灰飞虱线粒体基因变异对其适合度的影响
灰飞虱是一种重要的农业害虫，它通过刺吸和传毒来危害作物。前期研究发现灰飞虱自然种群中存在两种不同线粒体单倍型群（HGI和HGII），且在华东地区HGII的频率显著高于HGI，推测线粒体基因的变异可能影响了灰飞虱的适合度。为了验证此推测，本研究分别在云南、江苏和哈尔滨种群中筛选了两种线粒体单倍型灰飞虱的单雌系，比较了两种品系灰飞虱在25℃条件下产卵量和寿命方面的差异。结果发现发现具有HGI型的灰飞虱品系的产卵量显著低于HGII型，且寿命也短于HGII的灰飞虱，表明HGII型线粒体较HGI型能够显著提高灰飞虱适合度。该结果初步揭示了两种线粒体基因型多样性分布的遗传机制，拓展对线粒体功能和适应性进化机制的认识，并为灰飞虱种群发生动态的预测提供理论依据。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
前言3
1理论依据4
1.1线粒体的结构组成与遗传特性4
1.2生物适合度4
1.3本实验的前期研究 5
2材料与方法5
2.1实验材料5
2.2实验方法5
2.2.1 HGI和HGII单雌系的构建5
2.2.2灰飞虱DNA的提取5
2.2.3以灰飞虱DNA为模板进行多重PCR扩增 6
2.2.4灰飞虱产卵量的统计6
2.2.5灰飞虱寿命的统计7
2.2.6本实验需注意的关键问题7
3结果与分析7
3.1 两种线粒体单倍型灰飞虱品系的产卵量比较7
3.2 两种线粒体单倍型灰飞虱品系的寿命比较8
3.3 三个地理种群的产卵量比较9
3.4 云南和江苏种群的寿命比较10
4讨论10
致谢11
参考文献11
灰飞虱线粒体基因变异对其适合度的影响
引言
前言：灰飞虱 [Laodelphax striatellus (Fallén)]隶属于半翅目飞虱科，是我国农作物上的一种非常的重要害虫。在世界范围内，灰飞虱广泛分布于古北区和东洋区；在国内，分布则遍及全 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
国各地，其中以长江流域和北方稻区发生较多。除以成虫、若虫刺吸作物为害导致水稻千粒重、稻米品质降低外[1]，灰飞虱还会传播多种病毒病害，严重影响产量，甚至导致绝收。灰飞虱在华东主要传播引起水稻黑条矮缩病和水稻条纹叶枯病[2 ]，在华北和西北主要传播引起小麦丛矮病和玉米粗缩病[3,4]，并且其传毒危害所造成的损失远大于刺吸危害所造成的损失。探究灰飞虱的适合度对于其在某个国家和地区的分布，能否向其他地区扩散并建立稳定的种群，及时预测预报等都有着至关重要的作用。线粒体是真核生物中一种基本而重要的细胞器，因其基因组DNA具有母系遗传、近似分子钟的高变异速率和近中性进化三大优点，线粒体分子标记被广大生态学者和进化生物学者用于群体遗传（population genetics）、生物地理学（biogeography）、系统发育（phylogeny）及DNA条形码分类等领域[5]。近年来，随着线粒体分子标记在各生物类群的广泛应用以及对线粒体功能的深入研究，研究者对线粒体的这三大优点渐渐产生质疑[57]。尤其是在线粒体的中性进化理论方面，越来越多的证据表明，线粒体基因组的进化并非中性进化。近期研究发现线粒体基因组在进化过程中受到普遍的的负选择作用，而正选择作用只占很少比例。生物学方面的研究结果也证实线粒体基因的突变能够影响生物的表型及其对环境的适应性。如James等发现拟果蝇Drosophila simulans自然种群中存在三种线粒体单倍型群（siI，siII，和si–III），而这三种单倍型群对拟果蝇的抗饥饿能力、生殖力、卵的大小、冷昏迷恢复速度及适合度等方面存在显著影响[8,9]。本实验所在课题组对中国22个地理种群的灰飞虱进行了种群遗传结构研究，结果发现灰飞虱存在两种不同线粒体单倍型群（HGI和HGII），且在华东地区，HGII具有显著优势，故推测线粒体基因的变异可能影响了灰飞虱的适合度。
1 理论依据
1．1 线粒体结构组成与遗传特性
线粒体（mitochondrion）是一种普遍存在于真核生物的细胞器，是细胞中提供能量的主要场所，因此它被称为“细胞的动力工厂”。线粒体还参与脂肪酸代谢、细胞钙离子信号、细胞老化、凋亡、细胞转运、温度调节和免疫等重要生命活动[10]。1963年，NaSS发现了线粒体中存在遗传物质，即线粒体基因组（mitochondrial genome）[11]，此后，有关线粒体DNA的研究不断发展。一般动物的mtDNA较小，约 15~18kb，植物的mtDNA较大，为100~2 700kb 左右[12]。昆虫的mtDNA为超螺旋环状分子，为双链(H链和L链)，昆虫的线粒体基因组大小在15.416.3kb之间[13]，其编码基因排列紧密。昆虫mtDNA一共编码37个基因：13个蛋白质或亚基编码基因，2个rRNA基因，22个tRNA基因和一段非编码的A十T富集区(A+T一irhc区)。其中蛋白质编码基因包括：细胞色素b(Cyht)基因、2个ATP酶的亚单位(ATPase6、ATPases)基因、3个细胞色素c(Cyte)氧化酶的亚单位(Col、eoll、e0lll)基因、NADH氧化还原酶的7个亚基基因(NDI、NDZ、ND3、ND4、ND4L、NDS和ND6)基因[14]。其中A十T富集区是线粒体基因复制与表达的主要调控区，其A+T碱基含量很高。这段区域不编码蛋白质，在进化的过程中所受选择压力比较小，很容易发生碱基变异，是高可变区[15]。
线粒体DNA真核细胞中重要的遗传物质，它有其自身的遗传特性，主要包括：a.严格的母系遗传：作为真核生物胞质遗传十分重要组成的部分，线粒体DNA由卵细胞传递给后代，因此，被认为属于典型的母性遗传。b.结构十分紧密，编码效率比较高，动物线粒体DNA一般无内含子，与核DNA相比，线粒体DNA的编码效率更高。编码蛋白质的基因间几乎没有间隙序列[16] 。c.进化速率快：线粒体DNA的进化速率与核DNA的进化速率不同步，线粒体DNA的进化速率比核DNA快的多[17]。对不同生物体进化过程中的DNA序列核苷酸替换率的比较与研究，发现mtDNA基因组的替换率要比核DNA高5～ 10倍[18]。d. 无组织特异性：在所有哺乳动物和研究过的绝大多数脊椎的动物中，机体内的线粒体DNA具有高度的均一性，即同一个体不同组织内线粒体DNA是一致的[19]。
1. 2 生物适合度
生物适合度是一个群体概念，指生物在生态环境中能够生存并把它的特性传给下一代的能力，一般包括生活力和繁殖力等[20]。生活力就是害虫对于其生存环境中的不利情况逃避、忍耐和克服的能力，比如害虫对于极端温度、湿度的忍耐能力、对于不适寄主的适应能力、对于农药的抵抗能力、对于天敌的抵御逃避能力、与其他种群进行资源竞争的能力等等。通常，生物适合度以生物的存活率、寿命或者是生长发育速度来表示。而繁殖力指的是害虫繁衍后代的能力，它包括成虫交配的次数、交配成功率以及产卵数等等。繁殖力通常以害虫产生后代的数量表示。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
前言3
1理论依据4
1.1线粒体的结构组成与遗传特性4
1.2生物适合度4
1.3本实验的前期研究 5
2材料与方法5
2.1实验材料5
2.2实验方法5
2.2.1 HGI和HGII单雌系的构建5
2.2.2灰飞虱DNA的提取5
2.2.3以灰飞虱DNA为模板进行多重PCR扩增 6
2.2.4灰飞虱产卵量的统计6
2.2.5灰飞虱寿命的统计7
2.2.6本实验需注意的关键问题7
3结果与分析7
3.1 两种线粒体单倍型灰飞虱品系的产卵量比较7
3.2 两种线粒体单倍型灰飞虱品系的寿命比较8
3.3 三个地理种群的产卵量比较9
3.4 云南和江苏种群的寿命比较10
4讨论10
致谢11
参考文献11
灰飞虱线粒体基因变异对其适合度的影响
引言
前言：灰飞虱 [Laodelphax striatellus (Fallén)]隶属于半翅目飞虱科，是我国农作物上的一种非常的重要害虫。在世界范围内，灰飞虱广泛分布于古北区和东洋区；在国内，分布则遍及全 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
国各地，其中以长江流域和北方稻区发生较多。除以成虫、若虫刺吸作物为害导致水稻千粒重、稻米品质降低外[1]，灰飞虱还会传播多种病毒病害，严重影响产量，甚至导致绝收。灰飞虱在华东主要传播引起水稻黑条矮缩病和水稻条纹叶枯病[2 ]，在华北和西北主要传播引起小麦丛矮病和玉米粗缩病[3,4]，并且其传毒危害所造成的损失远大于刺吸危害所造成的损失。探究灰飞虱的适合度对于其在某个国家和地区的分布，能否向其他地区扩散并建立稳定的种群，及时预测预报等都有着至关重要的作用。线粒体是真核生物中一种基本而重要的细胞器，因其基因组DNA具有母系遗传、近似分子钟的高变异速率和近中性进化三大优点，线粒体分子标记被广大生态学者和进化生物学者用于群体遗传（population genetics）、生物地理学（biogeography）、系统发育（phylogeny）及DNA条形码分类等领域[5]。近年来，随着线粒体分子标记在各生物类群的广泛应用以及对线粒体功能的深入研究，研究者对线粒体的这三大优点渐渐产生质疑[57]。尤其是在线粒体的中性进化理论方面，越来越多的证据表明，线粒体基因组的进化并非中性进化。近期研究发现线粒体基因组在进化过程中受到普遍的的负选择作用，而正选择作用只占很少比例。生物学方面的研究结果也证实线粒体基因的突变能够影响生物的表型及其对环境的适应性。如James等发现拟果蝇Drosophila simulans自然种群中存在三种线粒体单倍型群（siI，siII，和si–III），而这三种单倍型群对拟果蝇的抗饥饿能力、生殖力、卵的大小、冷昏迷恢复速度及适合度等方面存在显著影响[8,9]。本实验所在课题组对中国22个地理种群的灰飞虱进行了种群遗传结构研究，结果发现灰飞虱存在两种不同线粒体单倍型群（HGI和HGII），且在华东地区，HGII具有显著优势，故推测线粒体基因的变异可能影响了灰飞虱的适合度。
1 理论依据
1．1 线粒体结构组成与遗传特性
线粒体（mitochondrion）是一种普遍存在于真核生物的细胞器，是细胞中提供能量的主要场所，因此它被称为“细胞的动力工厂”。线粒体还参与脂肪酸代谢、细胞钙离子信号、细胞老化、凋亡、细胞转运、温度调节和免疫等重要生命活动[10]。1963年，NaSS发现了线粒体中存在遗传物质，即线粒体基因组（mitochondrial genome）[11]，此后，有关线粒体DNA的研究不断发展。一般动物的mtDNA较小，约 15~18kb，植物的mtDNA较大，为100~2 700kb 左右[12]。昆虫的mtDNA为超螺旋环状分子，为双链(H链和L链)，昆虫的线粒体基因组大小在15.416.3kb之间[13]，其编码基因排列紧密。昆虫mtDNA一共编码37个基因：13个蛋白质或亚基编码基因，2个rRNA基因，22个tRNA基因和一段非编码的A十T富集区(A+T一irhc区)。其中蛋白质编码基因包括：细胞色素b(Cyht)基因、2个ATP酶的亚单位(ATPase6、ATPases)基因、3个细胞色素c(Cyte)氧化酶的亚单位(Col、eoll、e0lll)基因、NADH氧化还原酶的7个亚基基因(NDI、NDZ、ND3、ND4、ND4L、NDS和ND6)基因[14]。其中A十T富集区是线粒体基因复制与表达的主要调控区，其A+T碱基含量很高。这段区域不编码蛋白质，在进化的过程中所受选择压力比较小，很容易发生碱基变异，是高可变区[15]。
线粒体DNA真核细胞中重要的遗传物质，它有其自身的遗传特性，主要包括：a.严格的母系遗传：作为真核生物胞质遗传十分重要组成的部分，线粒体DNA由卵细胞传递给后代，因此，被认为属于典型的母性遗传。b.结构十分紧密，编码效率比较高，动物线粒体DNA一般无内含子，与核DNA相比，线粒体DNA的编码效率更高。编码蛋白质的基因间几乎没有间隙序列[16] 。c.进化速率快：线粒体DNA的进化速率与核DNA的进化速率不同步，线粒体DNA的进化速率比核DNA快的多[17]。对不同生物体进化过程中的DNA序列核苷酸替换率的比较与研究，发现mtDNA基因组的替换率要比核DNA高5～ 10倍[18]。d. 无组织特异性：在所有哺乳动物和研究过的绝大多数脊椎的动物中，机体内的线粒体DNA具有高度的均一性，即同一个体不同组织内线粒体DNA是一致的[19]。
1. 2 生物适合度
生物适合度是一个群体概念，指生物在生态环境中能够生存并把它的特性传给下一代的能力，一般包括生活力和繁殖力等[20]。生活力就是害虫对于其生存环境中的不利情况逃避、忍耐和克服的能力，比如害虫对于极端温度、湿度的忍耐能力、对于不适寄主的适应能力、对于农药的抵抗能力、对于天敌的抵御逃避能力、与其他种群进行资源竞争的能力等等。通常，生物适合度以生物的存活率、寿命或者是生长发育速度来表示。而繁殖力指的是害虫繁衍后代的能力，它包括成虫交配的次数、交配成功率以及产卵数等等。繁殖力通常以害虫产生后代的数量表示。
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