Ациртосифон гороховый | |
---|---|
Взрослая партеногенетическая гороховая тля и ее потомство, питающиеся растением гороха | |
Научная классификация | |
Домен: | Эукариоты |
Королевство: | Анималия |
Тип: | Членистоногие |
Сорт: | Насекомые |
Заказ: | Полужесткокрылые |
Подотряд: | Стерноринха |
Семья: | Тфидиды |
Род: | Ациртосифон |
Разновидность: | А. горошек |
Биномиальное имя | |
Ациртосифон гороховый Харрис , 1776 | |
Подвиды | |
|
Acyrthosiphon pisum , широко известная как тля гороховая (и в просторечии известная как зеленый дельфин, [1] [2] гороховая вошь и клеверная вошь [3] ), является сокососущим насекомым из семейства Aphididae . Он питается несколькими видами бобовых (семейство растений Fabaceae ) по всему миру, включая кормовые культуры, такие как горох , клевер , люцерна и конские бобы , [4] и входит в число видов тлей, имеющих важное агрономическое значение. [5] Тля гороховая является модельным организмом для биологического исследования, геном которогобыл секвенирован и аннотирован . [6]
Осенью самки гороховой тли откладывают оплодотворенные яйца, которые зимуют и вылупляются следующей весной. Нимфы, которые вылупляются из этих яиц, все самки, которые проходят четыре линьки , прежде чем достигнут половой зрелости . Затем они начинают размножаться путем живорождения партеногенеза , как и большинство тлей. Каждая взрослая самка рождает от четырех до 12 самок-нимф в день, около сотни за свою жизнь. Они развиваются в половозрелых самок примерно за семь-десять дней. Продолжительность жизни взрослой особи составляет около 30 дней. [ необходима цитата ]
Плотность популяции достигает пика в начале лета, затем снижается из-за хищничества и паразитизма . Осенью удлинение ночи запускает производство одного поколения половых особей (самцов и яйцекладущих самок) теми же партеногенетическими родительскими самками. Осемененные половые самки откладывают зимующие яйца , из которых в начале весны появляются новые партеногенетические самки. [ требуется ссылка ]
Когда колония начинает переполняться, появляются крылатые самки. Они рассеиваются, чтобы заразить другие растения, где они продолжают размножаться бесполым путем . Когда температура становится холоднее, а длина дня короче, появляются крылатые самки и самцы. Они спариваются, самки откладывают диапаузирующие яйца, и жизненный цикл начинается снова. [7] Гороховая тля может завершить весь свой репродуктивный цикл, не меняя растение-хозяина. [8]
Инбридинга можно избежать, распознавая близкое родство. [9] Спаривание между близкими родственниками имеет значительно более низкую успешность вылупления яиц и выживаемость потомства, чем аутбредное спаривание. [9]
У гороховой тли существует несколько морф . Помимо различий между половыми и партеногенетическими морфами, существуют крылатые и бескрылые морфы. Перенаселенность и плохое качество пищи могут спровоцировать развитие крылатых особей в последующих поколениях. [10] Крылатые тли затем могут колонизировать другие растения-хозяева. Гороховая тля также демонстрирует наследственные вариации цвета тела зеленого или красного/розового цвета. Зеленые морфы , как правило, чаще встречаются в естественных популяциях . [8]
Acyrthosiphon pisum — довольно крупная тля, тело которой у взрослых особей может достигать 4 миллиметров ( 5 ⁄ 32 дюйма). [8] Обычно она питается нижними сторонами листьев, почек и стручков бобовых, поглощая флоэмный сок через свои стилеты . В отличие от многих видов тлей, гороховая тля не склонна образовывать плотные колонии, в которых особи оставались бы там, где родились, в течение всей своей жизни. Известно, что гороховая тля не выращивается муравьями, питающимися медвяной росой .
Известно, что более 20 родов бобовых являются хозяевами гороховой тли, хотя полный спектр хозяев остается неопределенным. На таких культурах, как горох и люцерна, A. pisum считается одним из видов тли, имеющих важное агрономическое значение. [5] Урожайность может быть затронута потреблением сока, которое напрямую ослабляет растения, хотя гороховая тля редко достигает плотности, которая могла бы значительно снизить урожайность. Однако, как и многие виды тли, A. pisum может быть переносчиком вирусных заболеваний для растений, которые она посещает. Защита от гороховой тли включает использование химических инсектицидов , естественных хищников и паразитоидов , а также выбор устойчивых сортов . У A. pisum не зафиксировано устойчивости к инсектицидам , в отличие от многих вредителей тли.
Гороховая тля, хотя и обозначается общим научным названием A. pisum , охватывает несколько биотипов, описываемых как криптические виды , подвиды или расы , которые специализируются на различных видах-хозяевах. Поэтому гороховую тлю точнее описывать как комплекс видов . [8]
Считается, что гороховая тля имеет палеарктическое происхождение, но в настоящее время она широко распространена по всему миру в условиях умеренного климата . Распространение A. pisum , вероятно, произошло в результате внедрения некоторых ее растений-хозяев для сельского хозяйства. Такое внедрение, вероятно, произошло в Северной Америке в 1870-х годах, [11] и к 1900 году она стала серьезным видом вредителей в среднеатлантических штатах. К 1950-м годам она была широко распространена по всей территории Соединенных Штатов и Канады. Ее диапазон хозяев в Северной Америке очень похож на диапазон близкородственной синей люцерновой тли ( Acyrthosiphon kondoi ). [12]
A. pisum считается модельным видом тли. Его репродуктивный цикл, включая половую фазу и зимовку яиц, может быть легко завершен на растениях-хозяевах в лабораторных условиях, а относительно большой размер особей облегчает физиологические исследования. В 2010 году Международный консорциум по геномике тлей опубликовал аннотированный проект последовательности генома гороховой тли [6], состоящий из приблизительно 525 мегабаз и 34 000 предсказанных генов в 2n=8 хромосомах . Это первый опубликованный геном полуметаболического [13] насекомого. Геном гороховой тли и другие его особенности находятся в центре внимания исследований, охватывающих следующие области:
Этот раздел может быть слишком техническим для понимания большинства читателей . ( Июнь 2014 ) |
A. pisum участвует в облигатных эндосимбиотических отношениях с бактериями Buchnera aphidicola . A. pisum является хозяином, а Buchnera — первичным эндосимбионтом. Вместе они образуют холосимбионт . [23] Это облигатные симбиотические отношения, и оба партнера полностью зависят друг от друга. [23] [24] При обработке антибиотиками для удаления бактерий Buchnera рост и размножение A. pisum прерываются или снижаются. У Buchnera отсутствуют гены, необходимые для жизни независимо от хозяина, и ее невозможно культивировать вне хозяина — тли. [25] Холосимбионт A. pisum и Buchnera является одним из наиболее хорошо изученных симбиотических отношений как генетически, так и экспериментально.
Эндосимбиотические отношения A. pisum и Buchnera , вероятно, развились 160-280 миллионов лет назад. Филогенетический анализ показывает, что Buchnera является монофилетической группой и что филогении Buchnera и A. pisum совпадают. Следовательно, вероятно, была одна исходная инфекция Buchnera общего предка тлей, и с тех пор произошло совместное видообразование голосимбионта. [26] Buchnera связана с Enterobacteriaceae, включая Escheriachia coli [24] , и вполне вероятно, что Buchnera произошла от бактерии, которая изначально занимала кишечник общего предка тлей. [27]
Как и другие насекомые отряда Hemiptera, A.pisum использует эндосимбиотическую бактерию для преодоления дефицита питательных веществ в соке флоэмы. [23] [28] A. pisum питается соком флоэмы растений-хозяев, включая Medicago sativa (люцерна), Pisum sativa (горох), Trifolium pretense (красный клевер) и Vicia faba (конские бобы). Соки флоэмы этих растений богаты углеводами, но бедны азотом. [29] [30] [31] [32] Соотношение незаменимых аминокислот к заменимым аминокислотам в этих соках флоэмы колеблется от 1:4 до 1:20. Это соотношение незаменимых и заменимых аминокислот сильно непропорционально по сравнению с соотношением 1:1, присутствующим в тканях животных и необходимым для выживания. [30]
Животные, включая A. pisum , могут производить заменимые аминокислоты de novo , но не могут синтезировать девять незаменимых аминокислот, которые должны быть получены с пищей: гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин. В дополнение к этим девяти незаменимым аминокислотам A. pisum не способен синтезировать аргинин из-за отсутствия генов цикла мочевины. [23] [33] [34] Эндосимбиотическая связь с Buchnera позволяет A. pisum преодолеть этот недостаток незаменимых аминокислот в соке флоэмы [24] [30] [31] [34] [35]
При получении заменимых аминокислот Buchnera преобразует заменимые аминокислоты в незаменимые аминокислоты, которые затем возвращаются в A. pisum . [28] [36] Это обеспечение питательными веществами было изучено геномно (метаболическая комплементарность, обсуждается ниже) и экспериментально. Было показано, что изолированные бактериоциты, содержащие Buchnera, активно поглощают меченый 14C глутамин (заменимая аминокислота), где он затем преобразуется в глутаминовую кислоту. [36] Затем эта глутаминовая кислота поглощается отдельными клетками Buchnera и используется для синтеза незаменимых аминокислот изолейцина, лейцина, фенилаланина и валина, а также заменимых аминокислот, которые могут быть возвращены в A. pisum. Взаимное обеспечение питательными веществами, вероятно, является основной причиной сохранения этого симбиоза. [34]
Buchnera размещаются в специализированных клетках, полученных от тли, расположенных в гемоцеле полости тела A. pisum . [23] [24] Каждая клетка Buchnera имеет внутреннюю и внешнюю грамотрицательную клеточную мембрану и индивидуально заключена в симбиосомальную мембрану, полученную от тли. Эти заключенные в оболочку клетки затем группируются в специализированные бактериоциты, полученные от тли (мицетоциты). Бактериоциты представляют собой крупные полиплоидные клетки, окруженные тонкой оболочкой из плоских клеток оболочки. В каждой гороховой тле содержится около 60-80 бактериоцитов, которые организованы в двудольный бактериом. [24] [33] [37]
Бактериом — это специализированный орган, который проходит по всей длине гороховой тли с двух сторон тела и соединяется около задней кишки. [24] [33] [37] Бактериоциты расположены около кластера овариол, а клетки Buchnera вертикально переносятся из яичников матери посредством трансовариальной передачи. [24] [27] Клетки Buchnera переносятся в яйца во время оогенеза или в развивающиеся эмбрионы во время эмбриогенеза. [23]
A. pisum и Buchnera были первой парой насекомое-эндосимбионт, у которой были секвенированы геномы обоих партнеров. [38] Это предоставило исследователям большой объем информации об эволюционных и молекулярных взаимодействиях этого эндосимбиоза. [33] Геномы A. pisum и Buchnera претерпели уникальные модификации, которые, вероятно, связаны с установлением и поддержанием эндосимбиотических отношений. Геномы обоих организмов претерпели значительную потерю генов по сравнению с родственными организмами. Геном Buchnera составляет 641 кб и состоит из кольцевой хромосомы с 2 плазмидами. Он был уменьшен до одной седьмой размера его ближайшего свободноживущего родственника, E. coli. [25] [33]
Buchnera утратила гены, которые позволили бы ей жить вне хозяина, но сохранила гены, необходимые для питания A. pisum. [23] [24] [25] [33] [34] В геноме Buchnera отсутствуют гены, необходимые для построения поверхностной мембраны, такие как липополисахариды и фосфолипиды, а также гены, связанные с клеточной защитой. Гены-транспортеры и регуляторные гены также отсутствуют в геноме. Такая потеря генов типична для облигатной и внутриклеточной бактерии. [25] [34]
Геном A. pisum претерпел больше уникальных геномных изменений по сравнению с другими насекомыми отряда Hemiptera. Геном тли составляет 464 МБ, при этом специфичные для тли сиротские гены составляют 20% генома, а дупликации генов присутствуют в более чем 2000 семействах генов. [23] [34] Эти сиротские гены и дупликации генов, вероятно, связаны с «метаболическими, структурными и онтогенетическими» компонентами эндосимбиотических отношений. [34] Были обнаружены специфичные для A. pisum дупликации генов переносчиков аминокислот, которые в высокой степени экспрессируются в бактериоцитах. [39] Эти дупликации, вероятно, связаны с генетическим установлением и поддержанием эндосимбиотических отношений.
Никакого латерального переноса генов между A. pisum и Buchnera не обнаружено . Ранее считалось, что латеральный перенос генов был ответственен за серьезную редукцию генов в геноме Buchnera, но секвенирование показало, что этого не произошло. [25] [34]
По отдельности метаболические пути A. pisum и Buchnera являются неполными. Совместно геномы этих двух организмов дополняют друг друга, создавая полные метаболические пути для биосинтеза питательных веществ, таких как аминокислоты и другие необходимые молекулы. [23] [33] [34] [40] Предковые партнеры этого симбиоза, вероятно, имели полные метаболические пути, однако давление для поддержания этих генов путей было снижено из-за избыточности в результате присутствия генома другого партнера. [40] В отличие от других родственных насекомых, в геноме A. pisum отсутствуют гены, необходимые для цикла мочевины. [23] [33] [37] путь утилизации пурина, [40] и другие гены, которые кодируют ферменты, необходимые для биосинтеза молекул. [33] [34]
Эти отсутствующие промежуточные продукты реакции, вероятно, предоставлены генами в геноме Buchnera . Например, A. pisum является единственным видом с секвенированным геномом, который, как известно, не имеет ключевых компонентов пути спасения пурина, необходимого для производства ДНК, РНК, сигнальных молекул и АТФ. Геном Buchnera содержит необходимые гены для кодирования промежуточных продуктов реакции, отсутствующих в геноме A. pisum . Благодаря этой комплементации удовлетворяются потребности обоих организмов в нуклеотидах: путь спасения пурина завершается для A. pisum , а Buchnera получает необходимый гуанозин. [40]
Геном Buchnera сохранил гены, необходимые для биосинтеза незаменимых аминокислот, но не сохранил гены, отвечающие за деградацию аминокислот. Геном A. pisum , с другой стороны, содержит 66 генов биосинтеза аминокислот и 93 гена деградации аминокислот. [23] [33] Как A. pisum , так и Buchnera вносят вклад в метаболические пути биосинтеза аминокислот. [23] [33] [34] Эта метаболическая комплементарность иллюстрируется использованием аспарагина, заменимой аминокислоты в соке флоэмы, в качестве основного предшественника в производстве незаменимых и заменимых аминокислот, необходимых для роста и выживания A. pisum и Buchnera . [34]
Секвенирование генома A. pisum показывает, что в геноме отсутствуют ожидаемые гены, необходимые для путей иммунного ответа. [13] В геноме A. pisum отсутствуют гены IMS, dFADD, Dredd и Retish, которые являются частью пути IMD (иммунодефицит) и присутствуют у других родственных насекомых. Также отсутствуют белки распознавания пептидогликана (PGRP), которые обнаруживают патогены и предупреждают путь IMD, а также гены антимикробных пептидов (AMP), которые вырабатываются после активации иммунного пути. Ослабленная иммунная система могла способствовать установлению и устойчивому поддержанию симбиотических отношений между бактерией Buchnera и A. pisum . [23] [34] Кроме того, сок флоэмы представляет собой диету с уменьшенным количеством микробов, что могло снизить эволюционное давление A. pisum на поддержание генов пути иммунного ответа. [34] [13]
A. pisum сталкивается с угрозами со стороны паразитоидных ос и грибкового патогена Pandora neoaphidis . Таким образом, они также являются многообещающими потенциальными биоконтролями . [13]
гороховая тля зеленый дельфин.
Он особенно важен для гороха, фасоли, люцерны и клевера, но также поражает свеклу, тыквенные культуры, различные виды Brassicaceae. Он участвует в передаче более 40 вирусов растений.