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光肩星天牛是世界上重要的林木蛀干害虫。复眼是光肩星天牛主要的视觉器官。开展对光肩星天牛复眼结构及转录组学的研究对探明其感光、趋光机制,深入研究其防治方法等有重要的意义。本试验利用扫描、光学、透射电子显微镜等对光肩星天牛复眼的外部、内部结构进行观察分析;同时采用高通量测序的方法对光肩星天牛复眼背、腹部区域进行转录组测序(RNA-seq),分析光肩星天牛复眼背、腹部结构差异的分子机制。主要结果如下:
(1)光肩星天牛复眼呈黑色肾形,具有对称性,位于头部前侧,被触角分成背、腹部两个区域。复眼的腹部区域的复眼面积远远大于背部区域。复眼表面光滑,各个小眼面呈凸起状,相邻之间有明显的分界线。腹部小眼,靠近复眼中心部位的呈正六边形,有少许呈正五边形,边缘部位呈不规则形,五边形:六边形的面积2262.41±53.76μm2,五边形的面积2602.66±64.53μm2。与腹部区域小眼相比,背部区域小眼面较凸出,大多数小眼呈现不规则形状,;复眼腹部区域有两排对排的正五边形的特殊区域。雄虫小眼数约1004±11.57个,雌虫小眼数约1027±8.19个;雌雄虫复眼的小眼个数无显著差异;但是,雌虫小眼直径显著大于雄虫小眼直径。
(2)光肩星天牛的复眼属于并列型像眼,每个小眼由1个角膜,一个伪晶锥,两个初级色素细胞,次级色素细胞,视杆和基膜组成。角膜旱厚透镜模式,超微结构显示角膜呈层状结构,分为角膜外层和角膜内层,外层层与层之间11紧密,而内层疏松。角膜直径在雌、雄间存在显著差异。相邻角膜之间有膜问鞘把两个小眼分开。晶锥呈倒圆锥形,透明状,属伪晶锥,被分成四部分。视杆由8个小网膜细胞组成,其中R1-6围成六边形,包围着R7和R8形成了半融合型视杆,R2、R5、R7、R8和R1、R4的微绒毛方向垂直,R3的方向和R4垂直,但是在R3和R4之间有一小块区域的微绒毛方向和视杆方向平行,R6的方向和R1和R5呈一个锐角。初级色素细胞分布在晶锥周围,次级色素颗粒分布在小眼品锥和视杆周围。基膜位于复眼的底层,有许多微气管。光肩星天牛复眼的小眼间火角7.26°-10.45°。复眼参数P值7.68-12.24μm·rad;背部的复眼参数都大于腹部的。背部复眼更能适应暗环境。复眼对光的聚集能力指标F值0.92-1.15。复眼的敏感度59.19-89.74。小眼接受光线近似角度16.260-23.92°。光肩星天牛复眼有较高的敏感度和较低的分辨率。
(3)复眼内部结构有明显的光暗变化。晶锥在暗适应条件下横截面成4分裂状,能看到明显的分裂线,而在光环境适应条件下不到分裂线,晶锥呈平滑的圆面。暗适应下晶锥周闱色素较多,而光适应下的晶锥细胞周围色素细胞较少。色素细胞在光适应环境下主要聚集在晶锥和视杆之间,基膜处也有少许。而在暗适应条件下色素围绕在晶锥剧围及晶锥下方,视杆周围色素也比光适应下多,基膜处色素未见差异。视杆横切面任光适应下呈近圆形,已看不清具体的结构,而在暗适应下的视杆横切可以看到由视网膜细胞组成的近六边形,有间隙。从纵切的石蜡切片看出,暗适应下的视杆周围色素明显多于光适应下,暗适应条件下基膜色素向远心端移动造成基膜色素比光适应少。光、暗条件处理后的复眼晶锥长和视杆横切面直径存在显著差异(P<0.05)。
(4)光肩星天牛复眼背、腹部的角膜厚度和视杆长度存在显著差异。复眼背部角膜厚度101.96±1.09μm,显著大于腹部的角膜厚度92.89±0.77μm。腹部视杆长度为115.33±2.45±m,显著大于背部视杆长度91.66±1.20μm。
(5)光肩星天牛复眼背部和腹部比较,有差异表达基因606个,其中光肩星天牛背、腹部差异基因上调数目为415个,下调基因数目为191个。差异基因在表达量上也是具有显著差异。而在对差异基因GO富集分析发现差异基因主要涉及在跨膜运转、氧化还原过程、G-蛋白偶联受体信号素;胞外区;辅因子结合、气味结合、氧化还原酶活性、角质层的结构组成、蛋白质水解、转移酶的活性等方面。KEGG通路分析显著性差异表达基因主要富集在酪氨酸代谢。
(1)光肩星天牛复眼呈黑色肾形,具有对称性,位于头部前侧,被触角分成背、腹部两个区域。复眼的腹部区域的复眼面积远远大于背部区域。复眼表面光滑,各个小眼面呈凸起状,相邻之间有明显的分界线。腹部小眼,靠近复眼中心部位的呈正六边形,有少许呈正五边形,边缘部位呈不规则形,五边形:六边形的面积2262.41±53.76μm2,五边形的面积2602.66±64.53μm2。与腹部区域小眼相比,背部区域小眼面较凸出,大多数小眼呈现不规则形状,;复眼腹部区域有两排对排的正五边形的特殊区域。雄虫小眼数约1004±11.57个,雌虫小眼数约1027±8.19个;雌雄虫复眼的小眼个数无显著差异;但是,雌虫小眼直径显著大于雄虫小眼直径。
(2)光肩星天牛的复眼属于并列型像眼,每个小眼由1个角膜,一个伪晶锥,两个初级色素细胞,次级色素细胞,视杆和基膜组成。角膜旱厚透镜模式,超微结构显示角膜呈层状结构,分为角膜外层和角膜内层,外层层与层之间11紧密,而内层疏松。角膜直径在雌、雄间存在显著差异。相邻角膜之间有膜问鞘把两个小眼分开。晶锥呈倒圆锥形,透明状,属伪晶锥,被分成四部分。视杆由8个小网膜细胞组成,其中R1-6围成六边形,包围着R7和R8形成了半融合型视杆,R2、R5、R7、R8和R1、R4的微绒毛方向垂直,R3的方向和R4垂直,但是在R3和R4之间有一小块区域的微绒毛方向和视杆方向平行,R6的方向和R1和R5呈一个锐角。初级色素细胞分布在晶锥周围,次级色素颗粒分布在小眼品锥和视杆周围。基膜位于复眼的底层,有许多微气管。光肩星天牛复眼的小眼间火角7.26°-10.45°。复眼参数P值7.68-12.24μm·rad;背部的复眼参数都大于腹部的。背部复眼更能适应暗环境。复眼对光的聚集能力指标F值0.92-1.15。复眼的敏感度59.19-89.74。小眼接受光线近似角度16.260-23.92°。光肩星天牛复眼有较高的敏感度和较低的分辨率。
(3)复眼内部结构有明显的光暗变化。晶锥在暗适应条件下横截面成4分裂状,能看到明显的分裂线,而在光环境适应条件下不到分裂线,晶锥呈平滑的圆面。暗适应下晶锥周闱色素较多,而光适应下的晶锥细胞周围色素细胞较少。色素细胞在光适应环境下主要聚集在晶锥和视杆之间,基膜处也有少许。而在暗适应条件下色素围绕在晶锥剧围及晶锥下方,视杆周围色素也比光适应下多,基膜处色素未见差异。视杆横切面任光适应下呈近圆形,已看不清具体的结构,而在暗适应下的视杆横切可以看到由视网膜细胞组成的近六边形,有间隙。从纵切的石蜡切片看出,暗适应下的视杆周围色素明显多于光适应下,暗适应条件下基膜色素向远心端移动造成基膜色素比光适应少。光、暗条件处理后的复眼晶锥长和视杆横切面直径存在显著差异(P<0.05)。
(4)光肩星天牛复眼背、腹部的角膜厚度和视杆长度存在显著差异。复眼背部角膜厚度101.96±1.09μm,显著大于腹部的角膜厚度92.89±0.77μm。腹部视杆长度为115.33±2.45±m,显著大于背部视杆长度91.66±1.20μm。
(5)光肩星天牛复眼背部和腹部比较,有差异表达基因606个,其中光肩星天牛背、腹部差异基因上调数目为415个,下调基因数目为191个。差异基因在表达量上也是具有显著差异。而在对差异基因GO富集分析发现差异基因主要涉及在跨膜运转、氧化还原过程、G-蛋白偶联受体信号素;胞外区;辅因子结合、气味结合、氧化还原酶活性、角质层的结构组成、蛋白质水解、转移酶的活性等方面。KEGG通路分析显著性差异表达基因主要富集在酪氨酸代谢。