全 文 :植物保护学报 Journal of Plant Protection, 2016, 43(1): 70 - 77 DOI: 10 13802 / j. cnki. zwbhxb. 2016 01 010
基金项目:国家公益性行业(农业)科研专项(201303019,200803005)
∗通讯作者(Author for correspondence), E⁃mail: yzdu@ yzu. edu. cn
收稿日期: 2015 - 11 - 01
江苏地区 Q型烟粉虱的单倍型分析
刘晓娜 许丽丽 蔡 力 杜以梅 杜予州∗
(扬州大学园艺与植物保护学院暨应用昆虫研究所, 江苏 扬州 225009)
摘要: 为明确江苏地区 Q 型烟粉虱的遗传多样性及其入侵来源,基于 mtDNA COI 基因序列,对
2010、2011 年采自江苏 13 个市的 Q型烟粉虱种群进行了单倍型分析。 结果显示,江苏地区 Q型烟
粉虱有 4 个单倍型,分别为单倍型 Q1、Q2、Q3、Q4,不同单倍型的分布和发生频率不同,其中单倍型
Q2 是 13 个地理种群的共享单倍型,2010、2011 年的发生频率均超过 50% ;单倍型 Q1 和 Q3 分别是
部分地理种群的共享单倍型,发生频率较低;单倍型 Q4 仅在扬州种群中出现,发生频率最低;单倍
型 Q1 和 Q3 亲缘关系较近,单倍型 Q2 和 Q4 亲缘关系较近,表明各地理种群间既有一定的基因交
流,也存在一定程度的遗传分化;系统发育分析表明,江苏地区的 Q 型烟粉虱可能来源于西部地中
海地区,与日本的 Q型烟粉虱具有相同的入侵来源。
关键词: Q型烟粉虱; mtDNA COI基因; 单倍型; 系统发育
Haplotype analysis of Bemisia tabaci biotype Q in Jiangsu Province, China
Liu Xiaona Xu Lili Cai Li Du Yimei Du Yuzhou∗
(College of Horticulture and Plant Protection & Institute of Applied Entomology, Yangzhou University,
Yangzhou 225009, Jiangsu Province, China)
Abstract: In order to clarify the genetic diversity and invasion source of Bemisia tabaci biotype Q in
Jiangsu Province, B. tabaci biotype Q was collected from 13 geographic populations in Jiangsu Province
in 2010 and 2011, and the haplotypes of individuals were analyzed by using mtDNA COI gene
sequences. The results showed that Q1, Q2, Q3 and Q4 haplotypes were detected, and different
haplotypes had different distributions and frequencies. Q2 haplotype existed in all the geographic
populations, and the occurrence frequency was more than 50% in the two years; Q1 and Q3 haplotypes
were less widely distributed and shared in some populations; Q4 had the lowest frequency and was only
detected in Yangzhou population. Q1 haplotype showed close genetic relationship with Q3, and Q2
haplotype had close genetic relationship with Q4. The different geographic populations had genetic
exchanges and genetic differentiations. The phylogenetic tree showed that B. tabaci biotype Q in Jiangsu
Province was genetically similar to those from western Mediterranean countries, and biotype Q populations
in Jiangsu probably originated from western Mediterranean region and shared the same invasion source
with the population from Japan.
Key words: Bemisia tabaci biotype Q; mtDNA COI gene; haplotype; phylogenesis
烟粉虱 Bemisia tabaci (Gennadius)是一种世界
性的重要农业害虫,主要通过刺吸植物汁液、分泌蜜
露影响植物光合作用、传播病毒病等方式为害寄主
植物,在生产上造成巨大的损失 ( Brown et al. ,
1995)。 已有学者根据烟粉虱种群的寄主范围、为
害习性、传毒能力等生物学差异,将烟粉虱划分为不
同生物型(Costa & Russell,1975)。 烟粉虱是一个快
速进化的复合种,在世界范围内至少含有 28 个隐
种,其中入侵性较强、分布较广的 B 型烟粉虱和 Q
型烟粉虱被定为中东 /亚细亚(Middle East⁃Asia Mi⁃
nor 1)和地中海(Mediterranean)隐种( de Barro et
al. ,2011;Liu et al. ,2012)。
我国烟粉虱最早记载于 1949 年,分布于广东、
福建、浙江、四川等地(周尧,1949),上世纪 90 年代
末,B型烟粉虱在我国南方局部地区大发生,且造成
了巨大的经济损失,从而引起重视(张芝利,2000;
罗晨等,2002)。 2003 年在我国云南昆明市的一品
红 Euphorbia pulcherrima上首次发现 Q型烟粉虱(褚
栋等,2005a),随后传入我国西南、华北、华东等地,
成为我国蔬菜、棉花、观赏园艺植物上的重要害虫
(沈媛等,2010;任顺祥等,2011)。
关于烟粉虱的单倍型已有较多研究报道,如 de
Barro et al. (2011)报道,全球 B 型烟粉虱可以分为
80 个单倍型,Q 型烟粉虱可以分为 86 个单倍型;徐
婧等(2007)发现我国浙江省内的 B 型和 Q 型烟粉
虱有 3 个单倍型。 此外,有关我国烟粉虱生物型不
同种群的遗传结构和遗传分化已有较多报道,其中
Q 型烟粉虱具有显著的遗传分化(褚栋等,2005b;
2006;2008a)。 Chu et al. (2011)基于线粒体单倍型
与微卫星等位基因比较发现,山东地区 Q 型烟粉虱
的来源种群具有地理偏倚性,即均来源于西部地中
海地区,而 Q型烟粉虱东部地中海种群则未传入山
东地区;滕希(2009)利用 mtDNA COI分子标记研究
发现 Q型烟粉虱在中国的地理分布不均衡,且有取
代 B 型烟粉虱并进一步扩张的趋势,这种趋势在江
苏尤为明显(沈媛等,2011;蔡力等,2015)。
因此,为更好地了解江苏地区 Q 型烟粉虱的种
群遗传结构和系统发育关系,揭示其入侵来源及遗
传变异情况,本试验对 2010、2011 年采自江苏省 13
个市的 Q型烟粉虱地理种群的 mtDNA COI 基因序
列进行了测定,分析其单倍型及其变异,以期为更有
效地防控 Q型烟粉虱提供科学依据。
1 材料与方法
1 1 材料
供试虫源:烟粉虱成虫于 2010、2011 年采自江
苏省苏州、无锡、常州、镇江、南京、南通、泰州、扬州、
盐城、徐州、连云港、宿迁和淮安 13 个市的番茄 Ly⁃
copersicon esculentum、黄瓜 Cucumis sativus、茄子 Sola⁃
num melongena、辣椒 Capsicum annuum 等主要蔬菜
上,将采集到的标本浸泡于装有无水乙醇的 1 5 mL
Eppendorf管中, - 20℃保存。 2010、2011 年分别有
110、167 个采集点,每个采集点测序 10 头 Q 型烟粉
虱成虫,即 10 个重复,不足 10 头的采集点测序全部
个体,2010、2011 年分别共测序 845、1 075 头。
试剂及仪器:蛋白酶 K、rTaq DNA 聚合酶、10 ×
Buffer,宝生物工程(大连)有限公司;dNTPs,中美泰
和生物技术(北京)有限公司。 凝胶成像系统,上海
培清科技有限公司;Life ProTC⁃96 型 PCR 仪,杭州
博日公司;DDY⁃4 型电泳仪,北京六一仪器厂。
1 2 方法
1 2 1 烟粉虱 DNA的提取
参考许丽丽等(2014)方法提取烟粉虱的 DNA。
用解剖针挑取单头烟粉虱成虫,用 ddH2O 充分洗涤
后放入 1 5 mL离心管中,并加入 5 μL 裂解液(1%
SDS、500 mmol / L Tris⁃HCl、20 mmol / L NaCl、1 mmol /
L EDTA、200 mg / mL 蛋白酶 K),充分研磨烟粉虱,
置于 56℃恒温水浴锅 3 h,再将水浴锅温度调至
95℃ 放置 10 min, 以使蛋白酶 K 失活, 最后
12 000 r / min离心 15 s, - 20℃保存备用。
1 2 2 扩增 mtDNA COI基因的引物及 PCR反应
采用通用引物(Frohlich et al. ,1999),即上游引
物 C1⁃J⁃2195 (5′⁃TTGATTTTTTGGTCATCCAGAAGT⁃
3′)和下游引物 L2⁃N⁃3014 ( 5′⁃TCCAATGCACTA⁃
ATCTGCCATATTA⁃3′)对烟粉虱的 mtDNA COI 基因
进行扩增,上下游引物均由中美泰和生物技术(北
京)有限公司合成,扩增产物为 mtDNA COI 基因 3′
末端长度为 840 bp左右的部分序列。
25 μL PCR 反应体系:DNA 模板 1 μL、上下游
引物各 1 μL、 10 × Buffer 2 5 μL、 2 5 mmol / mL
dNTPs 2 μL、5 U / μL rTaq酶 0 25 μL、ddH2O 17 25
μL。 PCR反应程序为:94℃预变性 3 min,1 个循环;
94℃变性 30 s,63℃退火 50 s,72℃延伸 50 s,32 个
循环;最后 72℃延伸 10 min。 PCR扩增产物保存于
4℃,扩增产物用 1%琼脂糖凝胶电泳分离,EB 染色
后置于凝胶成像系统中观察结果并拍照记录。
1 2 3 序列测定、拼接及遗传分化分析
在电泳中检测到目的片段后,将 PCR产物送中
美泰和生物技术(北京)有限公司测序。 为确保测
序结果的准确性,均进行双向测序。 获得测序结果
后,首先结合测序峰值图用 Contig Express软件对得
到的正反双向序列进行拼接校对,得到完整序列并
171 期 刘晓娜等: 江苏地区 Q型烟粉虱的单倍型分析
将其保存为 Fasta 格式的文件,为进一步分析作准
备。 然后利用网络同源序列搜索引擎 BLAST,将测
得的序列与 GenBank中的同源序列进行比较,确定
生物型。
以每个地级市采集的样本作为 1 个地理种群,
用软件 ClustalX 1 83 对各地理种群所得序列进行
比对分析。 用软件 MEGA 5 1 分析所得 mtDNA COI
基因序列的碱基组成、变异位点等。 再用软件
Dnasp 5 0 进行单倍型分析,计算单倍型多样性
(haplotype diversity,Hd)、核苷酸多样性(π)、单倍
型频率,单倍型频率为该单倍型个数除以总个体数。
以温室白粉虱 Trialeurodes vaporariorum 为外群
(登录号:AF418672),用软件 ClustalX 1 83 将本研
究所得的江苏地区单倍型与其它地理代表种群的
mtDNA COI 基因进行比对,并从中截取 577 bp 保
存。 运用 MEGA 5 1 软件,根据 Kimura 2⁃parameter
距离模型计算出进化分歧矩阵。 通过分歧矩阵分析
不同种群之间的遗传距离,根据遗传距离的大小判
断种群间的亲缘关系,本研究以 0 1500 的遗传距离
为标准,大于该值则表明其亲缘关系较远;采用非加
权配对算数平均法 ( unweighted pair⁃group method
with arithmetic means,UPGMA)、邻接法( neighbour⁃
joining,NJ)以及贝叶斯法(Bayesian inference,BI)构
建系统发育树,系统树上各分支上的数值为经 1 000
次 bootstrap后的置信度。 以法国 B 型烟粉虱 Fran⁃
ceB(登录号:AJ550170)为外群,用 UPGMA 法和 NJ
法对得到的 Q型单倍型构建系统进化树。
2 结果与分析
2 1 烟粉虱的单倍型分析
结果表明,2010、2011 年在江苏地区 Q 型烟粉
虱种群中有 4 个单倍型,分别为 Q1、Q2、Q3、Q4。 以
单倍型 Q1 为标准,单倍型 Q2 有 2 个变异位点,分
别是第 12 位点由 G 变为 C,第 224 位点由 T 变为
C;单倍型 Q3 有 1 个变异位点,第 224 位点由 T 变
为 C;单倍型 Q4 有 3 个变异位点,分别是第 12 位点
由 G变为 C,第 191 位点由 C变为 T,第 224 位点由
T变为 C(表 1)。
利用 MEGA 5 1 软件分别对 2010 年和 2011 年
江苏地区 Q型烟粉虱不同单倍型的 mtDNA COI 基
因进行序列组成分析,江苏地区烟粉虱的 4 个 Q 型
单倍型的 mtDNA COI基因均存在明显的 A + T含量
偏向性,A + T平均含量为 66 6% ,远高于 G + C 平
均含量。 从密码子的 3 个位点来看,第 1 位点 A + T
含量为 61 3% ,第 2 位点为 61 4% ,第 3 位点
为 77 2% 。
表 1 2010、2011 年江苏地区 Q型烟粉虱样本代表及序列变异位点
Table 1 The representative samples and sequence variable sites of Bemisia tabaci biotype Q
in Jiangsu Province in 2010 and 2011
年份
Year
单倍型
Haplotype
采集地点
Sampling location
寄主植物
Host plant
变异位点 Variable site
12 191 224
2010 Q1 苏州太仓 Taicang, Suzhou 茄子 S. melongena G C T
Q2 盐城射阳 Sheyang, Yancheng 冬瓜 Benincasa hispida C - C
Q3 镇江扬中 Yangzhong, Zhenjiang 茄子 S. melongena - - C
Q4 扬州邗江区 Hanjiang, Yangzhou 四季豆 Phaseolus vulgaris C T C
2011 Q1 盐城响水 Xiangshui, Yancheng 番茄 S. melongena G C T
Q2 徐州丰县 Fengxian, Xuzhou 黄瓜 C. sativus C - C
Q3 苏州昆山 Kunshan, Suzhou 黄瓜 C. sativus - - C
Q4 扬州邗江区 Hanjiang, Yangzhou 豇豆 Vigna unguiculata C T C
2 2 烟粉虱的单倍型分布及多样性分析
对 2010、2011 年 Q型烟粉虱种群进行单倍型分
析,结果显示,在江苏不同地区 Q 型烟粉虱种群单
倍型的分布和发生频率不同。 单倍型 Q2 在 13 个
地理种群中均有分布,是共享单倍型,且发生频率最
高,2010 年单倍型 Q2 在 13 个地理种群中发生频率
均高于 50% ,2011 年均高于 60% ;单倍型 Q1、Q3 是
部分地理种群的共享单倍型,且这 2 种单倍型在相
应的地理种群中发生频率较低;在 2010 年和 2011
年单倍型 Q4 仅在扬州种群中发现,且发生频率较
低。 2010 年连云港种群的单倍型多样性 Hd 和核苷
酸多样性 π 最高,分别为 0 700 和 0 0017;2011 年
镇江种群的单倍型多样性 Hd 最高,为 0 542,盐城
种群的核苷酸多样性 π最高,为 0 0013(表 2)。
27 植 物 保 护 学 报 43 卷
表 2 2010、2011 年江苏地区 Q型烟粉虱单倍型频率、单倍型多样性及核苷酸多样性
Table 2 Sampling sites, haplotype frequencies, haplotype diversity, and nucleotide diversity within population of
Bemisia tabaci biotype Q in Jiangsu Province in 2010 and 2011
地理种群
Geographical
population
年份
Year
Q型烟粉虱
个体数
No. of B. tabaci
biotype Q
单倍型频率
Haplotype frequency(% )
Q1 Q2 Q3 Q4
单倍型多样性
Haplotype
diversity
Hd
核苷酸多样性
Nucleotide
diversity
π
常州 Changzhou 2010 21 - 100 0 - - - -
2011 52 3 8 96 2 - - 0 222 0 0008
淮安 Huai’an 2010 31 9 7 67 7 22 6 0 655 0 0017
2011 5 - 100 0 - - - -
连云港 Lianyungang 2010 10 10 0 50 0 40 0 - 0 700 0 0017
2011 20 - 70 0 30 0 - 0 485 0 0008
南京 Nanjing 2010 25 - 80 0 20 0 - 0 600 0 0010
2011 54 - 100 0 - - - -
南通 Nantong 2010 82 - 87 8 12 2 - 0 282 0 0005
2011 87 2 3 81 6 16 1 - 0 450 0 0010
苏州 Suzhou 2010 159 1 9 88 0 10 1 - 0 394 0 0010
2011 204 0 5 93 1 6 4 - 0 374 0 0007
宿迁 Suqian 2010 44 - 100 0 - - - -
2011 24 - 100 0 - - - -
泰州 Taizhou 2010 62 9 7 50 0 40 3 - 0 655 0 0017
2011 145 - 82 1 17 9 - 0 443 0 0008
无锡 Wuxi 2010 83 - 84 3 15 7 - 0 343 0 0006
2011 54 - 66 7 33 3 - 0 409 0 0007
徐州 Xuzhou 2010 84 2 4 95 2 2 4 - 0 324 0 0009
2011 24 - 83 3 16 7 - 0 286 0 0005
盐城 Yancheng 2010 103 3 0 78 6 18 4 - 0 484 0 0011
2011 67 6 0 77 6 16 4 - 0 538 0 0013
扬州 Yangzhou 2010 102 1 0 98 0 - 1 0 0 257 0 0007
2011 268 0 4 79 9 19 3 0 4 0 520 0 0010
镇江 Zhenjiang 2010 39 2 6 66 7 30 7 - 0 556 0 0013
2011 71 1 4 67 6 31 0 - 0 542 0 0012
2 3 烟粉虱单倍型的遗传距离和系统发育关系
通过对 2010、2011 年的 4 个单倍型序列比对分
析,发现 2 年的 4 个单倍型完全一致,运用 MEGA
5 1 软件获得 2010 年的进化分歧矩阵表,结果显
示,温室白粉虱和烟粉虱的遗传距离均在 0 1500 以
上,表明二者亲缘关系稍远;2010、2011 年在江苏地
区检测到的 4 个 Q 型烟粉虱单倍型与 B 型、Nauru
型烟粉虱的遗传距离较大,分别为 0 0220 ~ 0 0230
和 0 0850 ~ 0 0900;而与世界各地的 Q型烟粉虱的
遗传距离较小,均小于 0 0060。 其中,江苏烟粉虱
种群单倍型 Q2 与中国浙江 Q 型烟粉虱种群
(DQ473394)以及江苏 Q 型烟粉虱种群单倍型 Q3
与日本鹿儿岛 Q 型烟粉虱种群(AB204585)的遗传
距离都为 0,且江苏地区这 4 个 Q 型烟粉虱单倍型
之间的遗传距离均小于 0 0030(表 3)。
通过 UPGMA 法、NJ 法和 BI 法构建的 2010、
2011 年江苏地区 Q 型烟粉虱单倍型的系统发育树
基本一致,以 2010 年 UPGMA 法构建的系统发育树
为例,结果显示,江苏 4 个 Q 型烟粉虱的单倍型与
中国浙江(DQ473394)、摩洛哥(AM176573)、日本
(AB204585)等其它 9 个已知的 Q 型烟粉虱聚在一
个进化分支,而与其它烟粉虱生物型种群的距离较
远;同时,Q型与 B型烟粉虱的距离较近,而与 Nau⁃
ru型烟粉虱距离较远。 在 Q型这一进化分支内,来
自土耳其(AF342776)、塞浦路斯(DQ989553)、以色
列(DQ989554)东部地中海国家的 Q 型烟粉虱聚为
一支,江苏的 4 个 Q型烟粉虱的单倍型与来自摩洛
哥( AM176573 )、希腊 ( DQ365864 )、阿尔及利亚
371 期 刘晓娜等: 江苏地区 Q型烟粉虱的单倍型分析
47 植 物 保 护 学 报 43 卷
(AM176575)、法国(AM180063)等地中海国家和中
国(DQ473394)、日本(AB204585)非地中海国家的
Q型烟粉虱种群分散地聚为一支,表明江苏地区 Q
型烟粉虱的来源地可能是西部地中海地区(图 1)。
图 1 基于 mtDNA COI序列利用 UPGMA法构建的江苏 Q型烟粉虱与其它烟粉虱的系统发育树
Fig. 1 Phylogenetic tree of biotype Q in Jiangsu and other populations of Bemisia tabaci based on
mtDNA COI sequences by using UPGMA method
2 4 Q型烟粉虱不同单倍型间的系统发育关系
对 2010、2011 年得到的 4 个 Q型烟粉虱单倍型
进行比对分析,结果完全一致,采用 UPGMA法和 NJ
法对 2010 年 4 个 Q 型烟粉虱单倍型构建的系统树
基本一致。 NJ法构建的系统发育树显示,江苏 Q型
烟粉虱单倍型 Q1 和 Q3 构成一支,而单倍型 Q2 和
Q4 则构成另一支,说明单倍型 Q1 和 Q3 亲缘关系
较近,而 Q2 和 Q4 的亲缘关系较近(图 2)。
图 2 利用 NJ法构建的江苏 Q型烟粉虱 mtDNA
COI单倍型间的系统树
Fig. 2 Neighbor⁃joining tree based on geographical
haplotypes of mtDNA COI sequences
3 讨论
本试验发现,Q 型烟粉虱的序列共有 3 个变异
位点和 4 个单倍型,除了个别样本存在显著碱基差
异外,大部分样本序列的同源性均非常高,这可能是
由于 Q型烟粉虱入侵江苏地区时间不长(沈媛等,
2011),在较短时间内该物种变异不大,而且由于本
试验的地域限制,烟粉虱飞行扩散能力较强,基因交
流频繁等原因导致 Q型烟粉虱遗传差异较小。
徐婧等(2007)于 2004—2006 年调查浙江烟粉
虱单倍型发现,除了 B 型和 Q 型烟粉虱外,另有 3
个单倍型;在 60%的样点中,存在烟粉虱多个单倍
型并存的现象。 本试验表明,在江苏地区 Q 型烟粉
虱不同单倍型的分布和发生频率有所不同,其中单
倍型 Q2 是江苏 13 个地理种群的共享单倍型,且发
生频率最高;单倍型 Q4 是扬州种群的独享单倍型,
发生频率低;单倍型 Q1 和 Q3 分别是部分地理种群
的共享单倍型,发生频率均不高。 以上结果与浙江
地区 Q型烟粉虱的单倍型发生相似,这可能是由于
江苏与浙江毗邻,地理环境相近所致。
本研究结果表明,江苏烟粉虱种群单倍型 Q2
与中国浙江 Q型烟粉虱种群以及江苏 Q 型烟粉虱
种群单倍型 Q3 与日本鹿儿岛 Q 型烟粉虱种群的遗
传距离为 0,表明中国浙江 Q 型烟粉虱种群和日本
鹿儿岛 Q型烟粉虱种群可能具有相同的入侵来源,
该结果和滕希(2009)的研究报道一致。 此外,本试
验还发现,江苏地区出现的不同单倍型存在少量碱
基变化,且同 1 个地理种群中发现了不同单倍型,可
能是由于其受多种环境因素影响而发生的遗传变
化。 de Barro et al. (2011)研究表明 Q 型烟粉虱可
分为 86 个单倍型,本试验所得到的江苏烟粉虱种群
571 期 刘晓娜等: 江苏地区 Q型烟粉虱的单倍型分析
单倍型 Q4 不在其中,可能是由于 Q 型烟粉虱入侵
江苏后发生变异而产生的。
从系统发育树来看,江苏地区 4 个单倍型均与
西部地中海国家和非地中海国家的 Q 型烟粉虱种
群聚为一支,而来自东部地中海国家的 Q 型烟粉虱
聚为另一支,表明江苏地区 Q 型烟粉虱的来源地可
能是西部地中海地区,与 Tsagkarakou et al. (2007)、
褚栋等(2008b)及 Ahmed et al. (2009)研究结果基
本一致。 对江苏烟粉虱种群单倍型进行比对分析表
明,Q1 和 Q3 亲缘关系较近,Q2 和 Q4 亲缘关系较
近,这几种共享单倍型的出现表明了各地理种群间
存在着一定的基因交流和遗传分化。
目前,对于 Q型烟粉虱不同地理种群的遗传结
构及其影响因素等方面的研究较薄弱,在不同年份
之间,同一生物型单倍型的分布频率及多样性也在
发生着变化,而对于烟粉虱同一生物型不同单倍型
之间生物学特性的差异尚未见报道,因此,应对此方
面开展进一步的研究。 总之,加强烟粉虱遗传变异
的研究,对揭示入侵生物型的入侵来源、扩散途径及
入侵过程中种群系统发育地理格局与演变机制具有
重要意义(Tsutsui et al. ,2001;褚栋等,2012;许丽丽
等,2014)。
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(责任编辑:王 璇)
771 期 刘晓娜等: 江苏地区 Q型烟粉虱的单倍型分析