内共生菌引起棉叶螨的细胞质不亲和(CI)的分子机理研究

Endosymbionts play an important role in arthropod reproduction, but the mechanisms of host reproductive regulation induced by endosymbionts, especially the underlying molecular mechanisms of inducing cytoplasmic incompatibility (CI), remains elusive. Tetranychus turkestani, a dominant mite pest in cotton fields of Xinjiang province, will be studied. The effects of endosymbionts on the reproductive manipulation and fitness changes of cotton mites will be explored, by both single-infection and double-infection of Cardinium and Wolbachia in T. turkestani respectively. Based on new generation high-throughput sequencing technology, bioinformatics data of transcriptional profiles and protein mass spectrometry in different infected strains of cotton mites will be acquired. Conjoint analysis of transcriptomics and proteomics, in order to find key functional many genes and proteins associating with CI. Real-time quantitative PCR、 fluorescence in situ hybridization、gene over-xpression and RNAi technology will be further carried out to verify the functions and metabolic networks of these important genes and proteins, and clarify their roles in reproductive regulation pathways. The results will thoroughly and deeply reveal the molecular mechanisms of inducing cytoplasmic incompatibility (CI). The results will illuminate the mechanism difference underlying reproductive manipulation of cotton mites induced by two endosymbiotic infections, and lay a basis on endosymbiont-host interaction. The study provides a novel idea to explore the molecular mechanism of CI, and it also provide theoretical basis for developing new environmental friendly technology in insect pest control.

内共生菌Cardinium和Wolbachia在节肢动物繁殖过程中起重要作用，但是对宿主生殖调控的作用机制，特别是诱导细胞质不亲和(CI)的分子机理尚不清楚。本项目以危害新疆棉花优势种-土耳其斯坦叶螨为材料，基于组学研究Cardinium和Wolbachia感染对棉叶螨的生殖调控及适合度的影响，拟整合不同感染品系棉叶螨的转录组和蛋白质组数据，进行比较关联分析和生物信息学分析，以期发现引起CI的核心作用因子；更进一步通过qRT-PCR、荧光原位杂交、基因过表达、RNAi干扰等多种技术手段，解析与生殖相关重要基因、蛋白的功能和代谢网络，阐明其在生殖调控关键通路上的作用，为全面深入地揭示CI的分子机理奠定基础。并通过比较Cardinium和Wolbachia调控宿主生殖机制的差异性，揭示内共生菌与宿主的协同进化关系。项目提供了研究CI分子机理的新思路，也为开发新的环境友好型防控技术提供理论依据。

内共生菌Cardinium和Wolbachia在节肢动物繁殖过程中起重要作用，但对宿主生殖调控的作用机制尚不清楚。本项目基于组学技术研究Cardinium和Wolbachia分别及共同感染对棉叶螨的生殖调控及适合度的影响，对不同感染品系的土螨(共计8个样本)进行高通量组学测序，筛选出差异表达基因，应用GO和KEGG富集方法分析差异基因的功能和作用途径，以及与生殖调控的相关性，寻找可能引起CI的靶标基因。研究结果如下：Cardinium和Wolbachia分别以及共同感染土螨都能诱导CI，Wolbachia相比Cardinium在诱导CI强度时占优势；菌群多样性组成谱分析表明Wolbachia的相对含量和对生殖调控的影响更占优势；内共生菌还能通过缩短雌成螨寿命和雌雄螨发育历期等对土螨适合度造成影响。对不同感染品系的叶螨进行高通量组学测序：单感染Cardinium土螨品系与生殖相关的差异基因有组蛋白、卵黄原蛋白、组织蛋白酶B、组蛋白H2A/H2B、保幼激素结合蛋白及锚蛋白重复序列等；单感染Wolbachia土螨品系与生殖相关的差异基因有组蛋白、卵黄原蛋白、附睾分泌蛋白、组织蛋白酶B等；双感染土螨品系与生殖相关差异基因有卵黄原蛋白、组蛋白、组织蛋白酶B等，这些基因在精卵子的发育或胚胎发生中起重要作用。叶螨的多种代谢途径受共生菌感染影响并具性别特异性,尤其是解毒代谢过程、氧化还原过程、生殖及免疫相关基因的表达，以及脂质运载蛋白和其他未知功能途径。另外对土螨不同发育阶段（卵、幼螨、若螨、成螨）进行比较转录组学测序，其差异表达基因具有阶段特异性和性别特异性，特别是参与解毒代谢、氧化还原、脂质运载、生殖及免疫的相关基因，结果有助于在整体发育水平上揭示Wolbachia对螨类生殖和代谢的调控规律。Real time PCR和荧光原位杂交（FISH）发现内共生菌可通过寄主植物介导进行水平传播，且Wolbachia在木质部和韧皮部存在的时间和表达量均高于Cardinium；还发现Wolbachia的存在对棉花叶片类似植物病原体，可诱导被叶螨侵染的棉花叶片产生以次生代谢物为主的植物化学防御反应。本项目结果有助于理解内共生菌与宿主的协同进化关系，为全面深入地揭示CI的分子机理奠定基础。