一种新型蚜虫兼性共生菌提高荻草谷网蚜适合度的分子基础研究

Facultative symbionts are a group of vertically transmitted bacteria found in aphids, which do not share obligate relationship with their aphid hosts. Previously, the effects of diverse facultative symbionts on the fitness of aphids have been investigated with ecological and physiological evidence, though we still have no knowledge on the molecular basis. SMLS (Sitobion Miscanthi L type Symbiont) is a newly found type of aphid facultative symbiont in Chinese Sitobion miscanthi populations. Our newly ecological study indicates that infection of SMLS can improve the fitness of S. miscanthi, such as increased adult weight, longer longevity, more offspring, and lower first age of reproduction. In this project, we will employ the high-throughput sequencing methods and bioinformatic analyses to uncover the influence of SMLS on the gene expression in S. miscanthi. Furthermore, the potential functions of some key genes are investigated with RNAi technique, and then the molecular basis for the positive effect of SMLS infection on the fitness of S. miscanthi will be resolved. This study lay the foundation for a comprehensive understanding of the effects of SMLS on the fitness of S. miscanthi.

兼性共生菌是一类在蚜虫体内具有垂直传播能力，但和蚜虫之间不存在专性共生关系的细菌。前期，研究人员已经从生态和生理学方面揭示了多种兼性共生菌对蚜虫适合度的影响，但是对于其作用的分子基础还不清楚。SMLS（Sitobion Miscanthi L type Symbiont）是项目申请者在我国荻草谷网蚜（Sitobion miscanthi）中发现的一种新型蚜虫兼性共生菌，近期的生态学研究表明，SMLS感染可以提高荻草谷网蚜的适合度，主要表现在提前蚜虫的初次产仔时间，增加蚜虫的体重、寿命和产仔量。本项目中，申请者计划通过高通量测序和生物信息学分析，揭示SMLS感染对荻草谷网蚜基因表达的影响，构建荻草谷网蚜响应SMLS感染的分子调控网络；并利用RNAi技术开展相关基因的功能研究，阐明SMLS提高荻草谷网蚜适合度的分子基础，为从宏观和微观角度全面揭示SMLS感染对荻草谷网蚜适合度的影响奠定基础。

SMLS（Sitobion Miscanthi L type Symbiont）是广泛感染我国荻草谷网蚜（Sitobion miscanthi）的一种新型蚜虫兼性共生菌。前期研究表明，SMLS感染可以提高荻草谷网蚜的适合度，但对其潜在的作用机制并不清楚。本项目中，申请者建立了具有相同遗传背景，不同共生菌感染状态的荻草谷网蚜种群。通过比较转录组分析，发现SMLS 感染和不感染荻草谷网蚜种群间，显著差异表达基因为1942个，其中1339个上调，603个下调。GO分析显示，显著差异表达基因主要富集在参与生物过程的几个GO term中，其主要功能包括调控基因表达、调控代谢、调控生长发育和细胞分化等。KEGG的分析也显示，显著差异表达基因主要富集在氨基酸和脂类代谢相关通路中。因此，我们推断，SMLS感染或许提高了荻草谷网蚜的代谢水平。另外，为了进一步了解SMLS的生物学特点，找到SMLS和荻草谷网蚜互作的直接证据，我们利用二代测序技术完成了SMLS基因组草图的绘制工作，共获得约1.01Mb的数据，包含一个质粒基因组，共注释了944个基因，包含3个核糖体rRNA基因（23S、16S、5S），34个tRNA。通过比较基因组发现，SMLS基因组具有较为独特的基因组结构，比较基因组分析显示，在基因组结构上，SMLS和与其近缘的Orientia tsutsugamushi、Rickettsia bellii也存在这较大的差异。SmDV（Sitobion miscanthi densovirus）是我们在荻草谷网蚜转录组数据库中发现的一种新型蚜虫浓核病毒，系统发育分析显示SmDV为双义浓核病毒，分类上属于Ambidensovirus属。进一步检测发现，SmDV在荻草谷网蚜地理种群中具有较高的感染率，而原位杂交结果也显示，SmDV和SMLS具有相同的感染部位，暗示着它们可能占有相同的生态位，或许存在着直接的互作关系。通过本项目的开展，我们不仅在基因水平上，阐明了SMLS感染对荻草谷网蚜的影响，也发现了蚜虫共生菌和共生病毒互作的潜在证据，为我们全面了解和揭示SMLS感染提高荻草谷网蚜的适合度的潜在机制奠定了基础。