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基于光周期线索的草地贪夜蛾羽化昼夜节律探究

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应用昆虫学报 2024年

作者：吕长宁黄旭王玮彤何煜堃胡高潘卫东陈法军万贵钧南京农业大学植物保护学院中国科学院电工研究所生物电磁学北京市重点实验室

【目的】明确草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda羽化昼夜节律对不同光周期线索的响应，探究建立以其羽化昼夜节律为表型的生物钟机制的研究方法。【方法】持续黑暗（Dark-Dark,DD）、持续光照（Light-Light,LL）、DD延长1日（DD+1）及LL... 详细信息

【目的】明确草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda羽化昼夜节律对不同光周期线索的响应，探究建立以其羽化昼夜节律为表型的生物钟机制的研究方法。【方法】持续黑暗（Dark-Dark,DD）、持续光照（Light-Light,LL）、DD延长1日（DD+1）及LL延长1日（LL+1）光周期设置之前，试虫均饲养于L14∶D10(LD)光周期下，且LD处理组中LD光周期设置贯穿整个世代周期。将蛹龄为9 d（针对DD+1与LL+1）或10 d（针对LD、DD和LL）的蛹转移至自主建立的“基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置”中，结合不同光周期线索设置监测蛹历期、成虫羽化历时及羽化昼夜节律。【结果】LD、DD、DD+1与LL光周期设置下成虫羽化主要发生于暗期或LD导引过程中暗期对应的相位，LD下成虫羽化最高峰出现于授时因子时间（Zeitgebertime,ZT）15-16(24%)，且在暗期开始前存在成虫羽化的光暗转换预期现象（Light-to-dark anticipation）,DD与DD+1下羽化最高峰进一步后移，分别出现于昼夜节律时间（Circadiantime,CT）17-18(24%)和CT21-22(22%)。虽然LL下仍存在较弱的成虫羽化昼夜节律，但额外1日的LL处理（即LL+1）完全扰乱了成虫羽化昼夜节律。【结论】草地贪夜蛾存在受光暗循环线索导引（Entrain）及生物钟协同调控的羽化昼夜节律，其羽化高峰在LD下发生于暗期，羽化昼夜节律自由运转生物钟周期τ大于24 h，足够时长的持续光照处理可扰乱该昼夜节律。综上，草地贪夜蛾羽化昼夜节律可作为其生物钟机制研究的可靠表型。

关键词：草地贪夜蛾迁飞昆虫光周期羽化行为昼夜节律生物钟

近零磁场下灰飞虱转录表达分析稳定性内参基因筛选

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中国农业科学 2019年第19期52卷 3346-3356页

作者：刘凡奇万贵钧曾路影李春绪潘卫东陈法军南京农业大学植物保护学院中国科学院电工研究所生物电磁学北京市重点实验室

【背景】地磁场(geomagnetic field,GMF)并不是稳定不变的,其随时间和空间时刻变化。目前,随着对动物磁生物学研究的日益深入,基于实时荧光定量PCR (qRT-PCR)技术开展的磁响应基因转录表达谱研究有力促进了磁响应通路的鉴定和磁感受机... 详细信息

【背景】地磁场(geomagnetic field,GMF)并不是稳定不变的,其随时间和空间时刻变化。目前,随着对动物磁生物学研究的日益深入,基于实时荧光定量PCR (qRT-PCR)技术开展的磁响应基因转录表达谱研究有力促进了磁响应通路的鉴定和磁感受机制的揭示。【目的】筛选近零磁场(near-zero magnetic field,NZMF)下短翅型灰飞虱(Laodelphax striatellus)稳定表达的内参基因,使对目的基因的定量分析更加准确。【方法】迁飞性昆虫灰飞虱采自江苏省农业科学院试验田并在室内使用TN1三叶期稻苗进行扩繁(温度:(25.0±1.0)℃,相对湿度:70%—90%,光周期:14L﹕10D)。采用亥姆霍兹线圈室内模拟近零磁场(NZMF;<500 nT)和地磁场(GMF;～50 000 nT),人工模拟磁场强度有效处理空间为直径30 cm的球形空间,试验过程中严格控制除磁场强度外的环境因子(温度:(25.0±1.0)℃,相对湿度:75%,光周期:14L﹕10D)并利用磁通门计每日对人工模拟磁场进行校准和监测,灰飞虱连同TN1三叶期稻苗均置于试管中进行暴露处理,每隔两日与对照磁场中稻苗对调以避免稻苗潜在磁响应对灰飞虱的影响。利用Trizol法分别提取初羽化灰飞虱雌、雄成虫总RNA,检测各生物学重复RNA质量并调至含量一致,反转录为cDNA,利用qRT-PCR技术并结合常用内参筛选分析软件geNorm、NormFinder、BestKeeper以及在线综合分析系统RefFinder对在NZMF和GMF两种磁场强度下灰飞虱体内的内参基因稳定性进行评估筛选,其中,待评估的11个常用内参基因包括Actin1、Tubulin(α1TUB和α2TUB)、Elongation factor 1alpha(EF-1α)、Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase(GAPDH)、Ubiquitin(UBI)、Ribosomal protein S11(RPS11)、Ribosomal protein S15e(RPS15)、Ribosomal protein L8(RPL8)、Ribosomal protein L9(RPL9)和ADP ribosylation factor2(ARF2)。【结果】不同磁场环境(NZMF vs. GMF)下,灰飞虱短翅雌成虫EF-1α和RPL9表达稳定性在geNorm和NormFinder两种评估方法中都居于前两位,与BestKeeper软件的结果略有差异,进而利用在线工具RefFinder对以上3种方法的评估结果进行稳定性综合排序,结果表明EF-1α稳定性最好,RPL9稳定性次之;灰飞虱短翅雄成虫中,基于geNorm、NormFinder和BestKeeper 3种评估方法,α2TUB和RPL9表达稳定性中均居于前两位,而Actin1表达稳定性虽在NormFinder和BestKeeper中处于前两位,但其在geNorm中稳定性较低,最后,通过在线工具RefFinder综合分析表明,α2TUB稳定性最好,RPL9稳定性次之。【结论】明确了不同磁场强度(NZMF vs. GMF)下适用于灰飞虱短翅雌、雄成虫中稳定表达的内参基因,其中,若使用双内参系统,雌成虫中可使用EF-1α和RPL9搭配,雄成虫中可使用α2TUB和RPL9搭配,为稳定表达的内参基因系统。此外,RPL9在灰飞虱短翅型雌、雄成虫中均可作为稳定的单一内参基因使用。研究结果确保了对灰飞虱响应磁场强度变化研究中关键目的基因转录表达的准确定量,并为今后开展磁场强度变化下的转录表达谱分析提供了有力保障。

关键词：灰飞虱近零磁场磁场强度实时荧光定量PCR 内参基因筛选

近零磁场下干扰磁响应关键基因对褐飞虱寿命的影响

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中国农业科学 2019年第1期52卷 45-55页

作者：贺静澜张明刘瑞莹万贵钧潘卫东陈法军南京农业大学植物保护学院中国科学院电工研究所生物电磁学北京市重点实验室

【目的】隐花色素(cryptochrome, Cry)和铁硫簇蛋白IscA(iron-sulfur cluster assembly,即MagR)是生物体内潜在的磁受体蛋白,本研究通过RNA干扰(RNAi)技术,分别敲减褐飞虱(Nilaparvata lugens)体内的磁响应关键基因NlCry1、NlCry2和NlMagR,旨在探明近零磁场(near-zero magnetic field,NZMF)环境下,以上3种基因在褐飞虱寿命调节过程中的作用,从而间接探讨这3种基因对磁场的响应情况。【方法】采用RNAi技术,以实验室正常磁场环境下稳定饲养的短翅初羽化褐飞虱雌雄成虫为材料,通过向其体内注射双链RNA(dsRNA)分别抑制磁响应关键基因NlCry1、NlCry2和NlMagR,随后立即分别放入正常磁场(geomagnetic field,GMF)和近零磁场中,于每日相同时间观察记录试虫寿命。同时于注射后的1、2和3 d通过RNAiso Plus法提取GMF中褐飞虱雌成虫总RNA,反转录合成第一链DNA,后采用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术检测该基因的表达情况,以确定基因干扰效率。【结果】注射ds NlCry1后,褐飞虱雌雄成虫寿命在近零磁场和正常磁场间均无显著差异。注射ds NlCry2后,近零磁场中褐飞虱雌雄成虫寿命比正常磁场分别显著延长27.78%和50.04%;此外,与注射ds GFP处理相比,正常磁场下注射ds NlCry2的雌成虫寿命缩短,而近零磁场下注射ds NlCry2的雌成虫寿命延长,但二者差异均不显著;近零磁场和正常磁场下注射ds NlCry2的雄成虫寿命均缩短(25.41%和10.73%),且正常磁场下差异显著。近零磁场中,注射ds NlMagR的雌成虫寿命较注射ds GFP的寿命显著缩短了16.48%,而雄成虫寿命在磁场间、干扰处理间的差异均不显著。【结论】磁场变化下褐飞虱雌雄成虫体内3种磁响应关键基因对其寿命的调节功能存在差异。其中,NlCry2对磁场变化存在敏感响应,表现为敲减该基因与磁场变化的互作显著地影响雌雄成虫寿命,且表现出"性二型性";NlMagR也可对磁场变化产生明显响应,但该响应只存在于雌成虫;此外,NlCry1对磁场变化无响应,该基因或与褐飞虱雌雄成虫寿命调节无关。

关键词：磁场强度变化褐飞虱磁响应基因 RNA干扰成虫寿命磁生物学效应

粘虫、小地老虎和棉铃虫三种鳞翅目害虫上灯行为节律研究

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应用昆虫学报 2017年第2期54卷 190-197页

作者：张行国贾艺凡温洋张逸飞万贵钧陈法军南京农业大学植物保护学院昆虫学系南京210095 山东省济南市济阳县农业局济阳251400

[目的]明确粘虫Mythimna separate(Walker)、小地老虎Agrotis ypsilon(Rottemberg)和棉铃虫Helicoverpa armigera(H(U|¨)bner)3种鳞翅目蛾类害虫的上灯行为年度动态及上灯行为节律,为鳞翅目害虫迁飞规律研究奠定基础,服务于鳞翅目迁飞... 详细信息

[目的]明确粘虫Mythimna separate(Walker)、小地老虎Agrotis ypsilon(Rottemberg)和棉铃虫Helicoverpa armigera(H(U|¨)bner)3种鳞翅目蛾类害虫的上灯行为年度动态及上灯行为节律,为鳞翅目害虫迁飞规律研究奠定基础,服务于鳞翅目迁飞害虫种群暴发的预测预报。[方法]本研究于2014-2015连续两年利用自主专利"分时段自动诱集装置"对粘虫、小地老虎和棉铃虫3种鳞翅目害虫种群上灯行为节律进行了系统监测研究。[结果]粘虫、小地老虎和棉铃虫的上灯始见期、上灯最高峰日、日上灯虫量以及年灯诱总虫量年际间差异较大。与2014年相比,2015年粘虫、小地老虎和棉铃虫上灯始见期分别提前13、124、71 d,上灯最高峰日分别提前41、44、71 d,年诱虫总量和上灯最高峰日虫量均明显提高。此外,通过对3种鳞翅目害虫夜间不同时段上灯捕获虫量分析发现,粘虫、小地老虎和棉铃虫的最大上灯高峰出现在凌晨2:00-3:00或3:00-4:00,呈现"多峰型"上灯行为节律,与鳞翅目夜间迁飞性昆虫日出前降落的行为特性一致,并反映出害虫发生高峰期其上灯行为节律的群体效应。[结论]3种鳞翅目害虫发生年际动态与上灯行为节律均呈现年际变化并具有种的特异性。明确3种鳞翅目害虫的年际动态及上灯行为节律,对其迁飞种群的监测预报提供了科学依据。

关键词：鳞翅目迁飞昆虫种群发生动态上灯行为节律种群效应监测预报

近零磁场对白背飞虱趋光与飞行能力表型影响的分子机理探究

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近零磁场对白背飞虱趋光与飞行能力表型影响的分子机理探究

中国植物保护学会2016年学术年会

作者：万贵钧潘卫东陈法军南京农业大学植物保护学院昆虫学系中国科学院电工研究所生物电磁学北京市重点实验室

地磁场（Geomagnetic field,GMF）的强度和方向并非恒定,而是因时空分布不同而变化。除目前发现的GMF平均强度缓慢衰减外,以强度降低为特点的突发性GMF扰动和异常现象（如地磁暴等）,以及迁徙性动物迁出与迁入地之间的GMF强度差异对动... 详细信息

地磁场（Geomagnetic field,GMF）的强度和方向并非恒定,而是因时空分布不同而变化。除目前发现的GMF平均强度缓慢衰减外,以强度降低为特点的突发性GMF扰动和异常现象（如地磁暴等）,以及迁徙性动物迁出与迁入地之间的GMF强度差异对动物生理和行为的磁场效应影响仍不明确。本研究以正常GMF为参照,以可模拟GMF强度降低的近零磁场（Near-zero magnetic field,NZMF）为处理,开展了NZMF对迁飞性昆虫白背飞虱（Sogatella furcifera）正趋光性和飞行能力的磁场效应探究。相对于GMF,本研究首次发现NZMF可显著增强白背飞虱成虫的正趋光性并可影响成虫的飞行能力,且其对成虫飞行能力的磁场效应表现出雌雄二型现象。基于表型,对兼具生物钟光受体和磁受体等功能的多功能基因cryptochromes（CRY1和CRY2）,以及位于脂动激素（AKH）/脂动激素受体信号通路（与能量代谢和抗氧化应激相关）中的基因AKH和AKHR的转录表达分析发现,以上基因的转录表达模式分别与白背飞虱成虫正趋光性（CRY1和CRY2）和飞行能力（AKH和AKHR）存在正相关关系。由此,并基于已有的磁场效应研究,我们推测NZMF对成虫正趋光性和飞行能力的磁场效应可能通过与抗氧化应激相关的"隐花色素-生物钟-脂动激素/脂动激素受体"信号通路实现。本研究展现了一条可串联目前磁场效应主要分子机制:"cryptochromes介导的光依赖性磁敏感""cryptochromes介导的光依赖性磁敏感生物钟"与"磁场强度变化介导的氧化应激"三者的可行线索,梳理并揭示了更为系统的磁场效应分子机理,并对GMF强度变化可能引起的基于动物生理和行为的磁场效应提供了新见解。

关键词：磁场效应正趋光性飞行能力抗氧化应激近零磁场白背飞虱

来源： cnki会议评论

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近零磁场对灰飞虱生长发育的影响

应用昆虫学报 2021年第1期58卷 49-56页

作者：曾路影唐庆伟王玮彤刘凡奇万贵钧陈法军南京农业大学植物保护学院昆虫系南京210095

【目的】作为矢量场的地磁场(Geomagnetic field,GMF)不仅可为生物提供定向(定位)信息,并可能影响生物的进化。磁场强度的变化对生物生理、代谢和行为等可产生影响,本研究以迁飞性昆虫为模式生物,探究GMF强度变化对其生长发育的影响,进... 详细信息

【目的】作为矢量场的地磁场(Geomagnetic field,GMF)不仅可为生物提供定向(定位)信息,并可能影响生物的进化。磁场强度的变化对生物生理、代谢和行为等可产生影响,本研究以迁飞性昆虫为模式生物,探究GMF强度变化对其生长发育的影响,进一步明确其对GMF强度变化的磁响应策略。【方法】以水稻迁飞性害虫灰飞虱Laodelphaxstriatellus为研究对象,利用亥姆霍兹线圈模拟近乎抵消GMF强度的近零磁场(Near-zeromagneticfield,NZMF),明确GMF强度缺失这一极端处理(***)对灰飞虱生长发育的生物学效应。【结果】与GMF相比,NZMF显著延长了若虫历期(+8.23%)及雄成虫寿命(+35.60%)(P<0.05),显著缩短了雌成虫寿命(–17.68%)并显著降低了雌(–15.82%)雄(–15.21%)成虫体重(P<0.05),但NZMF对灰飞虱卵的发育历期影响不显著。【结论】相对于GMF对照,NZMF显著影响灰飞虱若虫和成虫的生长发育,且对灰飞虱成虫寿命的磁生物学效应表现出雌雄二型现象。

关键词：灰飞虱近零磁场生长发育磁生物学效应

近零磁场对褐飞虱翅型分化、趋光性及飞行能力的影响

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昆虫学报 2019年第1期62卷 82-90页

作者：张明刘瑞莹贺静澜袁锐万贵钧潘卫东陈法军南京农业大学植物保护学院昆虫系昆虫信息生态研究室南京210095 中国科学院电工研究所北京电磁重点实验室北京100190

【目的】地磁场(geomagnetic field,GMF)不是恒定不变的,而是随时间和空间时刻变化的。目前,动物对磁场变化的响应研究主要集中于迁徙性动物地磁定向导航中的磁感受方面,而迁徙性动物迁出地和迁入地之间地磁场强度差异对动物生理和行为... 详细信息

【目的】地磁场(geomagnetic field,GMF)不是恒定不变的,而是随时间和空间时刻变化的。目前,动物对磁场变化的响应研究主要集中于迁徙性动物地磁定向导航中的磁感受方面,而迁徙性动物迁出地和迁入地之间地磁场强度差异对动物生理和行为潜在的磁场效应尚不明确。【方法】迁飞性昆虫褐飞虱Nilaparvata lugens试虫采自江苏省农业科学院试验田。本文采用亥姆霍兹线圈室内模拟近零磁场(near-zero magnetic field,NZMF)和GMF,调查了褐飞虱成虫在NZMF和GMF下的翅型分化、趋光性和飞行能力。【结果】结果表明,与GMF相比,NZMF显著提高了褐飞虱雄成虫短翅型比例(6. 4%)(P 0. 05);对于长翅雌成虫,NZMF显著提高了其2日龄成虫的上灯比例(55%)(P 0. 05); NZMF显著缩短了2日龄长翅雄成虫的飞行时间(46%)(P <0. 05),并显著提高了长翅雌成虫(65%)和长翅雄成虫(101%)的飞行速度(P <0. 05)。此外,GMF对照组的褐飞虱长翅雄成虫飞行速度显著低于长翅雌成虫(96%),而NZMF处理组中二者无显著差异。【结论】结果说明,近零磁场可提高褐飞虱成虫短翅比例,对长翅成虫趋光性的影响呈现出基于龄期增长先增强后减弱的效应,并在未影响长翅成虫飞行距离的情况下,改变了其飞行策略,即提高飞行速度,同时缩短飞行时间。

关键词：褐飞虱近零磁场翅型分化趋光性飞行能力

隐花色素蛋白和铁硫簇蛋白相互作用及其在褐飞虱发育与生殖中的作用

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应用昆虫学报 2021年第1期58卷 74-82页

作者：张英超曾路影万贵钧江幸福陈法军潘卫东中国科学院电工研究所生物电磁学北京市重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 南京农业大学植物保护学院昆虫系昆虫信息生态研究组南京210095 中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室北京100193

【目的】在真核生物中验证隐花色素蛋白(Cryptochrome)/铁硫簇蛋白(Iron-sulfur cluster assembly1)的相互作用,研究2种蛋白在褐飞虱Nilaparvata lugens发育和生殖过程中的作用,为二者在磁感受机制中的协同作用及磁场对昆虫生理状态的... 详细信息

【目的】在真核生物中验证隐花色素蛋白(Cryptochrome)/铁硫簇蛋白(Iron-sulfur cluster assembly1)的相互作用,研究2种蛋白在褐飞虱Nilaparvata lugens发育和生殖过程中的作用,为二者在磁感受机制中的协同作用及磁场对昆虫生理状态的调控机制提供依据和新的研究方向。【方法】通过酵母双杂交系统对褐飞虱Ⅰ型隐花色素蛋白/Ⅱ隐花色素蛋白与铁硫簇蛋白的相互作用进行验证。在褐飞虱3龄若虫和羽化第1天成虫中建立Ⅰ型隐花色素蛋白和铁硫簇蛋白基因RNAi(RNA interference)沉默模型,并采用RT-qPCR检测2个基因沉默效率,统计沉默虫体的若虫历期和产卵量。【结果】褐飞虱Ⅰ型隐花色素蛋白与铁硫簇蛋白存在相互作用,而Ⅱ隐花色素蛋白与铁硫簇蛋白不存在相互作用。褐飞虱3龄若虫和羽化第1天成虫中成功建立Ⅰ型隐花色素蛋白和铁硫簇蛋白基因RNAi沉默模型,在注射dsRNA后第2天、第4天和第6天时,2个基因的沉默效率均能达到70%以上。Ⅰ型隐花色素蛋白和铁硫簇蛋白基因沉默虫体的若虫历期无明显变化,但是产卵量受到显著性抑制。【结论】褐飞虱Ⅰ型隐花色素蛋白和铁硫簇蛋白存在相互作用,二者在褐飞虱生殖过程中发挥重要作用。

关键词：隐花色素蛋白铁硫簇蛋白生物磁感受褐飞虱

迁飞性害虫褐飞虱对地磁强度变化的种群适合度响应

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昆虫学报 2018年第8期61卷 957-967页

作者：刘瑞莹肖子衿贺静澜万贵钧潘卫东陈法军南京农业大学植物保护学院昆虫系昆虫信息生态研究室南京210095 中国科学院电工研究所北京生物电磁重点实验室北京100190

【目的】地球生物时刻处于地磁场(geomagnetic field,GMF)环境影响下,迁飞昆虫也不例外。迁飞昆虫多可进行跨纬度长距离迁飞,其迁出与迁入地间必然存在地磁强度差异,进而影响迁飞昆虫的种群适合度。本研究旨在明确迁飞性昆虫的磁生物学... 详细信息

【目的】地球生物时刻处于地磁场(geomagnetic field,GMF)环境影响下,迁飞昆虫也不例外。迁飞昆虫多可进行跨纬度长距离迁飞,其迁出与迁入地间必然存在地磁强度差异,进而影响迁飞昆虫的种群适合度。本研究旨在明确迁飞性昆虫的磁生物学效应及其地磁环境适应性,服务于迁飞害虫发生的预测预报。【方法】利用直流电型亥姆霍兹线圈模拟迁飞害虫褐飞虱Nilaparvata lugens春季迁出地(广州:GMF 45μT)与迁入地(南京:GMF 50μT)地磁场环境,调查了迁出地和迁入地地磁场强度变化对其生长发育与繁殖的影响。【结果】结果显示,与迁出地GMF 45μT下相比,迁入地GMF 50μT下褐飞虱卵历期略有缩短(0.50%),卵孵化率显著提高(6.11%),雌、雄若虫历期分别延长5.26%和2.37%,初羽化雌、雄成虫体重分别提高0.66%和9.56%,雌、雄成虫寿命分别缩短了35.34%和26.16%,雌成虫产卵量显著提高(30.13%),卵黄原蛋白基因Vg相对表达量显著提高(259.25%);此外,迁入地GMF 50μT还显著缩短了褐飞虱F_1代卵历期(2.52%),并显著提高了F_1代卵的孵化率(10.83%)。【结论】结果说明,每年春季北迁过程中褐飞虱所处的地磁场强度增加有利于其种群适合度提高,进而对其迁飞种群发生有利,并加重其暴发危害风险。

关键词：褐飞虱地磁场强度迁飞昆虫迁出迁入磁生物学效应