大麦和小麦上麦长管蚜生物型分化及其分子基础

Sitobion avenae (Fab.) has been causing huge losses to wheat and barley production, and its differentiation into biotypes under the selection of host plants is the key reason. In order to reduce its damage and effectively breed for aphid resistance in crops, there is an urgent need to clarify S. avenae’s differentiation into biotypes on both crops and its mechanisms. Therefore, barley and wheat cultivars will be screened to identify S. avenae biotypes, its life-history and feeding behaviors will be compared, and its microsatellites and transcriptomes will be analyzed in this project for determining the status, and ecological and molecular mechanisms of its differentiation into biotypes on both crops. We expect to clarify the occurrence of different S. avenae biotypes, and develop new system and methods of identifying them. It is expected that this aphid’s life-history, feeding behaviors and genetic divergence on different cultivars will be determined to clarify the ecological and genetic bases of its differentiation into biotypes. We expect to find important proteins involved in the feeding of different S. avenae biotypes, differences in gene expression during feeding of these biotypes will be determined, and the relationship between these proteins and this aphid’s differentiation into biotypes will be analyzed. The research has significant implications in determining the molecular basis and mechanisms of aphids’ differentiation into biotypes, identifying new aphid-resistant materials for breeding programs, and clarifying the mechanisms of aphid resistance in crops. The results will provide a basis for breeding for aphid resistance in cereal crops, deepening the research of biotype evolution and outbreak mechanisms in aphids, and developing new control means for aphids. This research is also important for maintaining food security in our country.

麦长管蚜常年严重危害小麦和大麦生产，它在不同作物自然选择下易产生生物型分化是关键原因。为减轻其危害和高效培育抗蚜品种，急需弄清小麦和大麦上麦长管蚜生物型分化及其发生机制。因此，本项目将筛选大麦和小麦品种以区分麦长管蚜生物型，通过生活史和行为学测定、分子检测和转录组比较等手段来阐明该蚜虫在小麦和大麦上生物型分化的生态学和分子基础。预期将确定麦长管蚜生物型类别和组成，发展其生物型鉴定的新系统和分子手段；明确不同小麦和大麦品系上其生活史、寄主偏好、取食行为和遗传分化，弄清其生物型分化的生态学和遗传变异基础；查明麦长管蚜不同生物型中取食相关蛋白和基因表达差异及其与该虫生物型分化的关系。本研究不仅有助于揭示蚜虫生物型分化的机制和分子基础、挖掘抗蚜新资源和弄清植物抗蚜机制，而且能为抗蚜育种、弄清蚜虫生物型演化规律、深化蚜虫成灾机理研究及发展麦蚜调控新手段打下基础，对保障我国粮食生产安全也意义重大。

麦长管蚜 Sitobion avenae 是一种世界性害虫，具分化出不同生物型的潜力。但目前对该虫生物型分化的研究极其有限，更不清楚相关的遗传基础和分子机制。本研究对来自中国9个省份大麦和小麦上的麦长管蚜进行了基因型检测和生物型的鉴定，对该虫生物型分化的遗传基础和分子机制进行了探讨。基于微卫星标记的分析表明多数省份小麦克隆和大麦克隆之间存在明显的遗传分化。从25个大麦和33个小麦品系筛选出了可用于该虫生物型鉴定的5个抗性品系（中4无芒、186-TM12-34、肚里黄、早熟3号和西引2号）。建立了基于这5个品系的麦长管蚜生物型的新的鉴定系统，检测到6种生物型。生物型1为该蚜虫的优势生物型。相比生物型3，转寄主后生物型1显示出了更高的取食行为和生活史性状的可塑性，一系列结果说明该蚜虫取食行为和生活史性状的可塑性与生物型分化可能存在密切关联。FST值表明该蚜虫生物型之间存在较高的遗传分化（如生物型2和3之间FST = 0.181）。不同生物型之间的遗传分化关系与其在不同寄主植物上致害性表现相契合。. 取食小麦和大麦时，生物型1和3之间分别有36个和13个防御相关基因的特异表达（如ABCs、P450s等），这些防御基因在麦长管蚜生物型的分化中可能具有关键作用。响应寄主转移时，麦长管蚜生物型1和3中分别检测到了127和865个差异（可塑性）基因，其中39个差异表达基因在生物型1和3中共有。两种生物型之间可塑性转录本的差异不仅体现在差异基因的数量和种类上，还体现在表达可塑性程度和模式上。响应寄主转移时，生物型3的转录可塑性程度低于生物型1。相关性分析表明防御相关基因的表达可塑性在生物型1中具有一定的适应性（如CYP6DA2），而在生物型3中则相反（如UGT2B2），说明转录可塑性差异在麦长管蚜生物型分化中可能发挥重要作用。本项目的研究结果对于这对阐明蚜虫生物型分化的遗传和分子机制具有重要理论意义，也为发展我国区域性麦蚜防治策略提供了技术依据，同时对开发和推广抗蚜小麦和大麦品种具有重要的指导意义。