黨利紅, 高 植, 胡 楊
(陜西理工大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 漢中 723000)
管薊馬是纓翅目Thysanoptera管尾亞目Tubulifera管薊馬科Phlaeothripidae物種的總稱,薊馬種類繁多,世界已知831屬6000余種,管薊馬世界已知2亞科457屬3566種[1],管薊馬科是纓翅目中最大的一個(gè)科,在我國(guó)分布廣泛,包括79屬285種[2]。陜西省漢中地區(qū)是我國(guó)南北過(guò)渡地區(qū),氣候潮濕,生態(tài)環(huán)境優(yōu)良,適宜生物生存,同時(shí)也是世界上物種多樣性最豐富的地區(qū)之一,該地區(qū)以種植水稻、玉米、油菜等經(jīng)濟(jì)作物為主,適宜的生存環(huán)境和良好的食源,為纓翅目昆蟲(chóng)提供了較好的繁殖生境。管薊馬為銼吸式口器,常銼破植物表皮組織吮吸汁液造成為害,危害性廣,是重要的農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)之一[3],阻礙農(nóng)作物葉、花、種子的正常生長(zhǎng),嚴(yán)重威脅到農(nóng)作物產(chǎn)量而越來(lái)越受到人們重視[4]。
DNA條形碼(DNA Barcoding)是近幾年來(lái)國(guó)際生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。DNA條形碼是依據(jù)較短的標(biāo)準(zhǔn)DNA序列進(jìn)行物種鑒定的方法[5]。DNA條形碼技術(shù)的出現(xiàn)可以更好更快地的鑒別物種,了解物種的分類地位和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系[6]。DNA條形碼自提出以來(lái),已在多個(gè)類群的研究中得到了應(yīng)用,包括真菌、植物、纖毛蟲(chóng)、珊瑚、腹足類、蜘蛛、甲殼動(dòng)物、昆蟲(chóng)、魚(yú)類、兩棲類、鳥(niǎo)類及靈長(zhǎng)類等。國(guó)內(nèi)也有一批學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究,如屠云潔等[7]對(duì)3個(gè)地方雞的線粒體COI基因多樣性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明COI基因?qū)﹄u品種的鑒定結(jié)果與形態(tài)鑒定基本相符。馮毅等[8]用DNA條形碼信息研制DNA芯片,成功鑒定了3種西花薊馬。彭居俐等[9]的研究表明以COI基因作為鲌屬魚(yú)類DNA條形碼進(jìn)行物種鑒定具有一定的可行性。王中鐸等[10]探討了COI基因在硬骨魚(yú)類輔助物種鑒別的適用性。DNA條形碼為生物分類提供了一個(gè)快速、簡(jiǎn)便的鑒定系統(tǒng)。在一些生物多樣性調(diào)查研究中,DNA條形碼鑒定物種的準(zhǔn)確率達(dá)到了97%或97.9%。在鱗翅目等類群中,通過(guò)DNA條形碼發(fā)現(xiàn)了大量隱存種或新種。如朱丹丹和謝瑾[11]利用DNA條形碼技術(shù)鑒定了卷蛾科昆蟲(chóng)22種,發(fā)現(xiàn)了近緣種;楊瑞生等[12]通過(guò)DNA條形碼技術(shù)快速準(zhǔn)確地鑒定了鱗翅目11種害蟲(chóng)。在科技部基礎(chǔ)工作專項(xiàng)的支持下,我國(guó)DNA條形碼技術(shù)規(guī)范體系與信息系統(tǒng)已經(jīng)初步構(gòu)建,并在農(nóng)林害蟲(chóng)、藥用昆蟲(chóng)、媒介昆蟲(chóng)、傳粉昆蟲(chóng)、外來(lái)人侵物種、重要保護(hù)動(dòng)物等領(lǐng)域已有應(yīng)用。
對(duì)于薊馬而言,依賴形態(tài)特征的物種鑒定具有一定的局限性。由于薊馬體型微小,近似種之間的區(qū)別特征少且不明顯,對(duì)于薊馬的精準(zhǔn)防治不能起到指導(dǎo)性作用。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,分子鑒定為物種的鑒定提供了新的方法,可以檢測(cè)物種間及同種個(gè)體間的細(xì)微差別。DNA條形碼技術(shù)是最佳的手段,可方便快捷地確定薊馬的種類、特點(diǎn)、習(xí)性、生活史等重要信息,為薊馬的鑒定提供有效手段,這也是未來(lái)物種鑒定的發(fā)展趨勢(shì)。但是我國(guó)有關(guān)薊馬的分子系統(tǒng)學(xué)研究還很欠缺,正處于初期探索階段,僅涉及到DNA條形碼基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累。因此,開(kāi)展該類群DNA條形碼研究來(lái)填補(bǔ)我國(guó)在該領(lǐng)域研究的匱乏,同時(shí)提供更多的管薊馬條形碼序列,為將來(lái)結(jié)合形態(tài)和分子數(shù)據(jù)深入探討我國(guó)管薊馬的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究、農(nóng)作物害蟲(chóng)的生物防治提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
本文通過(guò)對(duì)陜西省漢中地區(qū)管薊馬線粒體COI基因序列進(jìn)行比對(duì)分析,構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),探討管薊馬的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系;快速、準(zhǔn)確、高效地確定陜西地區(qū)管薊馬物種,為陜南地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提高以及管薊馬的生物學(xué)防治提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
本研究所用薊馬標(biāo)本均為成蟲(chóng),為充分研究陜西省漢中地區(qū)管薊馬的分布與危害,于2015—2017年分別在陜西理工大學(xué)北校區(qū)、漢臺(tái)區(qū)陜南植物園、城固縣周邊農(nóng)田、洋縣梨園及草壩村周邊農(nóng)田等地采集薊馬標(biāo)本,涉及的植物種類繁多,主要有小麥、油菜、蠶豆、蔥、三葉草及雜草等。
1.1.1 標(biāo)本的采集
薊馬種類繁多,生活環(huán)境復(fù)雜,寄主豐富,因此采集方法多樣。本研究主要運(yùn)用兩種采集方法:
1)掃捕法:對(duì)于生活在雜草叢中的管薊馬,通過(guò)用捕蟲(chóng)網(wǎng)在雜草種來(lái)回掃動(dòng);
2)敲打法:最常用的薊馬采集方法,將一個(gè)白色托盤(pán)置于植物下,直接敲打植物的葉子、花、枯樹(shù)枝葉以及雜草等,使薊馬脫離寄主,掉在白盤(pán)上。
通過(guò)以上方法采得的薊馬,用小號(hào)毛筆直接刷入裝有體積分?jǐn)?shù)95%酒精的采集小管,詳細(xì)記錄每瓶薊馬樣品的采集信息,包括瓶號(hào)、體色、寄主植物、為害狀、數(shù)量、采集時(shí)間、地點(diǎn)以及采集人等。
1.1.2 標(biāo)本的保存
將采集到的薊馬標(biāo)本置于盛有體積分?jǐn)?shù)95%酒精的離心管中,-20 ℃保存,以備分子實(shí)驗(yàn)用。
本實(shí)驗(yàn)所用儀器有:雙目解剖鏡、marker筆、鑷子、酒精燈、燒杯、剪刀、膠帶、濾紙、小毛筆、大頭針、離心管、移液槍、離心機(jī)、電子天平、XH-C旋轉(zhuǎn)混合器、水浴鍋、微波爐、電泳儀、高壓滅菌鍋、冰箱等。
本實(shí)驗(yàn)用到的試劑包括:博日組織基因組試劑盒、蛋白酶K、DNA Lodding buffer、核酸染料、DNA marker、Taq mix、無(wú)水乙醇、超純水、TAE×50、瓊脂糖、引物L(fēng)CO1-1490和HCO1-2198。
實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,準(zhǔn)備好薊馬標(biāo)本、酒精燈、離心管、解剖鏡、大頭針、小毛刷、鑷子、離心機(jī)、水浴鍋、混合儀等儀器,設(shè)置水浴鍋溫度為56 ℃,并等待水溫恒定。
2.2.1 消 化
(1)準(zhǔn)備1.5 mL的離心管數(shù)個(gè)(一頭薊馬一個(gè)離心管,離心管均需高溫蒸汽滅菌)放置于離心管支架臺(tái)上,分別加入180 μL的ATL Buffer,并用marker筆在離心管上標(biāo)出相應(yīng)的樣品編號(hào);
(2)從所采集的薊馬標(biāo)本中選取不同地區(qū)、不同蟲(chóng)態(tài)、不同顏色、不同大小的完整薊馬標(biāo)本,用小毛筆輕輕放在吸水紙上,吸附體壁上酒精,再轉(zhuǎn)移到解剖鏡下,冷卻后,在薊馬腹部刺3~5針,以保證消化液與蟲(chóng)體組織充分接觸,再轉(zhuǎn)移到裝有ATL Buffer的離心管中,按順序編號(hào)(實(shí)驗(yàn)所涉及到薊馬種類信息見(jiàn)表1);
(3)重復(fù)步驟2,直至所有管薊馬標(biāo)本處理完;
(4)向離心管中加入20 μL的Proteinase K(蛋白酶K),用混合儀震蕩混勻,放入56 ℃水浴鍋中水浴18 h(或過(guò)夜)。
表1 本研究涉及的薊馬樣品信息
2.2.2 提 取
(1)將標(biāo)本從水浴鍋中取出,用移液槍將蟲(chóng)體從離心管中吸出放入蒸餾水中,編號(hào),以備形態(tài)分類學(xué)鑒定;
(2)準(zhǔn)備1.5 mL的滅菌離心管和指形管,分別對(duì)應(yīng)編號(hào);
(3)將消化好的離心管離心20 s,分別加入200 μL AL Buffer和200 μL無(wú)水乙醇(冰),在混合儀上混合數(shù)秒;
(4)將離心管(含有DNA樣品的混合試劑)全部轉(zhuǎn)移到1.5 mL的指形管里,進(jìn)行離心,8000 rpm,1 min;
(5)棄掉原來(lái)的collection tube(即含有廢棄溶液的指形管),再將具有DNA附著膜的柱子放入新的collection tube,分別加入500 μL的AW1 buffer,進(jìn)行離心,8000 rpm,1 min;
(6)同步驟(5),棄掉原來(lái)的collection tube,再將具有DNA附著膜的柱子放入新的collection tube,分別加入500 μL的AW2 buffer,進(jìn)行離心,14 000 rpm,3 min;
(7)棄掉原來(lái)的collection tube然后將中間的柱子移入到之前準(zhǔn)備的1.5 mL的離心管里;
(8)加入25 μL的AE buffer,室內(nèi)靜置1 min,然后離心,8000 rpm,1 min;
(9)棄掉中間的柱子,得到DNA;
(10)將得到的DNA保存于-20 ℃冰箱中,準(zhǔn)備PCR。
PCR擴(kuò)增的引物設(shè)計(jì)為:LCO1-1490:GGTCAACAAATCATAAAGATATTG和HCO1-2198:TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAATCA,由北京奧科鼎盛生物科技有限公司合成。
本實(shí)驗(yàn)采用30 μL擴(kuò)增體系,包含試劑有21 μL超純水,5.8 μL Taq mix,0.6 μL引物L(fēng)CO1-1490,0.6 μL HCO1-2198,2 μL DNA模板。主要步驟如下:
(1)將超純水、Taq mix、引物、DNA混入0.5 mL的離心管中;
(2)將離心管放在PCR儀中進(jìn)行擴(kuò)增;
(3)擴(kuò)增循環(huán):94 ℃預(yù)變性3 min,然后94 ℃變性0.5 min,55 ℃退火0.5 min,72 ℃延伸1 min,共40個(gè)循環(huán),最后在72 ℃充分延伸10 min;
(4)將擴(kuò)增好的樣本放置于4 ℃下保存。并準(zhǔn)備電泳檢測(cè)。
將擴(kuò)增出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行電泳,檢測(cè)是否出現(xiàn)目的條帶,以便確定是否送樣檢測(cè)。電泳檢測(cè)主要步驟如下:
(1)制膠:將50×TAE稀釋為1×TAE,取50 mL 1×TAE和0.5 g瓊脂糖混溶,置于微波爐內(nèi)加熱1 min后取出加入10 μL核酸染料,充分混合倒入制膠板靜置,等待膠凝固;
(2)點(diǎn)樣:等膠凝固后,取PCR擴(kuò)增后的DNA混合液4 μL和Marker 4 μL點(diǎn)入膠孔;
(3)電泳:在90 V電壓下進(jìn)行電泳60 min;
(4)觀察:將點(diǎn)樣后的膠放置于紫外燈照射下,觀察是否出現(xiàn)目的條帶。
將經(jīng)過(guò)電泳檢測(cè)成功的PCR產(chǎn)物原液送往北京奧科鼎盛生物科技有限公司進(jìn)行DNA測(cè)序,以獲得薊馬樣品的COI序列。
將獲得的DNA條形碼序列運(yùn)用MEGA5.05進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析,其中以薊馬科Thripidae的2屬2種為外群,管薊馬科Phlaeothripidae管薊馬亞科Phlaeothripinae的3屬5種作為內(nèi)群,完成系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建。
本次實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)PCR擴(kuò)增,得到的PCR產(chǎn)物原液進(jìn)行電泳檢測(cè)后,在紫外燈照射下,薊馬樣品的COI基因序列可在接近600 bp處檢測(cè)出有明顯亮帶,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,共成功獲得18條COI基因序列。
對(duì)已獲得18條COI序列進(jìn)行編輯、拼接,應(yīng)用軟件MEGA5.05使用最大簡(jiǎn)約樹(shù)法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),結(jié)果共得5屬7種,如圖1所示。
3.2.1 系統(tǒng)發(fā)育結(jié)果
圖1中,薊馬COI基因分別聚為四個(gè)分支,第一支為主分支,由3個(gè)物種構(gòu)成,經(jīng)憑證標(biāo)本的形態(tài)學(xué)鑒定為豆簡(jiǎn)管薊馬(Haplothripskurdjumovi)、華簡(jiǎn)管薊馬(Haplothripschinensis)和稻管薊馬(Haplothripsaculeatus),此3種均屬于管尾亞目、管薊馬科、簡(jiǎn)管薊馬屬,系統(tǒng)發(fā)育分析其聚為一支;第二、三、四支:有四條序列支持,分屬于滑管薊馬屬Liothripssp.、器管薊馬屬Hoplothripssp.和薊馬科物種,系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)結(jié)果其分為3個(gè)獨(dú)立的分支。
3.2.2 結(jié)果分析
第一支:從形態(tài)學(xué)特征上分析,豆簡(jiǎn)管薊馬和華簡(jiǎn)管薊馬的區(qū)別僅為背板前緣鬃是否發(fā)達(dá),豆簡(jiǎn)管薊馬背板前緣鬃退化,而華簡(jiǎn)管薊馬背板前緣鬃發(fā)達(dá)。從COI基因分子層面上也有極大的相似性,因此在系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)中可以看到華簡(jiǎn)管薊馬嵌進(jìn)了豆簡(jiǎn)管薊馬分支內(nèi)。華簡(jiǎn)管薊馬和稻管薊馬二者僅在體表主要鬃端部尖細(xì)或膨大區(qū)別。因此,無(wú)論是分子還是形態(tài)數(shù)據(jù)均表明以上三者親緣關(guān)系較近。但由于本研究獲得的COI序列較少,因此無(wú)法說(shuō)明此三者的單系性。
圖1 運(yùn)用最大簡(jiǎn)約法構(gòu)建陜西省漢中地區(qū)管薊馬系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)
稻管薊馬分支中的④,經(jīng)形態(tài)學(xué)分析確定為華簡(jiǎn)管薊馬,但分子數(shù)據(jù)分析,系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)中其鑲嵌到稻管薊馬分支內(nèi),分析原因可能是由于在其COI基因提取時(shí)破壞了某些重要的區(qū)分特征所致。因此建議在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步確定該條序列對(duì)應(yīng)的憑證標(biāo)本是否與華簡(jiǎn)管薊馬物種混淆。
分支①和③,依據(jù)形態(tài)特征,其均為豆簡(jiǎn)管薊馬,不同個(gè)體分別聚集為2個(gè)分支,表明豆簡(jiǎn)管薊馬可能存在隱存分類單元。
第二、三、四支:該分支由⑥、⑦、⑧和⑨三部分組成,經(jīng)憑證標(biāo)本的形態(tài)學(xué)鑒定為滑管薊馬屬、器管薊馬屬和薊馬科,利用形態(tài)學(xué)與分子數(shù)據(jù)結(jié)合,鑒定四者分別為:滑管薊馬屬、器管薊馬屬、蔥韭薊馬Thripsalliorum和小腺帶薊馬Taeniothripsglanduculus,前兩者屬于管薊馬科,后兩者屬于薊馬科,系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)結(jié)果也表明其親緣關(guān)系較遠(yuǎn),支持其屬于不同的亞科。
利用MEGA5.05中的Kimuar雙參數(shù)模型,對(duì)5屬7種共18頭薊馬個(gè)體的COI基因序列的種內(nèi)及種間的遺傳距離進(jìn)行分析。結(jié)果表明(如表2)種內(nèi)遺傳距離為0.000~0.009,其中稻管薊馬和華簡(jiǎn)管薊馬的種內(nèi)遺傳距離均為0.001,豆簡(jiǎn)管薊馬的種內(nèi)遺傳距離為0.001~0.009,平均是0.004;種間遺傳距離平均為0.096,其中,豆簡(jiǎn)管薊馬與華簡(jiǎn)管薊馬的種間遺傳距離最小為0.005,蔥韭薊馬和小腺帶薊馬的種間遺傳距離最大為0.186。
在對(duì)5屬7種共18條薊馬標(biāo)本的COI序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)構(gòu)建,可輔助形態(tài)學(xué)進(jìn)一步確定物種,區(qū)分形態(tài)上難以區(qū)分的物種,如對(duì)簡(jiǎn)管薊馬屬的豆簡(jiǎn)管薊馬的鑒定給予很好的數(shù)據(jù)支持;其次,從分子水平上初步驗(yàn)證了豆簡(jiǎn)管薊馬與華簡(jiǎn)管薊馬之間的親緣關(guān)系較近。結(jié)合管薊馬形態(tài)學(xué)和生物學(xué)等特征,本研究結(jié)果與傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)基本一致,證實(shí)所構(gòu)建的陜西省漢中地區(qū)管薊馬系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)真實(shí)有效,對(duì)陜西省漢中地區(qū)簡(jiǎn)管薊馬屬內(nèi)物種分類具有一定的幫助。
本研究薊馬DNA的提取采取無(wú)損傷提取方法,由于管薊馬個(gè)體較小,提取DNA量較少等原因,使得COI基因的提取成功率較低,顯得管薊馬COI基因樣本提取不足,數(shù)據(jù)范圍較狹小,物種的單系性分析缺乏較大量數(shù)據(jù)支持。
管薊馬種類豐富,個(gè)體微小,依據(jù)形態(tài)特征進(jìn)行物種鑒定存在一定的難度。DNA條形碼技術(shù)可以快速地確定物種的種類,尤其對(duì)個(gè)體微小、形態(tài)相近的物種進(jìn)行區(qū)分具有明顯優(yōu)勢(shì)。利用DNA條形碼技術(shù)對(duì)管薊馬種類進(jìn)行鑒定,結(jié)合形態(tài)學(xué)的分析可以快速、準(zhǔn)確地掌握管薊馬的種類,為后期陜西省漢中地區(qū)管薊馬物種多樣性調(diào)查研究和薊馬害蟲(chóng)防治措施方面提供科學(xué)依據(jù);相信通過(guò)后期的努力,我們能夠優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程,減少實(shí)驗(yàn)誤差,擴(kuò)展數(shù)據(jù)樣本,使得該方法能夠更加準(zhǔn)確地鑒定整個(gè)陜南地區(qū)管薊馬種類,也可快速地將危害陜西植物的管薊馬快速有效進(jìn)行區(qū)分,為后續(xù)管薊馬的物種多樣性研究和管薊馬害蟲(chóng)的生物防治提供更加完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
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