Резюме

Заден план

Симбиотичните бактерии допринасят за множество важни биологични функции като хранене и размножаване и влияят на множество физиологични фактори като фитнес и дълголетие в техните домакини насекоми. Пъпешната муха, Zeugodacus cucurbitae (Coquillett), е важен селскостопански вредител, който засяга различни културни растения, принадлежащи най-вече към семейство Cucurbitaceae. Счита се за инвазивно и широко разпространено в много части на света. В момента се обмислят няколко подхода за управление на популациите му, включително екологичната и ефективна техника на стерилни насекоми (SIT), като компонент на стратегията за интегрирано управление на вредителите (IPM). В настоящото проучване изследвахме ефекта от диетата и радиацията върху бактериалния симбиом на Z.. cucurbitae лети с използването на технологии за последователно следващо поколение.

Резултати

Пъпешните мухи се отглеждат на две диети в стадия на ларвите, диета на базата на изкуствени трици и на сладка кратуна, което влияе значително върху развитието на бактериалните профили. Наблюдава се и значителна диференциация въз основа на пола. Ефектът от радиацията зависи предимно от диетата, като облъчените пъпешови мухи, отглеждани върху диетата с трици, показват значително намаляване на видовото разнообразие и богатство в сравнение с техните не облъчени контроли. Промените в бактериалния симбиом на облъчените пъпешови мухи включват драстично намаляване на броя на последователностите, свързани с членове на Citrobacter, Raoultella, и Enterobacteriaceae. В същото време се наблюдава увеличение за членовете на Enterobacter, Провиденсия и Морганела. Интересното е, че облъчените мъжки пъпешови мухи, отглеждани на сладка кратуна, показват ясна диференциация в сравнение с техните не облъчени контроли, а именно значително намаляване на видовото богатство и незначителни разлики в относителното изобилие за членовете на Enterobacter и Провиденсия.

Заключения

Двете диети във връзка с облъчването повлияха значително на образуването на бактериален симбиом. Пъпешните мухи, отглеждани на изкуствена диета на базата на трици, показват значителни промени в бактериалния симбиом при облъчване във всички аспекти, включително богатството на видовете, разнообразието и състава. При отглеждане на сладка кратуна се наблюдават значителни промени при мъжките проби поради радиация, само по отношение на видовото богатство.

Заден план

В насекомите се намират различни микроби, които са свързани най-вече с репродуктивната и храносмилателната им тъкан и варират от задължителни симбионти, които са от решаващо значение за нормалната функция на гостоприемника, до факултативни симбионти, чието присъствие не е от съществено значение за гостоприемника [1, 2 ]. В зависимост от вида на взаимодействието, симбионтите могат да бъдат допълнително разграничени на коменсали или паразити, които имат или неутрално или отрицателно въздействие върху гостоприемниците, или мутуалистични, които допринасят за важни аспекти на биологията на гостоприемника [1]. Симбиотичните бактерии, особено тези на репродуктивната и храносмилателната тъкан, оказват влияние върху различни важни физиологични свойства на техните домакини-насекоми. Най-важното е, че те осигуряват основни хранителни вещества, включително аминокиселини, витамини, въглеродни и азотни съединения, насърчавайки развитието и подобрявайки годността на гостоприемника, което в крайна сметка може да доведе до повишена устойчивост на паразити, патогени, пестициди и топлинен стрес. Други аспекти на физиологията на гостоприемника включват видообразуване, чрез коеволюция с техните гостоприемници, комуникация и репродукция, чрез причиняване на ембрионална смъртност чрез цитоплазматична несъвместимост (CI), промяна в съотношението на половете на потомството в полза на жените чрез феминизация, партеногенеза и убиване на мъже или повишена плодовитост [1, 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19].

Родът Zeugodacus (Hendel) съдържа приблизително 192 вида [20], които са разпространени най-вече в региони на Азия и Океания, като няколко от тях се срещат в Източен Китай и Япония. Zeugodacus (Бактроцера) cucurbitae (Coquillett) се счита за инвазивен вид поради въвеждането му в много региони на Африка (Изток и Запад), на острови в Индийския океан и Хавай [20,21,22,23,24]. Пъпешната муха се счита за важен селскостопански вредител, засягащ различни култивирани плодови и зеленчукови растения. Той е главно полифаг, но олигофажни популации са открити в Тайланд, Малайзия и Франция (остров Реюнион, Индийски океан) [25,26,27,28]. Първоначално неговите гостоприемници са оценени на 81 вида [23], но по-късно броят им е намален до 45 добре записани вида, които принадлежат към 9 различни семейства, повечето от които членове на семейство Cucurbitaceae [20].

Техниката на стерилни насекоми (SIT) е важен компонент на стратегията за IPM и се основава на освобождаването на стерилни мъжки индивиди, които се чифтосват с жени от диви популации, като по този начин намаляват шансовете за производство на потомство, което в крайна сметка води до потискане или изкореняване на целево местно население [29, 30]. За да се контролират насекомите вредители с помощта на SIT, е необходимо производството на голям брой висококачествени стерилни възрастни мъже [29]. Въпреки това масовото отглеждане, облъчване, обработка и транспортиране могат да повлияят на качеството на масово произвежданите стерилни насекоми и това може да бъде свързано с въздействието им върху симбиотичните бактериални съобщества [4, 31, 32]. В същото време бактериите на червата от насекоми могат да бъдат използвани като средство за повишаване на годността и конкурентоспособността на мъжките насекоми, отглеждани при масово отглеждане [33,34,35,36,37,38].

Поради това е важно да разширим знанията си за въздействието на диетата и радиацията върху симбиотичните бактериални съобщества от насекоми видове вредители, насочени към SIT, за да подобрим приложението му. За тази цел използвахме технологиите за последователно следващо поколение (NGS), за да изследваме структурата на бактериалния симбиом на облъчен и не облъчен възрастен Z.. cucurbitae мухи, отглеждани на две различни диети, една изкуствена и друга, базирана на естествен гостоприемник.

Резултати

Бактериален състав на общността и разнообразието на Z. cucurbitae лабораторни популации, държани на изкуствена ларвна диета на базата на пшенични трици и на естествен гостоприемник (сладка кратуна) и третирани с облъчване в доза 50 Gy, бяха изследвани от 16S рРНК секвениране на генния ампликон. Общо 220 955 четения след качествено филтриране са използвани за анализ (Таблица 1), осигурявайки високо покритие (97–98%) на съществуващото бактериално разнообразие въз основа на индекса на покритие на Good’s (Таблица 2).

Промени, зависими от диетата и/или облъчването

Наблюдавани са диетични и/или зависими от облъчването промени в бактериалното разнообразие и състав. Неизлъчените проби, отглеждани на диета на базата на изкуствени трици (NIR_BR), показват подобно видово разнообразие и богатство в сравнение с не облъчените контроли, отглеждани върху сладка кратуна (NIR_SG) (t-тест; df: 18; стр Фиг. 1

бактериалния

Индекси за богатство и разнообразие на видове, базирани на индексите Chao1 и Shannon. а Видово богатство на Z. cucurbitae проби, отглеждани на трици, облъчени (IR_BR) и не облъчени (NIR_BR), и проби, отглеждани върху сладка кратуна, облъчени (IR_SG) и не облъчени (NIR_SG). б Видово богатство на женски (F) и мъжки (M) проби, отглеждани на трици (BR) и сладка кратуна (SG) преди (NIR) и след облъчване (IR). ° С Индекс на разнообразие на женски (F) и мъжки (M) проби, отглеждани на трици (BR) и сладка кратуна (SG) преди (NIR) и след облъчване (IR). Кутиите означават интерквартилния диапазон, линията в кутията е средната, а мустаците се простират до най-екстремните стойности

Относително изобилие на най-доминиращата фила от всички изследвани проби

Относително изобилие на най-доминиращите таксони сред всички изследвани проби

По отношение на бета-разнообразието, бактериалните съобщества бяха силно групирани според диетата на ларвите и облъчването (PERMANOVA; стр Таблица 3 PERMANOVA таблица на резултатите за трите фактора и техните комбинации. Статистически значими разлики (стр

Анализ на основните координати (PCoA) на бактериални съобщества, базиран на относително изобилие на OTU с произход от мъже, жени, облъчени, необлъчени, проби на основата на трици и сладка кратуна. (BR = трици; SG = сладка кратуна)

Зависими от пола промени в разнообразието и състава

Между пробите се наблюдават различия в видовото разнообразие и състав в зависимост от пола. Като цяло жените проявяват по-голямо богатство, с изключение на необлъчената върху сладка кратуна (NIR_SG) (фиг. 1б), докато разнообразието е по-голямо при мъжете, отколкото при жените, с изключение на необлъчените на диетата с трици (NIR_BR) (фиг. 1в). По-подробно, необлъчените женски, отглеждани на диетата с трици (F_NIR_BR), показват по-високи индекси на богатство и разнообразие на видовете от мъжките (M_NIR_BR) (t-тест; стр Фиг. 6

Дискусия

Настоящото проучване изследва ефекта на диетата на личинките, пола и облъчването върху симбиотичните бактериални съобщества на Z.. cucurbitae лабораторни мухи. Нашите резултати показват, че прилагането на облъчване към две различни диети на ларвите води до формирането на различни бактериални профили. Различни бактериални профили са наблюдавани и между проби, принадлежащи към различни полове. Освен това се наблюдават статистически значими разлики след облъчване при двете изследвани диети и между половете. Облъчването е имало вреден ефект върху формирането на бактериални съобщества, особено в проби, отглеждани върху трици, докато облъчените мухи, отглеждани върху сладка кратуна, показват смесени реакции, но като цяло успяват да запазят по-високи нива на богатство и разнообразие, с малки промени в състава на OTU.

Заключения

Установено е, че диетата оказва силно влияние върху структурата на микробиотата през Z.. cucurbitae мухи. Наблюдава се и значителна диференциация в микробиотата въз основа на пола на мухите, но в по-малка степен. Ефектът от радиацията е зависим от диетата, като сладката кратуна показва незначителни промени в бактериалния профил между облъчени и не-облъчени пъпешни мухи. Силен ефект се наблюдава върху мухи, отглеждани на изкуствена диета на базата на трици, и се характеризира с намаляване както на бактериалното богатство, така и на разнообразието, с бактериални родове като Raoultella и Citrobacter са силно намалени, докато последователностите са свързани с членове на Провиденсия, Морганела и Enterobacter бяха увеличени. Радиационните ефекти, зависими от пола, се наблюдават най-вече по отношение на видово богатство и разнообразие, като мъжете показват значителни загуби, а женските смесват тенденции.

Методи

Условия за отглеждане и подготовка на пробата

Zeugodacus cucurbitae мухите, използвани в настоящото проучване, произхождат от популация, събрана от заразена сладка кратуна (Cucurbita maxima Duchesne) и са отглеждани повече от 500 поколения в IBD, IFRB, AERE (Отдел за биотехнологии на насекоми, Институт по хранителна и радиационна биология, Изследователска организация за атомна енергия), Ганак бари, Савар, Дака, Бангладеш. Ларвите се отглеждат на две различни диети: (а) изкуствена диета за ларви, базирана на пшенични трици, която се стерилизира при 80 ° C в продължение на 3 дни и обикновено се използва при изкуственото отглеждане на Z. cucurbitae ((пшенични трици (26%), захар (12%), бирена мая (3.6%), натриев бензоат (0.4%) и вода (58%)) за едно поколение и (б) естествен гостоприемник, сладка кратуна, в с цел да се изследва ефектът на естествената и изкуствена диета върху бактериалния симбиом на Z. cucurbitae. Какавидите бяха облъчени 24–48 часа преди появата на възрастни при 50 Gy, доза, способна да предизвика 100% стерилност както при мъжете, така и при жените [59], с използването на източник на гама-лъчение на кобалт-60 на IFRB. Възрастните мухи са отглеждани на изкуствени диети, съдържащи казеин, екстракт от мая и захар в съотношение 1: 1: 2. Преди екстракцията насекомите се стерилизират на повърхността.

ДНК екстракция, PCR амплификация и пречистване на проби

Индексиране на PCR и пречистване на пробите

Последователност на илюмина и анализ на данни

Наличност на данни и материали

Наборите от данни, използвани и/или анализирани по време на настоящото проучване, са налични в NCBI.