Wolbachia是一种胞内共生菌,其在节肢动物中广泛存在,凭借胞质不亲和的作用Wobachia可以在寄主种群中快速扩散。胞质不亲和的现象表现为感染Wolbachia的雄虫与不感染Wolbachia的雌虫交配,或者与携带不同Wolbachia株系的雌虫进行交配,后代不孵化的现象。这种胞质不亲和的表型可以被携带同种Wolbachia的雌虫所拯救。目前对于胞质不亲和的机理已经有几个比较成熟的模型,但胞质不亲和的机理仍然是一个谜题。一些研究表明,Wolbachia在精细胞的形成过程中会对精子细胞有一定的修饰作用,这些修饰作用可能对雄性精子造成一些损伤,这些损伤可能会诱导胞质不亲和的形成。然而Wolbachia在性腺的滴度与CI的强度并不是完全正相关。Wolbachia也可以为寄主提供生殖优势。可以为其寄主提供生长发育必须的营养物质,Wolbachia对某些寄主的胚胎发育至关重要,也可以影响一些寄主的产卵行为。Wolbachia还可以影响一些寄主昆虫对病毒的抗性;甚至在果蝇中可以抑制一些致病菌的作用。Wolbachia还感染线虫,对线虫的胚胎以及幼虫的发育,起到了至关重要的作用。通过持续提供这些有利的因素,Wolbachia可以为寄主提供适合度优势,让自己在昆虫种群中迅速传播。灰飞虱是一种重要的水稻害虫,Noda等人的研究已经表明了在灰飞虱实验室种群中胞质不亲和的现象是完全的。褐飞虱和灰飞虱感染不同的Wolbachia株系,进化关系很近。研究表明,Wolbachia可以增加这两种飞虱的产卵量。两种飞虱的分布区域不甚相同,特别是越冬的区域,两个飞虱之间差异很大。对于褐飞虱来说,越冬北界21-25°N,对于灰飞虱来说,可以在亚洲区域的所有水稻区域越冬。此外褐飞虱可以在从热带到43-44°N迁移危害,但是对于灰飞虱来说,并不能在热带危害水稻。这两种飞虱适合的温度范围不同,灰飞虱是20℃-27℃,褐飞虱是20℃-30℃。Wolbachia能否在整个温度区间内都增加两种飞虱的产卵量仍然是一个未解之谜?为了探究Wolbachia诱导灰飞虱胞质不亲和的分子机理,我们选择了四日龄感染和不感染灰飞虱精巢进行比较转录组研究。在感染和不感染组合中,我们发现5190个基因表现出了显著差异,其中有2266个上调基因,2924个下调基因。根据GO功能注释,发现这些差异基因主要被注释到14个GO terms中,包含于生物学过程以及分子生物学功能两个大类中。生物信息学鉴定出了许多与生殖相关的差异基因,其中iLvE基因表现出了最大的下调,它控制着支链氨基酸的生物合成:CDK1也表现出较大的差异,它是细胞代谢循环的重要组分;Lola作为染色质浓缩的重要效应子也表现出较大的差异。我们接着检测了五种与生殖相关的下调的差异基因在不同日龄感染和不感染灰飞虱成虫精巢中的差异表达量。在感染的灰飞虱熊虫精巢中,iLvE、Lola以及CDK1都有超过0.5-fold的差异。表明这三个基因可能参与参与Wolbachia对寄主的修饰过程。通过RNAi干扰的方式,我们对不感染灰飞虱雄虫中的iLvE基因进行了敲除,在与不感染的雌虫交配后,卵的孵化率显著降低。而且这种现象可以被感染的雌虫营救。对不感染雄虫中的其他两种基因同样进行敲除,在与不感染的雌虫交配后,孵化率同样显著降低,然而并不能被感染的雌虫拯救。此外,在不感染的灰飞虱雄虫人工饲料中,减少支链氨基酸的含量,也会导致雄性不育的现象产生。此外,我们的结果也表明,降低支链氨基酸的含量也可以通过减少每次雄虫与雌虫交配精子的转移数目来增加Wolbachia对精子修饰的时间。上述的所有结果都表明,在灰飞虱精巢中,Wolbachia可以通过作用于iLvE基因,进而影响支链氨基酸的形成,从而减少每次雌雄交配的精子转移数目,从而最终导致胞质不亲和现象的产生。接着我们研究在不同温度下,Wolbachia对灰飞虱和褐飞虱的产卵量的影响。我们的结果表明,无论灰飞虱或者褐飞虱雄虫是否感染Wolbachia,只要雌虫感染Wolbachia,两种飞虱的产卵量相比对照组都有显著的上升。经过对两种稻飞虱卵巢中Wolbachia滴度的检测,我们发现在3-5龄灰飞虱和褐飞虱卵巢中Wolbachia的含量保持稳定,表明Wolbachia可以为寄主持续提供有利的因子。为了寻找这些可能存在的有利因子,我们对两种稻飞虱的Wolbachia基因组进行了测序。通过GO注释,我们发现测序的两个Wolbachia基因组有着相似基因组成。不同基因功能注释主要在细胞循环过程、代谢过程、绑定以及细胞质活动等方面。为了进一步寻找这些有利因子,我们将两个Wolbachia基因组的基因导入到KEGG数据库中。两个基因组在KEGG通路富集层面也有着相似的构成。这两个Wolbachia基因组都包含完整的三羧酸循环通路、脂肪酸合成通路、氧化磷酸化通路、肽聚糖的合成通路和类脂酸代谢相关通路。两个Wolbachia基因组中包含完整的biotin和riboflavin合成通路,这与在wCle株系上发现的结果类似。质谱分析也表明感染的灰飞虱和褐飞虱比不感染的灰飞虱和褐飞虱体内biotin和riboflavin的含量更高,这与基因组分析的结果是一致的。我们继续通过在感染和不感染灰飞虱和褐飞虱人工饲料中减少和增加两种维生素的含量进一步验证他们是否参与调控温度压力下寄主产卵量的增加。结果与我们推测的结论一致。上述结果表明,Wolbachia可以通过调控雌虫中biotin和riboflavin的合成来调控在不同温度条件下灰飞虱和褐飞虱的产卵量。