄潜叶蛾卵巢发育和繁殖力,以卵黄原蛋白及其受体为中心,利用分子克隆、q PCR以及RNAi等技术和手段,分析Vg和Vg R基因对番茄潜叶蛾生殖发育的影响。研究结果有助于深入了解其调控昆虫卵巢发育的分子机理,对削弱害虫或提升益虫的繁殖力均具有重要的实际意义。主要研究结果如下:1、番茄潜叶蛾卵巢发育分级观察番茄潜叶蛾不同发育阶段的卵巢,发现雌虫具有1对卵巢,单侧卵巢由4根卵巢管组成。卵巢管可分为卵子发生区、生长区和成熟区三个部分,顶部附着有端丝,左右两侧卵巢管通过侧输卵管连接并汇合成于中输卵管处。番茄潜叶蛾蛹期出现发育初期卵巢,此时卵巢的结构及形态已初步形成,质地均匀透明。处于伸长期的卵巢管基部存在明显卵室,单侧卵巢管之间贴合紧密,汇集于端部。因卵室均为透明,无卵黄沉积,将其定义为乳白透明期(Ⅰ级)。番茄潜叶蛾雌蛹羽化后卵巢内卵黄逐渐沉积,根据卵巢管发育状态、卵黄沉积量、脂肪体颜色和形态、受精囊、附腺等的发育情况将羽化后雌蛾卵巢分为卵黄沉积期(Ⅱ级)、成熟待产期(Ⅲ级)、产卵盛期(Ⅳ级)和产卵末期(Ⅴ级)。2、番茄潜叶蛾卵黄原蛋白及其受体基因的鉴定及表达模式分析利用RT-PCR技术克隆获得番茄潜叶蛾卵黄原蛋白及其受体(TaVg和TaVg R)基因的开放阅读框,长度分别为5,208和5,496 bp,编码1,735和1,831个氨基酸,理论蛋白质分子量为198.55和205.50 k Da,等电点为8.89和5.17。TaVg和TaVg R编码的氨基酸序列N端均存在信号肽区域,序列包含的糖基化位点(NXT和NXS)分别有5和16个。TaVg无跨膜域,TaVg R的跨膜域位置在第1699-1721位氨基酸处,胞质尾域在第1722-1831位氨基酸处,其余氨基酸部分为胞外区域。TaVg和TaVg R预测氨基酸均为亲水性氨基酸,且存在多个预测磷酸化位点,分布较为均匀。系统发育分析表明,番茄潜叶蛾TaVg和TaVg R在进化上具有较好保守性,分别与鳞翅目其他昆虫的Vg和Vg R聚集成一个进化枝。发育阶段表达特性表明,2个基因的转录水平均随着龄期的增加而升高,在雌蛹和雌成虫中的表达水平显著上升,且在雌成虫中达到峰值。组织表达特性表明,TaVg在雌成虫的脂肪体中特异性高表达,其次卵巢中TaVg的表达水平显著高于其他组织,TaVg R则在卵巢中特异性高表达,在其余组织中的表达水平无明显差异。3、番茄潜叶蛾TaVg和TaVgR基因对卵巢发育及繁殖力的影响通过RNAi技术解析番茄潜叶蛾TaVg和TaVg R基因的生物学功能。结果表明,在4日龄雌蛹体内分别注射ds TaVg、ds TaVg R及二者ds RNA混合液后,其转录水平较注射ds GFP的试虫均显著下调,证明靶标基因的表达受到有效抑制。沉默TaVg和TaVg R基因后,番茄潜叶蛾的卵巢发育明显受阻,产卵历期缩短,Ⅲ级卵巢出现比例减少,Ⅱ级卵巢出现比例增加,卵巢管萎缩变短,成熟卵粒数量减少,且卵室内卵黄沉积量大大减少,导致卵粒体积缩小,呈空瘪状态,导致其产卵量及后代卵孵化率显著降低。酶联免疫反应分析发现沉默TaVg基因可阻碍番茄潜叶蛾体内Vg的合成,而沉默TaVg R基因后显著抑制了番茄潜叶蛾卵巢内卵母细胞对Vg的吸收,进而影响番茄潜叶蛾的卵巢发育。其次,共沉默组抑制雌蛾卵巢发育和降低繁殖力的效果更为明显,表明TaVg和TaVg R基因共同协作调控番茄潜叶蛾雌虫的生殖发育。综上所述,本论文以番茄潜叶蛾卵巢发育为切入点,对其卵巢发育级别进行明确划分,在转录组数据基础上筛选出番茄潜叶蛾卵黄原蛋白及其受体基因,通过q PCR技术测定2个基因的时空表达特性,并进一步探究Vg和Vg R在番茄潜叶蛾生殖发育过程中的功能,以及Vg和Vg R与卵巢发育之间的关系,初步明确了番茄潜叶蛾的生殖系统结构,及Vg和Vg R共同调控番茄潜叶蛾卵巢发育的分子机制。本学位论文研究结果有助于进一步了解入侵害虫番茄潜叶蛾的生殖机制,同时加深了对Vg和Vg R调控麦蛾科雌虫生殖发育的分子机理。
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