刺吸式昆虫对渐增CO2浓度的响应机制研究—以褐飞虱为例

Most Published documents focused on the effect of abrupt increase in CO2 on a single generation of herbivorous insects, which indicated that there was a significant stress response of insects to double increase in CO2. However, the response of insects to elevated CO2 is a long-term and cumulative process, there may be a significant difference between gradual increase and double increase in CO2 treatments on the successive generations of piercing sucking insects. In this study, we set up three CO2 concentrations (ambient CO2, gradual increase in CO2, and abrupt increase in CO2) to study the effect of elevated CO2 on the allocation of C-resistant and N-nutrition substances in transgenic rice, analyze the response of multi-generation life history parameters and population potentially harmful capacity of brown planthopper to elevated CO2, clarify the characteristics of physiological metabolism of brown planthopper in response to elevated CO2, discuss the molecular response mechanism of regulating gene of brown planthopper under elevated CO2. The implementation of this project will explore whether there is an incremental and cumulative and ecological adatation on Brown planthopper in response to elevated CO2? The results will help to exemplify whether the current research overestimate the response of piercing sucking insects to abrupt rise in atmospheric CO2?

国内外当前研究主要集中在倍增CO2浓度对植食性昆虫某一世代的研究，结果通常表明昆虫对倍增CO2浓度存在着明显的应激响应。而高CO2浓度对昆虫的影响是一个逐渐递增和长期累积的过程，刺吸式昆虫连续多代对倍增CO2浓度的响应可能较渐增CO2浓度处理更为显著。本项目拟设置三种CO2浓度（对照CO2、递增CO2、倍增CO2浓度）处理，研究三种CO2浓度处理下水稻C-源抗性物质和N-源化学物质的分配规律；分析三种CO2浓度对褐飞虱连续继代生活史参数和种群潜在危害能力的影响；明确三种CO2浓度下褐飞虱体内酶活性的响应特征；探讨褐飞虱关键调控基因对三种CO2浓度处理的分子响应机制。本项目的实施将明确褐飞虱对渐增CO2浓度的响应是否存在一个递增累积和生态适应的过程?其结果有助于客观评价当前国内外研究是否高估了刺吸式昆虫对大气CO2浓度升高的应激性响应?

本项目设置三种CO2浓度（当前对照CO2浓度-375μL/L、递增CO2，倍增CO2浓度-750μL/L），研究了大气CO2浓度升高对褐飞虱连续多代生长发育、生理代谢酶活力和基因表达量的影响。实验结果如下：.1.大气CO2浓度升高对褐飞虱生命表的影响. 高CO2浓度下褐飞虱若虫发育历期显著延长(P<0.05)，产卵前期缩短(P<0.05)，不同CO2浓度处理对褐飞虱雌雄性比和长短翅型无显著影响（P>0.05）；与递增CO2浓度处理相比，倍增CO2浓度条件下，褐飞虱成虫寿命显著缩短(P<0.05)，产卵量显著减少(P<0.05)。.2. 大气CO2浓度升高对褐飞虱的酶活力的影响. 倍增CO2浓度处理显著的降低了褐飞虱的蔗糖酶和碱性磷酸酶两种消化酶的活性（P<0.05），而显著增加褐飞虱体内过氧化氢酶和超氧化物歧化酶两种保护酶活性（P<0.05），同时，倍增CO2浓度处理显著增加乙酰胆碱酯酶、谷胱甘肽S-转移酶和羧酸酯酶三种解毒酶的活力（P<0.05）。.3.高CO2浓度下褐飞虱体内共生菌多样性初探及不动杆菌属功能研究. 三种CO2浓度处理下褐飞虱体内共生菌主要是不动杆菌属、葡萄球菌属、气单胞菌属、节细菌属和微杆菌属。当前CO2浓度处理下对褐飞虱进行不动杆菌属共生菌饲喂实验，通过两性生命表分析，发现饲喂不动杆菌属菌株组和空白对照在不同龄期的发育历期、成虫寿命、成虫繁殖率和种群参数等方面均无显著差异（P>0.05）。.4. 大气CO2浓度升高对褐飞虱体内相关基因表达含量的影响. 通过qRT-PCR技术测定F1、F6、F11、F16褐飞虱体内5个基因（EcR、JHE、Vg、hsp90和CYP6CS1）相对表达含量，结果表明：CO2浓度的升高使F1的褐飞虱体内EcR的相对表达含量显著降低（P<0.05）,而JHE的相对表达含量显著增加（P<0.05）；Vg基因和hsp90基因的相对表达量表现为：倍增CO2浓度处理<对照CO2浓度处理<递增CO2浓度处理。. 本研究表明，高CO2浓度处理对连续世代褐飞虱个体生活史、生理代谢酶活性和分子生态学等多个层面存在影响，倍增CO2浓度对褐飞虱适合的不利，而递增CO2浓度处理对褐飞虱的种群发展有一定的促进作用。研究结果为未来气候变暖条件下褐飞虱的长期预测及其防治提供理论支持和实践依据。