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东亚飞蝗是造成我国蝗灾爆发的主要农业害虫,存在种群密度依赖的多态性现象,从散居型到群居型的型变是蝗灾爆发的重要因素。本论文基于色谱质谱联用技术首次开展了飞蝗血淋巴代谢组学研究,旨在从代谢物角度阐释飞蝗型变的物质基础与调控机制,对蝗灾防治具有重大的现实意义。
首先,建立并表征了血淋巴代谢组学分析方法。通过实验设计理论、蛋白质与磷脂脱除率考察,分别确定了GC-MS与HPLC-MS分析时的样品前处理方法,系统表征了分析方法,鉴定了141种代谢物。通过实例论证了互补利用GC-MS与HPLC-MS对于非靶向代谢表型差异研究的必要性。
其次,系统阐明了飞蝗群居型与散居型间的代谢表型差异。以四龄期飞蝗为目标,运用多元与单元统计分析,发现81种代谢物在两型飞蝗间差异显著,构成了型变的代谢物质基础。代谢通路分析表明群、散两型飞蝗在蛋白质合成、脂质代谢方面存在显著的差异。
第三,动态解析了种群密度干预诱导行为型变中的关键代谢应答,提出了“脂质代谢及其相关的脂酰肉碱穿梭系统是飞蝗型变调控关键靶点”的科学假设。利用代谢轨迹分析追踪了型变中代谢表型的演变规律,证实了行为模式与代谢物间的必然联系。综合PLS回归、代谢物关联网络与聚类分析等策略,锁定了13个型变特异相关代谢物及其对应的关键代谢通路。
最后,开展了RNAi与药物注射功能验证实验,证实了脂酰肉碱在行为型变调控中的关键功能。RNAi沉默肉碱-乙酰转移酶与肉碱-脂酰转移酶Ⅰ基因表达后,群居型飞蝗的行为模式显著地向散居型转变。乙酰肉碱注射结合群居化处理能刺激散居型飞蝗的群聚化。这是对型变调控机制,也是乙酰肉碱生物功能的新发现。HPLC-MS/MS代谢靶标分析与GC-MS全组分代谢指纹分析也表明RNAi诱导的行为突变伴随着代谢状态的显著改变。