蚜-蚁共生影响棉蚜翅型分化的化学和分子机制

Honeydew plays a very important role in the development of close and sophisticated mutualistic relationship between ants (Hymenoptera: Formicidae) and some aphid speices (Hemiptera: Sternorrhyncha, previously Homoptera) over the long evolutionary history. Aphids offer sugary-rich honeydew to the ants, which, in exchange, enchance aphid feeding activities and protect the aphids against natural enemies and lethal pathogens. At the same time though, increased ant attendance caused by the production of more or better quality honeydew can also be costly. For instance, the costs can result in slow development, low fecundity, limited dispersal, decreased production rate of winged forms.In this proposal, the important agricultural pest, cotton aphid (Aphis gossypii, genome sequencing completed) which is a facultative ant-tended species, and a recently introduced ant speceis, the red imported fire ant (Solenopsis invicta) that can develop mutulistic relationshop with cotton aphids in cotton field are selected to serve as model insects to study ant-aphid interactions. This proposal aims to study: 1) the influence of fire ant attendance on reproduction, and wing polyphenism of cotton aphid; 2) identification and synthesis of semiochemicals released by ants to impact on the behavior and wing polyphenism of aphids; 3) identification of odorant binding protein (OBP), chemosensory protein (CSP), and odorant receptor (OR) genes involved in the olfaction of identified semiochemicals released by fire ant workers by transcriptome technique; 4) functional confirmation of 1-3 selected OBP, CSP, and OR genes via RNA interference technique. The outcome of this proposal will facilitate our understanding of the chemically mediated mechanism in the ant-aphid mutualism.

以蜜露为纽带，蚂蚁与排泄蜜露的蚜虫在漫长的进化过程中逐渐形成了复杂而密切的关系。蚂蚁能促进蚜虫取食，保护蚜虫不受天敌和致病菌的攻击，同时蚜虫为蚂蚁提供蜜露。蚂蚁也会给蚜虫带来不利的影响，如蚜虫个体变小、产仔量减少，扩散活动受限，有翅蚜的产生受抑制等。本研究以我国重要的农业害虫棉蚜和入侵我国南方的红火蚁为实验材料，研究红火蚁和棉蚜（存在兼性共生关系）之间的相互关系，分析共生红火蚁对棉蚜的翅型分化的影响；鉴定共生红火蚁抑制棉蚜翅型分化的信息化合物的结构，并进行化学合成；利用转录组技术鉴定棉蚜感受红火蚁活性化合物的气味结合蛋白（OBP）、化学感受蛋白（CSP）和气味受体（OR）基因；利用RNA干扰技术验证所筛选的关键嗅觉基因的功能。本项目的研究结果将有助于阐明蚜-蚁共生的化学和分子机制。

受棉蚜为害的棉花较健康棉花显著吸引红火蚁。红火蚁对棉蚜为害诱导的9种棉花挥发物组分有显著的EAG反应，其中水杨酸甲酯和6-甲基-5-庚烯-2-酮引起的EAG反应最强。Y-型嗅觉仪实验结果表明这两个化合物和DMNT对红火蚁工蚁均具有显著的引诱效果，说明这几种化合物可能在红火蚁定位棉蚜、建立共生关系中起着关键的作用。红火蚁和棉蚜共生关系建立后的前2周，棉蚜种群数量增长明显快于无蚂蚁共生的棉蚜，但此后非共生的棉蚜数量增速加快，种群数量最终超过共生棉蚜。红火蚁还能影响共生棉蚜在棉花植株上的分布，棉蚜从叶片转移至茎、叶柄、新芽等部位，出现聚集于棉花茎部的现象。培养皿实验结果表明，红火蚁爬行留下的信息物质和红火蚁提取物都可以显著降低无翅棉蚜的扩散速度。当把红火蚁提取物进行硅胶柱层析分离，对各个流分进行活性测试，发现跟踪信息素流分可以显著降低无翅棉蚜扩散速度。化学合成跟踪信息素流分中的4个成分Z,E-α-Farnesene（ZEF）、E,E-α-Farnesene（EEF）、Z,E-α-Homofarnesene、E,E-α-Homofarnesene，并进行电生理和行为测试。结果发现ZEF和EEF与跟踪信息素流分能激发相同的EAG反应，都可以显著降低无翅棉蚜扩散速度。分别在棉花上加入跟踪信息素流分和ZEF气味后，从第9天起跟踪信息素流分处理组棉花上棉蚜数量显著多于溶剂对照组。跟踪信息素流分处理组和ZEF处理组棉蚜在茎上聚集，在第13天分布于茎上的棉蚜都显著多于溶剂对照组。这些结果表明红火蚁跟踪信息素流分及其组分可以一定程度重现红火蚁-棉蚜共生时出现的棉蚜聚集现象，跟踪信息素是红火蚁改变棉蚜在棉花上分布的重要信息化合物。蚜-蚁共生会对棉花生长产生负面的影响，共生体系中的棉花叶片生长面积显著小于非共生体系中的棉花。当将两组相同数量的蚜虫分别限制在不同棉株的叶片和茎部取食，3周后在茎上取食的棉蚜显著减少了棉花植株叶面积的生长。表明红火蚁-棉蚜共生对棉花的负面影响可能主要归因于红火蚁诱导棉蚜聚集在棉花植株的茎上。