【摘要】：1黃翅大白蟻品級分化機(jī)制研究社會性昆蟲白蟻存在明顯的品級分化現(xiàn)象,且不同種類白蟻的品級分化存在差異:高等白蟻的品級分化往往比低等白蟻更加復(fù)雜。目前對高等白蟻品級分化產(chǎn)生機(jī)制的研究仍相對較少。鑒于此,本文以一種品級系統(tǒng)十分復(fù)雜的高等白蟻——黃翅大白蟻Macrotermes barneyi Light為研究對象,開展了高等白蟻品級分化機(jī)制的研究。主要結(jié)果如下:(1)差異表達(dá)基因?qū)ζ芳壏只挠绊懲ㄟ^分析黃翅大白蟻5個未成熟品級(若蟻、大小先工蟻和大小先兵蟻)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),可知大先兵蟻(126個基因上調(diào),42個基因下調(diào))和若蟻(66個基因上調(diào),56個基因下調(diào))中差異表達(dá)基因數(shù)量最多,表明這兩個未成熟品級在巢群中的“特殊地位”。各個未成熟品級中均有許多差異表達(dá)基因與品級特異性表型相關(guān),例如品級分化、生殖(如Vtg基因)、能量代謝等相關(guān)基因在若蟻中顯著高表達(dá),免疫、抗氧化等相關(guān)基因在大先兵蟻中顯著高表達(dá),肌肉相關(guān)基因(如TnC基因)在大小先兵蟻中顯著高表達(dá),肌肉、表皮結(jié)構(gòu)等相關(guān)基因在大小先工蟻中顯著高表達(dá)。采用RNAi技術(shù)沉默若蟻的卵黃原蛋白基因Vitellogenin(Vtg)后,發(fā)現(xiàn)若蟻羽化時間提前,羽化率升高。沉默小先兵蟻肌鈣蛋白C基因Troponin C(TnC)后,發(fā)現(xiàn)其運動能力下降,體內(nèi)ATP含量升高;而沉默大先工蟻TnC基因后,發(fā)現(xiàn)其運動能力升高,體內(nèi)ATP含量下降;這表明TnC基因可能在黃翅大白蟻的小先兵蟻和大先工蟻中的功能有所不同,具有品級特異性。由此可見,差異表達(dá)基因可能是調(diào)控未成熟階段品級特異性表型發(fā)育的重要因素。(2)基因共表達(dá)對若蟻特異性表型的影響在分析5個未成熟品級轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用WGCNA法共鑒定到17個基因共表達(dá)模塊,其中Module 4中顯著聚集了若蟻的差異表達(dá)基因,包括與若蟻品級分化、生殖、能量代謝、免疫等表型相關(guān)的基因;在黃翅大白蟻的5個未成熟品級中只有若蟻可以發(fā)育為生殖品級,因此將生殖表型與17個模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,發(fā)現(xiàn)Modules 4與生殖表型關(guān)聯(lián)最密切。上述結(jié)果表明,聚類在Module 4中基因的共表達(dá)可能參與調(diào)控若蟻特異性表型,包括生殖、免疫和能量代謝等表型。(3)可變剪切對先兵蟻和先工蟻肌肉發(fā)育的影響通過可變剪切位點的鑒定和篩選發(fā)現(xiàn),先兵蟻(122個可變剪切位點)和先工蟻(106個可變剪切位點)特異性可變剪切位點數(shù)量均較多,而且大量發(fā)生可變剪切的基因與肌肉功能相關(guān)(先兵蟻:63個可變剪切位點位于22個基因;先工蟻:48個可變剪切位點位于10個基因)。通過RT-PCR驗證發(fā)現(xiàn),位于MHC、PDZ-LIM domain protein和Titin等3個肌肉發(fā)育基因的跳躍外顯子可變剪切轉(zhuǎn)錄本在先兵蟻中顯著低表達(dá),位于Tensin基因的5’端可變剪切轉(zhuǎn)錄本在先兵蟻和先工蟻中顯著低表達(dá)。若蟻特異性的可變剪切位點數(shù)量較少(33個可變剪切位點),而且發(fā)生可變剪切的基因與若蟻特異性表型無密切關(guān)系。由此可見,黃翅大白蟻先兵蟻和先工蟻的肌肉發(fā)育可能受到可變剪切的調(diào)控,而若蟻特異性表型較少受到可變剪切的調(diào)控。(4)保幼激素和5-羥色胺水平對品級分化的影響保幼激素III(juvenile hormone III,JH III)水平在若蟻中顯著更低,這有利于若蟻向有翅生殖蟻發(fā)育;JH III水平在先兵蟻中顯著更高,這有利于先兵蟻向兵蟻發(fā)育。5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)水平在5個未成熟品級中存在顯著差異(先兵蟻先工蟻若蟻),這與5個未成熟品級的肌肉水平和在巢群中承擔(dān)的保衛(wèi)職能有密切關(guān)系。JH III和5-HT在5個未成熟品級之間的水平差異表明其可能在黃翅大白蟻的品級分化與發(fā)育過程中發(fā)揮作用。綜上所述,黃翅大白蟻的差異表達(dá)基因、基因共表達(dá)、可變剪切、保幼激素和5-羥色胺等指標(biāo)均存在品級特異性,在未成熟階段參與調(diào)控黃翅大白蟻的品級分化。2黑翅土白蟻巢友識別機(jī)制研究社會性昆蟲通過“識別線索”判斷對方是否為同巢個體的現(xiàn)象稱為巢友識別。目前對社會性昆蟲識別機(jī)制的研究主要針對異巢或天敵個體,而對白蟻同巢個體識別機(jī)制的研究較少,尤其是抗生素及與氣味識別和神經(jīng)遞質(zhì)傳導(dǎo)相關(guān)的基因是否影響白蟻巢友識別尚不清楚。因此,本文選擇我國地下白蟻優(yōu)勢種——黑翅土白蟻Odontotermes formosanus Shiraki為研究對象,開展了高等白蟻巢友識別機(jī)制的研究。主要結(jié)果如下:(1)抗生素對黑翅土白蟻巢友識別的影響飼喂氨芐青霉素24 h后,處理組1(氨芐青霉素處理的1頭工蟻vs水處理的5頭工蟻)同巢工蟻間撕咬和后退行為持續(xù)時間顯著高于對照組(水處理的1頭工蟻vs水處理的5頭工蟻)。飼喂四環(huán)素24 h后,處理組1(四環(huán)素處理的1頭工蟻vs水處理的5頭工蟻)同巢工蟻間撕咬、抖動、后退行為的持續(xù)時間均顯著或邊緣顯著高于處理組2(四環(huán)素處理的1頭工蟻vs四環(huán)素處理的5頭工蟻)和對照組�？梢�,氨芐青霉素和四環(huán)素可以干擾黑翅土白蟻巢友識別,誘導(dǎo)同巢工蟻間的威脅行為(抖動和后退)和攻擊行為(撕咬)。(2)轉(zhuǎn)錄組測序篩選黑翅土白蟻巢友識別相關(guān)基因從黑翅土白蟻工蟻頭部轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫中,篩選嗅覺共同受體基因olfactory receptor co-receptor(Orco)和5-羥色胺轉(zhuǎn)運體基因5-HT transporter(5-HTT)為巢友識別相關(guān)候選基因,從116,885個Unigene中篩選出Orco的直系同源基因Unigene55916和5-HTT的直系同源基因Unigene 49370,開展后續(xù)的候選基因功能研究。(3)Orco基因?qū)诔嵬涟紫伋灿炎R別的影響Orco基因在黑翅土白蟻工蟻觸角中的表達(dá)水平顯著高于足、頭部和胸腹部。沉默Orco基因24 h后,白蟻體內(nèi)Orco基因表達(dá)水平顯著下降,處理組1(dsOrco處理的1頭目標(biāo)工蟻vs dsGFP處理的5頭非目標(biāo)工蟻)和處理組2(dsOrco處理的1頭目標(biāo)工蟻vs dsOrco處理的5頭非目標(biāo)工蟻)同巢工蟻間撕咬、抖動和后退3種行為的持續(xù)時間均顯著高于對照組(dsGFP處理的1頭目標(biāo)工蟻vs dsGFP處理的5頭非目標(biāo)工蟻)�？梢�,Orco基因表達(dá)量下降會導(dǎo)致工蟻“氣味”感受能力下降,破壞巢友識別能力,導(dǎo)致巢友間攻擊行為(撕咬)和威脅行為(抖動和后退)增加。(4)5-HTT基因?qū)诔嵬涟紫伋灿炎R別的影響5-HTT基因在黑翅土白蟻工蟻觸角中的表達(dá)水平顯著高于足、頭部和胸腹部。沉默5-HTT基因24 h后,白蟻體內(nèi)5-HTT基因表達(dá)水平顯著下降,處理組1(ds5-HTT處理的1頭目標(biāo)工蟻vs dsGFP處理的5頭非目標(biāo)工蟻)和處理組2(ds5-HTT處理的1頭目標(biāo)工蟻vs ds5-HTT處理的5頭非目標(biāo)工蟻)的同巢工蟻間撕咬、抖動和后退3種行為的持續(xù)時間均顯著高于對照組(ds GFP處理的1頭目標(biāo)工蟻vs dsGFP處理的5頭非目標(biāo)工蟻)�？梢�,5-HTT基因表達(dá)量下降可能影響了工蟻神經(jīng)元對5-HT的重吸收,導(dǎo)致了巢友間攻擊行為(撕咬)或威脅行為(抖動和后退)增加。綜上所述,抗生素(氨芐青霉素和四環(huán)素)、Orco和5-HTT基因表達(dá)量下降均可影響黑翅土白蟻的巢友識別,這為深入揭示高等白蟻的巢友識別機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

黃翅大白蟻品級分化機(jī)制研究技術(shù)路線圖

繪制黃翅大白蟻的生活史示意圖（圖 1.3）。經(jīng)鑒定后的未成熟品級蟲體置于 1.5 mL凍存管中，在液氮中速凍并于-80°C 保存?zhèn)溆�。收集巢體 1-5 的未成熟品級個體用于轉(zhuǎn)錄組測序、qRT-PCR 驗證、RT-PCR 驗證、JH III 和神經(jīng)遞質(zhì) MRM 檢測等研究。本章使用的巢體 6-11 在 2018 年 3 月-5 月采集于湖北省武漢市、湖南省長沙市、江西省吉安縣。從不同巢體中挑選若蟻、小先兵蟻、大先工蟻，，用于基因 Vtg 和 TnC的功能驗證。巢體采集點信息及使用情況如表 1.1 所示。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：Q963

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2692283