氧化石墨烯对草地贪夜蛾生长发育、繁殖及肠道微生物的影响

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中文摘要：草地贪夜蛾 Spodoptera frugiperda （ J.E. Smith ）也称秋粘虫，属鳞翅目Lepidoptera夜蛾科Noctuidae。它是2019年入侵中国的主要迁飞性害虫，对我国重要的农作物和特色优势作物的生产构成了巨大的威胁。目前，化学防治是防治草地贪夜蛾的主要方法，但化学杀虫剂的广泛使用导致草地贪夜蛾对各种杀虫剂产生了不同程度的抗药性。如杀虫剂与其他能干扰害虫的物质混用将能有效抑制抗性的产生。氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是石墨烯的氧化物，对害虫生长发育和繁殖有一定影响。为探讨 GO 对草地贪夜蛾的作用，本研究应用年龄-龄期两性生命表方法研究纳米GO对草地贪夜蛾生长发育和繁殖的影响，并基于宏基因组测序方法分析GO对草地贪夜蛾幼虫肠道微生物的群落组成、结构及功能和抗生素抗性基因的影响，将为草地贪夜蛾防控药剂研发提供新的视角和方向。主要研究结果如下： 1 GO对草地贪夜蛾生长发育及繁殖的影响为研究氧化石墨烯（GO）对草地贪夜蛾生长发育及繁殖的影响，分别以含0.5 mg/g、1 mg/g和2 mg/g不同浓度的GO饲料喂养草地贪夜蛾，采用两性生命表分析并比较不同浓度GO的饲料对种群参数、寿命期望、发育历期和繁殖力的影响。结果表明，取食GO饲料的草地贪夜蛾种群增长速度较慢，单位时间内的后代数量也较少。与对照相比，随GO浓度的增加，卵期和1、2、6龄幼虫期发育时间延长；雄成虫和雌成虫的寿命随着GO浓度的增加而缩短。蛹重与对照组相比降低了0.17 ~ 15.20 %。取食不同浓度的GO组的草地贪夜蛾内禀增长率、周限增长率、净生殖率均小于对照组（内禀增长率为0.154 d-1、周限增长率为1.16 d-1、净生殖率为329.37），平均世代周期均有长于对照组（37.41 d）。其中，0.5 mg/g组为：内禀增长率0.141 d-1、周限增长率1.15 d-1、净生殖率232.37、平均世代周期38.47 d，1 mg/g组为：内禀增长率0.132 d-1、周限增长率1.14 d-1、净生殖率214.05、平均世代周期40.38 d，2 mg/g组为：内禀增长率0.133 d-1、周限增长率1.14 d-1、净生殖率170.36、平均世代周期38.42 d。综上研究结果表明， GO可以延长草地贪夜蛾的发育周期，降低其繁殖力，导致后代数量减少，种群数量下降。 2 GO对草地贪夜蛾卵黄原蛋白基因及卵黄原蛋白受体基因表达的影响为探讨GO对草地贪夜蛾繁殖的影响，本文分析了GO处理下的卵黄原蛋白Vg和其对应受体VgR两个基因的响应模式。结果表明，草地贪夜蛾取食不同浓度的GO处理饲料后，Vg和VgR的表达量在时间和浓度效应下均发生显著变化, 不同浓度的处理对Vg和VgR的表达量有显著影响。在第3天，取食2 mg/g 的GO处理的草地贪夜蛾雌成虫Vg表达量显著高于其他处理组和对照组（P＜0.05），取食1 mg/g处理组的VgR表达量显著高于对照及其他处理组。在第6天时，不同浓度GO处理下，VgR基因表达量与对照组相比显著下调（P＜0.05），但2 mg/g处理组草地贪夜蛾雌成虫的 Vg 表达量与对照相比则显著上升。在第 11 天，1 mg/g处理组VgR基因表达量显著上升，但Vg基因表达量显著下降。综上所述， GO处理可能对草地贪夜蛾的繁殖产生一定的影响，导致其卵黄原蛋白 Vg和卵黄原蛋白受体VgR基因表达量发生明显变化。 3 GO对草地贪夜蛾肠道微生物群落结构、功能及抗性基因的影响研究了GO对草地贪夜蛾的肠道微生物组成和丰度的影响。通过给草地贪夜蛾幼虫分别饲喂3种不同浓度的GO（0.5 mg/g、1 mg/g和2 mg/g），取食普通饲料的草地贪夜蛾设置为对照，同时对取食3个浓度GO的草地贪夜蛾3龄后进行正常取食恢复处理。结果显示，与对照组相比，取食3个浓度GO处理后草地贪夜蛾的肠道微生物组成和丰度都有所增加。细菌群落结构分析表明，0.5 mg/g和1 mg/g处理的草地贪夜蛾厚壁菌门Firmicutes相对丰度增加，2mg/g处理的相对丰度下降；恢复处理后0.5 mg/g恢复和1 mg/g恢复的草地贪夜蛾中变形菌门Proteobacteria相对丰度降低，2 mg/g恢复组的相对丰度增加。此外，乳酸杆菌科Lactobacillaceae、肠球菌科Enterococcaceae和明串珠菌科Leuconostocaceae这3个优势菌群的丰度也受到影响。说明GO处理对草地贪夜蛾肠道微生物组成和丰度有显著影响，并且既是恢复不再取食GO，肠道微生物的丰度未完全恢复到原来水平。取食不同浓度GO的草地贪夜蛾肠道微生物宏基因组测序和宏基因组的代谢分析发现碳水化合物代谢是最丰富的功能门类。在取食GO后，草地贪夜蛾的碳水化合物代谢、氨基酸代谢、其他次生代谢物的生物合成、能量代谢和萜类和聚酮类化合物的代谢水平丰度有一定的降低，其他几类代谢水平则有相应的增高。此外，研究还发现了多个抗性基因，其中efrA、efrB、rpoB2、rpoB、efmA、lmrD、vanRC、PmrE、AAC (6'')-Iih、AAC (6'')-Iid、dfrE、ArlR、TetA、vanRA、VanRI、LsaA、AAC (6'')-Ii、MacB、vanRG、tet(W/N/W)对不同种类的抗生素保持耐药性。综上所述，研究发现在草地贪夜蛾生长发育繁殖中，GO具有一定的抑制作用，并且随着浓度的增加而呈现增加趋势。同时，经取食GO可影响其肠道微生物群落的结构和抗性基因组成，导致部分与生长发育相关的菌群发生变化，并对其生长发育和繁殖产生一定的影响。这些结果为研发针对草地贪夜蛾的新型防控药剂提供了新的研究视角和方向。

作者：

李草

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关键词：

草地贪夜蛾氧化石墨烯生长发育繁殖特性肠道微生物抗生素抗性基因

授予学位：

硕士

学科专业：

资源利用与植物保护

导师：

郅军锐、胡朝兴、李鸿波

学位年度：

2023

学位授予单位：

贵州大学

语种：

中文

中图分类号：