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刺槐叶瘿蚊(Obolodiplosis robiniae(Haldemann))隶属双翅目(Diptera)瘿蚊科(Cecidomyiidae),原产于北美洲东部[1],但近十多年来迅速扩散到欧亚地区[2-6]。在国内,2004年该瘿蚊于河北省秦皇岛市首次被发现,2006年经南开大学卜文俊先生鉴定并由杨忠岐先生首次发表报道[7]。
遗传变异被认为是入侵种定殖扩散的一种重要因素[8-11],其中分子标记作为研究种群遗传结构有效的手段,尤其是微卫星DNA标记,已经广泛应用于入侵性害虫的种群结构的研究探讨中[8, 10-15],原因在于微卫星DNA标记可以有效地分析出样本的多态性和特异性,并能获得丰富的、高质量的遗传信息,且实验过程简洁、方便,可重复性强,等位基因在各个位点的分布频率也比较均匀。另外,微卫星DNA简单重复序列标记遵循孟德尔的共显性遗传特征[16-17]。
然而,在微卫星DNA标记实验过程中,为满足实验需求,首先要确定所试样本量的大小。此外,能否得到足够的样本量还受到野外采集客观因素的限制。因此,应该最大限度地提取每一个样本的有效信息,确定样本量的大小。虽然不少科研工作者在这个问题上做过相关研究,但至今尚无统一的定论。迄今为止,在动物和部分昆虫方面已有利用微卫星DNA标记探讨不同样本量与种群遗传多样性指数的影响分析的相关报道,如蝗虫、棉铃虫、草鱼、缢蛏、鸡、镜鲤等[18-28],并且得出了各生物种类相应的研究结论,体现出各生物类群之间存在着一定的差异。而在双翅目入侵昆虫的相关研究中,尚兴朴等[23]设置了12个样本量梯度对我国刺槐叶瘿蚊1个种群开展了样本量对遗传多样性指数影响的分析。本文在尚兴朴等[23]的研究基础上新增加了4个种群,更加详细地探讨了样本量与遗传多样性指数之间的关系。这5个种群(秦皇岛、北京、西安、泰安、武汉)之间距离较远,相互之间影响较小,在地理区域方面具有一定的代表性(华北沿海地区、华北内陆地区、华中地区、华东地区和中南地区)。新增4个种群之后,得出的数据更加可靠,降低了数据分析的偶然性,相比一个种群更具有说服力。该结论可为我们后续进一步开展我国刺槐叶瘿蚊种群遗传多样性研究工作提供科学依据,同时为其他双翅目入侵害虫的微卫星DNA标记研究提供样本量参考。
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设置12个刺槐叶瘿蚊成虫样本量梯度5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60头,利用11对微卫星引物进行样本量和遗传多样性指数的相关性分析[11]。5个种群成虫分别采集于北京市(2013-05-22,40°00.184′ N,116°14.363′ E)、河北省秦皇岛市(2013-05-27,39°56.161′ N,119°35. 411′ E)、陕西省西安市(2014-06-04,34°15.474′ N,108°58.938′ E)、山东省泰安市(2013-06-23,36°12.225′ N,117°07.104′ E)和湖北省武汉市(2014-06,30°36.733′ N,114°17.772′ E)。每个地区以公园及绿化带为主要采集目标,在东、西、南、北4个方位共设置4个采样点,每个采样点也尽可能在这4个方位的寄主上采集被刺槐叶瘿蚊危害的卷曲叶片,并记录采集地的经纬度与海拔。但是,从我们野外采集情况来看,由于刺槐叶瘿蚊在自然状态下呈聚集分布,同时受寄主植物有无的影响,有时并不能得到以上全部采集地的样本。
将采集到的受害刺槐叶片放入广口瓶(30 cm×14 cm)中,瓶口覆盖纱布,用橡皮筋扎紧,防止虫体羽化后逃出,在恒温恒湿条件下由专门工作人员管理。待刺槐叶瘿蚊羽化后用小毛笔将羽化出的成虫浸泡于装有无水乙醇的2 mL离心管中,置于-20℃保存备用。所有样品均来自于中国林业科学研究院森林生态与环境保护研究所植物检疫与外来有害生物实验室。微卫星引物由上海生工公司合成(表 1)。由表 1看出,P值均大于0.05,满足哈迪温伯格定律,且各位点之间都是相互独立的。
位点
Locus引物序列
Primer sequences(5′-3′)退火温度
Annealing temperature/℃哈温平衡(P值)
HWE (P value)W3(KP260518) F: CGTCATATCGCAGTAGCAAT
R: CGCCGCATTTAAAATATACAT5646touchdown 0.534 6 W5(KP260519) F: ACCGGCGAAAAACAATTAT
R: AGTTGATGAATGCGTTGTGTT5646touchdown 0.523 3 W6(KP260520) F: AAATCGTGGAGCAAACACTT
R: ACACTGCTTGAAATATGACGAA5646touchdown 0.886 9 W8(KP260521) F: TTGAAGCGAAGCACTTGGA
R: AGCAACGAAAAGAAACACAGAG5646touchdown 0.287 4 W31(KP260523) F: CACGCAGAAACCAATCATTATC
R: AGCCAAACTCAATGACGAACA56 0.687 0 W33(KP260524) F: CCTTCGCGTACATTTGCA
R: AACGCGTCTGATAAGCTGAA56 0.210 2 W82(KP260528) F: GCACATTCACTCACGAAACG
R: TTGCACACGAAATGCATCAT56 0.819 5 W83(KP260529) F: AAAGACTCAGCGTTTTTGCAG
R: ACACACATACACACGCAAACA56 0.702 3 W107(KP260530) F: TTTCCTGTTGTTTGTCGTTTTC
R: CTTGCCGCTGTTCTCTAACAA56 0.703 8 W126(KP260532) F: GGACGGGTTGGCTGATGTA
R: ATTGCTCTGGCTGTAAAGTGG56 0.508 2 W132(KP260533) F: TTTGCGTGAACAAAAGTCAGA
R: ACACGACCTAAATACATGGCA56 0.205 9 注:5646 touchdown:指第一个循环56℃,每一循环降低1℃,10个循环降低到47℃;然后46℃退火35个循环。
Note:56-46 touchdown: 56℃ for the first cycle, then reduce 1℃ per cycle to 47℃; Finally 46℃ for 35 cycles.Table 1. Characteristic of 11 microsatellite loci of O.robiniae
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每个种群选取60头完整的刺槐叶瘿蚊成虫,DNA提取方法参照周志湘改进的SDS提取法[24],提取完成后置于-20℃保存备用。扩增体系(15 μL):微卫星引物(5 mol·L-1)1 μL,TP-M13(5 mol·L-1)荧光引物0.8 μL,2×Taq PCR Master Mix 7.5 μL,DNA模版1 μL,最后ddH2O 4.7 μL;PCR扩增程序为:95℃预变性15 min,94℃变性30 s,56℃(-1℃/cycle)退火45 s,72℃延伸45 s,共10个循环;然后94℃变性30 s,46℃退火45 s,72℃延伸45 s,共35个循环,最后72℃延伸12 min,16℃保存。PCR产物通过2%琼脂糖凝胶电泳检测,片段大小≥200 bp的个体利用ABI PRISM 3730x1型基因分析仪(Applied Biosystems)进行检测。
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原始数据通过Genemarker 2.2.0软件(SoftGenetics)进一步分析;利用Genepop 4.3.0软件(Laboratiore de Genetique et Environment)统计分析平均等位基因数(Na)、有效等位基因数(Ne)、期望杂合度(He)、观测杂合度(Ho)、Nei’s遗传多样性指数(H)、哈迪温伯格平衡等;通过Cervus3.0软件(Field Genetics)计算多态信息含量;利用JMP Pro 11.0软件(SAS Institute)对样本量和各遗传多样性指数进行相关性分析和曲线拟合。
1.1. DNA提取与PCR扩增
1.2. 数据分析
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通过11对微卫星引物对5个刺槐叶瘿蚊种群12个样本量梯度共300个个体的遗传多样性指数进行统计分析(表 2)。结果表明,样本量的大小与平均等位基因数(Na)呈显著正相关,与有效等位基因数(Ne)呈中度正相关,与观测杂合度(Ho)呈负相关,而与期望杂合度(He)、Nei’s遗传多样性指数(H)和多态信息含量(PIC)没有明显相关性。当样本量小于25时,有效等位基因数(Ne)增幅明显,观测杂合度(Ho)起伏变化较大,但当样本量大于30时,随着样本量的增加,上述两个指数增(降)幅度平缓,因此,最适样本量应为25~30,最适指数为期望杂合度(He)、Nei’s遗传多样性指数(H)和多态信息含量(PIC)。
样本量
Sample size平均等位基因数Na 标准偏差SD 平均有效等位基因数Ne 标准偏差SD 平均观测杂合度Ho 标准偏差SD 平均期望杂合度He 标准偏差SD Nei’s遗传多样性指数H 标准偏差SD 多态信息含量PIC 标准偏差SD 5 2.734 6 0.309 4 2.137 2 0.282 5 0.564 4 0.077 4 0.526 5 0.056 3 0.496 3 0.031 6 0.458 6 0.061 0 10 3.098 7 0.373 1 2.339 1 0.225 2 0.545 6 0.054 8 0.541 9 0.034 7 0.514 8 0.033 0 0.485 7 0.021 0 15 3.407 7 0.328 0 2.325 3 0.236 0 0.531 9 0.050 0 0.529 5 0.033 9 0.511 9 0.032 8 0.483 3 0.025 3 20 3.577 8 0.196 4 2.392 8 0.150 9 0.528 6 0.065 5 0.529 9 0.030 1 0.516 6 0.029 3 0.491 2 0.020 6 25 3.755 7 0.158 7 2.452 6 0.148 1 0.508 7 0.076 6 0.530 6 0.034 1 0.520 0 0.033 5 0.500 1 0.011 2 30 3.795 7 0.166 1 2.454 5 0.114 5 0.491 8 0.074 5 0.528 2 0.026 1 0.519 4 0.025 7 0.499 7 0.015 2 35 3.916 1 0.318 9 2.433 4 0.119 0 0.489 4 0.074 0 0.525 3 0.029 4 0.517 8 0.029 0 0.499 4 0.016 8 40 3.934 3 0.321 0 2.375 8 0.151 0 0.483 1 0.067 4 0.515 8 0.031 3 0.509 3 0.030 9 0.493 1 0.016 4 45 4.171 8 0.422 3 2.446 9 0.192 5 0.478 0 0.068 6 0.520 9 0.037 8 0.515 1 0.037 4 0.502 8 0.026 9 50 4.308 2 0.424 9 2.485 9 0.225 6 0.469 4 0.066 9 0.523 5 0.043 4 0.518 3 0.042 9 0.508 5 0.033 3 55 4.350 4 0.455 6 2.522 4 0.244 4 0.467 0 0.064 8 0.523 5 0.045 7 0.518 7 0.045 3 0.510 3 0.037 0 60 4.388 6 0.494 2 2.531 7 0.277 7 0.461 9 0.064 0 0.520 4 0.049 4 0.516 0 0.049 1 0.509 5 0.037 8 Note: Na: Number of alleles per locus; SD: Standard deviation; Ne: Effective number of allele per loci; Ho: Observed hererozygosity; He: Expected heterozygosity; H: Nei's genetic diversity; PIC: Polymorphism information content. Table 2. Genetic diversity index of 11 Microsatellite loci of O.robiniae
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经检测后的每个位点等位基因数在2~10个之间,有效等位基因数在1.280 0~5.161 3之间。由图 1可以看出平均等位基因数随着样本量的增加显著增大,特别是当样本量小于25时,5个种群的平均等位基因数量陡增(表 2),随后逐渐趋于平缓;有效等位基因数则不同于平均等位基因数,当样本量小于25的时候,有效等位基因数随着样本量的增加有轻微的上升趋势,当大于30的时候,拟合曲线非常平缓(图 2),从5个种群的平均值来看(表 2),当样本量小于30时,平均等位基因数量变动幅度明显,但当样本量大于30时,变化较小。
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分析结果显示,样本量的大小与观测杂合度(图 3)呈负相关,而与期望杂合度(图 4)、Nei’s遗传多样性指数(图 5)和多态信息含量(图 6)没有显著相关性。当样本量在5~25之间时,观测杂合度和期望杂合度变动幅度分别为0.055 7和0.015 4,当样本量大于30时,随着样本量增大,观测杂合度缓慢降低,而期望杂合度变化不大,从5个种群平均期望杂合度来看,随着样本量的增大,变化幅度小于0.01。Nei’s遗传多样性指数也是同样的情况,当样本量大于30时,随着样本量增大,该指数基本不变,5个种群平均Nei’s遗传多样性指数增幅同样小于0.01。多态信息含量随着样本量的增加变化不明显,从5个种群平均多态信息含量来看,当样本量为5时,PIC=0.458 6,大于5时,在0.483 3~0.510 3之间变化,当样本量大于30时,增幅小于0.02,没有出现大的波动。