Haplotype and genetic diversity analysis of Spodoptera frugiperda invading in three provinces of central and southern China
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摘要:目的
揭示入侵我国中南三省(区)的草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda种群间可能存在的遗传变异，探讨其入侵来源、入侵路线和扩散方式，为制定有效控制和阻击草地贪夜蛾的方案提供理论依据和遗传信息。
方法利用分子标记技术从线粒体DNA和核DNA角度研究草地贪夜蛾种群的遗传多样性和种群结构。对采集自我国广东、广西和湖南3个省(区)的草地贪夜蛾，利用CO I和Tpi基因片段进行了单倍体型分析，利用9个微卫星标记分析种群间的遗传结构和遗传多样性。
结果供试样品中，除了湖南张家界群体有2个样品为CO I玉米型单倍体型、1个样品为杂合型，其他群体的个体均为CO I水稻型单倍体型。基于SSR标记的群体遗传分析结果表明，被检测的群体遗传多样性较巴西等国家的美洲群体低，各群体遗传分化不明显。广东东莞群体与湖南张家界群体的遗传距离最近，与广西南宁群体的遗传距离较远。
结论遗传距离与实际距离之间不一定呈正相关，通过遗传结构的分析有助于推测草地贪夜蛾扩散过程中，天气背景场、地理隔离和人为传播各自所起的作用。入侵湖南省张家界的草地贪夜蛾出现了低频率CO I玉米型和高频率的CO I水稻型单倍体型，说明虫源的非单一性；草地贪夜蛾在入侵地定殖时间较短，目前未形成明显的遗传分化。
Abstract:ObjectiveTo reveal possible genetic variation among Spodoptera frugiperda populations in three provinces of central and southern China, trace the invasion source and spread pathway of S. frugiperd, and provide the theoretical basis and genetic information for effectively controlling this insect.
MethodThe samples of S. frugiperda were collected from Guangdong, Guangxi and Hunan of China. Haplotype analysis was carried out using CO I and Tpigene markers. Nine microsatellite (SSR) markers were used to analyze the genetic diversity and genetic structure of S. frugiperda populations.
ResultsExpect that two samples of S. frugiperda populations from Zhangjiajie of Hunan were characterized to be CO I corn strain and one sample to be hybrid strain, other samples were CO I rice train. The results of SSR markers showed that lower genetic diversity was detected for each population compared with those in South America populations, and the genetic differentiation across populations was no significant. However, the genetic distance was the nearest between Guangdong Dongguan population and Hunan Zhangjiajie population, and the farthest between Guangdong Dongguan population and Guangxi Nanning population.
ConclusionThere is no significant relationship between genetic distance and geographic distance. The genetic structure analysis helps to speculate on the role of weather background field, geographical isolation and human transmission in the process of S. frugiperda spread. S. frugiperda invading in central-south China might be original from multiple locations. The short time of S. frugiperda colonization in the invasive lands leads to the low genetic diversity. No obvious genetic differentiation has formed at present.
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Keywords:
- Spodoptera frugiperda /
- haplotype /
- SSR marker /
- genetic diversity
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直流电机具有起动转矩大、制动性能好、调速平滑且调速范围宽、过载能力强、清洁环保等优良特性，被广泛应用于工农业生产的各个领域[1~5]。现有直流电机驱动的研究中，最常见的就是基于PWM的H型全桥驱动电路，这种驱动方式具有快速、精确、高效、低功耗等特点[6-10]，但在大功率电机应用场合，MOSFET过流很大，高达几十安，电路发热严重，不适合长时间工作。病死猪搬运车采用2台较大功率永磁有刷直流电机驱动，需要低速大转矩驱动，电机启动电流大，目前还没有商业化的专用驱动系统。本研究结合病死猪搬运车所用的永磁有刷直流电机底盘驱动需求，设计了用于病死猪搬运车的底盘驱动控制系统并开展了试验研究，为解决病死猪搬运车的大功率永磁有刷直流电机驱动控制问题提供一种方案。
1. 驱动系统总体结构
系统总体框图如图1所示。以单片机STM32F103ZET6为主控制器，将产生的脉宽调制(PWM)信号和方向控制信号(DIR)通过信号线传输至电机驱动电路[11]。电机驱动电路分为功率驱动电路和继电器驱动电路。PWM信号经过光电耦合芯片TLP250后，多个MOS管的栅极并联连接TLP250的输出，由TLP250驱动MOS管，构成功率驱动电路；方向控制信号经逻辑运算后产生新的控制信号，通过继电器驱动电路分别控制2组继电器的关断，从而控制电机的正转或反转[12]。稳压供电电路为整个电机驱动系统提供所需电压。由于所用电机工作电流较大，大电流的冲击很容易烧坏芯片，因此设计过流保护电路很有必要，当电机电流超出设定值时，通过过流保护电路使继电器失电停止工作，电机停转[13]。利用LM358设计电流检测和反馈电路，通过闭环反馈稳定电机工作电流，当电流过大时，反馈信号和PWM信号经逻辑运算后产生的信号使继电器关断，从而保护整个驱动电路[13-17]。
2. 硬件电路和控制方法
2.1 硬件电路设计
硬件电路是控制系统的重要组成部分，是实现系统控制目的的载体。本驱动控制系统的硬件电路主要包括功率驱动电路、继电器驱动电路、稳压供电电路、电流采样与转换电路以及过流保护电路。
2.1.1 功率驱动电路
在功率驱动电路中，采用光耦芯片TLP250经三极管放大后驱动8个MOS管IRF3205，多个MOS管并联起到分流作用，查看IRF3205的芯片资料可以知道，该芯片在25 ℃下，最大漏源极电压(耐压)UDSS=55 V、持续漏极电流ID=110 A。对于大功率永磁有刷直流电机，单个MOS管的持续电流虽满足要求，但在实际工作中要留3~4倍的余量，且随着电流的增大，MOS管发热，内阻也随之增大，影响持续漏极电流，因此采用多颗MOS管并联的方式来分流。功率驱动电路如图2所示。图2中，R1、R3、…、R15为栅极驱动电阻，每个MOS管都由独立的栅极驱动电阻隔离驱动，可以防止各个MOS管的寄生振荡，起到阻尼作用；R2、R4、…、R16是栅极下拉电阻，主要作用是在驱动芯片损坏开路的情况下防止MOS管误导通。采用多个MOS管并联的方式，漏极和源极的走线要通过多个MOS管的电流，要求其总线上的阻抗控制在所有MOS管并联后的内阻的10%以内。理论上计算，单个MOS管的电流偏移不能超过平均电流的10%。IRF3205的内阻为8 mΩ，因此总线上的电阻不能超过1 mΩ。
2.1.2 继电器驱动控制电路
继电器是用小电流控制大电流的开关器件，具有驱动简单、动作迅速可靠、维护方便、使用寿命长等特点，适用于低频率开关场合。本文采用2个JD1914五脚大电流继电器，由主控制器STM32F103ZET6产生的2路方向控制信号DIR1和DIR2，经大电流驱动阵列芯片ULN2003，ULN2003可产生高达500 mA的电流驱动三极管导通，从而驱动控制2个继电器的导通与关断。继电器驱动电路图如图3所示，当继电器K1动作时，常开触点吸合，常闭触点断开，电机反转；当继电器K2动作时，电机正转；当K1和K2的常开触点同时吸合或常闭触点同时吸合时，电机不工作。
2.1.3 稳压供电电路
整个系统由2块12 V的铅酸电池并联提供24 V工作电压，由于3个器件TLP250、JD1914和ULN2003分别需要18、12和5 V电压供电，为此，本系统采用LM7918、LM7812和LM7805这3个三端稳压集成电路芯片，分别为其提供所需电压。在每个稳压芯片的输出端并联1只0.1 μF的滤波电容，能有效滤除低频杂波。由于稳压芯片内阻的存在，输入、输出两端存在电压差，在稳压芯片工作电流的作用下，芯片发热，因此需要加装散热片，以增加散热。这3种芯片均采用TO-220封装，其引脚图如图4所示。
2.1.4 电流采样与转换电路
电流反馈控制框图如图5所示。在电流采样与控制电路中，采用霍尔电流传感器ACS758LCB-050B-PFF-T电流采样芯片，其量程为50 A，可供大电流采样电路使用，满足该驱动控制系统的电流采样需求。电流采样后的输出信号经模拟信号隔离器HCNR200隔离输出，然后通过由LM358构成的电压跟随器，最后输出采样信号，该信号传递到主控制器，主控制器根据电流调节算法，调节输出的PWM占空比，进而调节电机的工作电流，形成电流闭环。电流闭环反馈的目的是调节电机转速、引入电流闭环，有助于提高搬运车的运行稳定性。
2.1.5 过流保护电路
在过流保护电路中，利用运放LM358及部分电阻、电容构建差分运放电路，采用3个直径为1.2 mm、长度为10 cm的康铜丝并联，作为电流采样电阻，并联后电阻为0.014 Ω。当电流超过设定的最大安全电流值时，运算放大器的输出信号和控制电机的方向信号经过逻辑电路运算和ULN2003放大后，作用于2个继电器，使2个继电器的常开触点同时吸合，电机两端电压为0，电机失电停止工作。
2.2 控制方法
以单片机STM32F103为主控制器，上位机编写的控制算法通过主控制器的通信串口USB_232写入，主控制器对控制算法进行解算。主控制器产生2路PWM信号和4路方向控制信号，分别控制2个直流有刷电机的运行。PWM1、DIR1和DIR2控制电机1，PWM2、DIR3和DIR4控制电机2。
电机在启动时所需克服的阻力要大于正常运行时的阻力，在启动时，电机要提供足够的转矩才能使电机正常启动。因所设计的病死猪搬运车要承受很大的负荷，车子启动需要克服很大的摩擦阻力，车子在正常行驶时，车轮所受阻力矩(M)为：
$$M = {\mu _{\rm{k}}}{F_{\rm{N}}},$$ (1) 式中，
${\mu _{\rm{k}}}$ 为有量纲的滚动摩擦系数， 根据有关资料，充气轮胎与泥土路的有量纲的滚动摩擦系数最大值为1.5×10–3；${F_{\rm{N}}}$ 是法向量压力，已知搬运车质量(m车)150 kg，吊升病死猪只的最大质量(m猪max)设定300 kg，单个轮子受力按最大计，单个轮子受力为：$${F_{{\rm{N}}\max }} = {\rm{g}}{m_{{\text{车}}}} + {\rm{g}}{m_{{\text{猪}}\max}} \approx 4.5 \times {10^3},$$ (2) 式中，g为重力加速度，取g=10 m/s2。计算可得：
$${M_{\max }}=6.75\text{。}$$ (3) 电机额定电压24 V，额定功率1.1 kW，额定转速1 500 r/min，已知：
$$P = F {{{V}}_{{\rm{max}}}},$$ (4) $$T = FR,$$ (5) $$F = \frac{T}{{{R}}},$$ (6) $${{{V}}_{{\rm{max}}}} = 2{\rm{\pi }}R {{n}}\text{。}$$ (7) 由公式(4)~(7)可得：
$$P = F {{{V}}_{\max }} = \frac{{\rm{\pi }}}{{30}}T {{n}}\text{。}$$ (8) 公式(4)~(8)中，P为功率，F为拉力，Vmax为最大线速度，T为电机输出转矩，R为作用半径，n为电机额定转速。由于电机和车轮之间连有蜗轮蜗杆减速器，其减速比为7.5∶1.0，计算可得电机实际输出转矩最大值
$\left({{{T}}_{{\rm{max}}}}\right)$ ：$${{{T}}_{{\rm{max}}}} \approx 52.52\text{。}$$ (9) 当搬运车满负荷运行时，其启动转矩势必非常大，考虑到搬运车由四轮承力、双电机驱动，车轮所受摩擦阻力并没那么大。因此，在启动时，两路PWM占空比设定为35%，当检测到车子启动时，迅速将占空比梯度降低到设定值。
3. 试验验证与结果
对搬运车驱动控制系统的硬件和软件设计进行试验验证，主要验证该驱动控制系统的启动性能、调速性能以及保持直线行驶的性能。
在试验时对驱动控制系统的输出进行数据采集，调节单片机输出PWM的占空比，用示波器测量驱动器输出波形的变化情况，并适时测量驱动器的输出电流。试验测得该车在直线行驶时在前进运行状态下，电机的工作电流随PWM占空比变化情况见表1。由表1可知，向前行驶时，从0调节单片机输出PWM的占空比，占空比达到6.8%左右时，克服电机启动时的阻力矩，电机开始启动，此时电机转速很小，不足以正常地启动行驶。占空比的小幅增长即可使电机的工作电流快速增大，电机转速随之快速增大，调节占空比至16%以后，电机工作电流随占空比增大呈现线性增长趋势。试验表明，占空比为16%时搬运车空载启动性能较好，基本实现了稳定平滑启动的功能而没有出现大电流冲击等状况，利于启动后线性调速。此时电机驱动器输出端输出波形是一个幅值为24.6 V、频率为16.7 kHz、周期为60 μs、占空比为16%的方波(图6)，与单片机此时输出的PWM信号周期、频率及占空比完全一致。表1的数据表明：在占空比为16%~94%的区间内，电机工作电流随占空比的增加呈线性增大，电机转速也随之越来越快，转速从稳定启动后的低转速至满转，调节范围大，调速效果较好，基本实现了预定的调速性能。
表 1 搬运车前进方向空载试验结果Table 1. The results of no-load test of vehicle in the moving direction左轮电机 Left-wheel motor 右轮电机 Right-wheel motor 占空比/%
Duty ratioI/A 占空比/%
Duty ratioI/A 0 0 0 0 5.7 0 5.4 0 6.8 0.32 6.9 0.33 8.1 1.26 8.5 1.34 11.8 4.97 11.8 5.07 13.4 5.85 13.7 6.24 16.0 7.41 20.0 8.74 21.3 8.72 28.4 10.31 26.7 10.09 35.6 10.96 33.3 10.94 45.3 11.90 38.7 11.21 58.1 12.40 44.0 11.63 68.9 13.10 54.1 12.11 74.5 13.56 60.0 12.55 82.3 13.88 68.0 12.87 93.9 14.26 试验测得该车在倒车行驶时，电机的工作电流随PWM占空比变化情况见表2。向后行驶时，启动与调速的状况与向前行驶时类似，由于搬运车整体重心在车的前半部分，前轮受力大，后轮受力较小，因此在启动和行驶过程中，电机克服的阻力矩较向前时要小。表2的试验结果也表明，向后行驶时，占空比在12%左右就能稳定平滑启动，比向前行驶时稳定启动所需的占空比要小，在占空比为12%~95%的区间内电机转速线性可调。
表 2 搬运车倒车方向空载试验Table 2. The results of no-load test of vehicle in the reversing direction左轮电机 Left-wheel motor 右轮电机 Right-wheel motor 占空比/%
Duty ratioI/A 占空比/%
Duty ratioI/A 0 0 0 0 5.4 0 5.6 0 6.7 0.32 6.8 0.32 8.1 1.20 8.3 1.24 11.8 5.05 11.8 4.94 12.2 5.40 12.7 5.51 22.1 6.88 22.7 6.94 26.8 7.85 32.2 8.20 33.3 8.28 40.9 8.89 37.3 8.57 46.3 9.37 44.0 9.39 54.4 9.61 48.4 9.48 63.8 10.10 55.0 9.88 70.7 10.25 65.8 10.23 81.2 10.51 82.4 10.58 95.9 10.74 利用Microsoft Excel数据处理软件对表1和表2的数据进行曲线拟合，拟合曲线如图7所示。图7中所示的4条曲线分别是左轮电机前进方向、右轮电机前进方向、左轮电机倒车方向和右轮电机倒车方向。分析对比图7中的4条曲线，在平滑路况下，该车直线行驶过程中，无论前进或倒车，该车的2个驱动电机都有较好的双机协调运转性能，保证该车直线行驶过程中在没外界强力干扰时能够稳定地直线行驶。
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图 7 电机前后行驶占空比与电流拟合曲线Figure 7. The fitting curve of duty ratio and current of motor driving forward or backward4. 结论
该文所设计的病死猪搬运车底盘驱动控制系统驱动功率大、启动平稳，具有调速范围宽、调速平滑的优点，具有较好的双电机协调一致的运行性能和良好的过流过载能力，通过继电器和光耦的隔离作用，使驱动电路与电机及控制器隔离，有效防止驱动电路故障对电机和控制器的冲击损害，很好地实现了大功率永磁有刷直流电机的驱动与控制，实现了搬运车的基本行驶功能。为解决大功率直流电机驱动问题提供一种方案，并具有稳定可靠、成本低廉、实用性强的优点，便于推广使用。
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图 1 草地贪夜蛾群体间Nei’ s标准遗传距离的UPGMA法聚类图
Figure 1. UPGMA cluster analysis using the Nei’ s standard genetic distance indices for Spodoptera frugiperda
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图 2 基于SSR标记的草地贪夜蛾群体的主坐标分析
1：湖南张家界群体为主；2：广东三地群体为主；3：广西南宁群体为主
Figure 2. Principal coordinate analysi based on SSR markers for Spodoptera frugiperda populations
1：The populations were mainly from Zhangjiajie of Hunan；2：The populations were mainly from three cities (district) of Guangdong；3：The populations were mainly from Nanning of Guangxi
表 1 供试幼虫样本信息表
Table 1 Information of larva samples used in this study
样品编号
Sample code采集地点
Sampling site采集时间
Sampling date虫态
Stage寄主植物
Host数量/头
NumberGDHD 广东省广州市花都花山镇儒林村 2019−05−10 幼虫 玉米 15 HNZJJ 湖南省张家界市慈利县通津钱铺 2019−05−20 幼虫 玉米 11 GXNN 广西壮族自治区南宁市宾阳县古济 2019−05−21 幼虫 玉米 7 GDDG 广东省东莞市 2019−05−01 幼虫 玉米 3 GDQY 广东省清远市连山壮族瑶族自治县 2019−06−16 幼虫 玉米 1 GDSG 广东省韶关市翁源县 2019−06−19 幼虫 甘蔗 5 合计 Total 42 
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表 2 草地贪夜蛾2种单倍型CO I基因序列多态性位点比较
Table 2 Polymorphic site distribution of CO I gene sequence of haplotypes in Spodoptera frugiperda populations
单倍体型1)
Haplotype多态性位点 Polymorphic site 33 69 120 351 426 432 462 492 HM136592(CS) T T C T T C C T HNZJJ-30# T T C T T C C T HM136602(RS) C A T C C T T C GDHD-7# C A T C C T T C 1)HM136592(CS)：草地贪夜蛾玉米型；HNZJJ-30#：湖南张家界30#样本；HM136602(RS)：草地贪夜蛾水稻型；GDHD-7#：广州花都7#样本
1) HM136592(CS)：S. frugiperda corn strain；HNZJJ-30#：Sample 30# from Zhangjiajie of Hunan；HM136602(RS)：S. frugiperda rice strain；GDHD-7#：Sample 7# from Huadu of Guangdong
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表 3 CO I和Tpi标记鉴定的草地贪夜蛾42个样品单倍型样品数量
Table 3 The number of haplotype of 42 Spodoptera frugiperda samples identified by COI and Tpi markers
采样地点
Sampling siteCO I 标记 CO I marker Tpi 标记 Tpi marker 水稻型
Rice strain玉米型
Corn strain杂合型 (S. f/M. s)
Hybrid strain玉米型 (AT)
Rice strain水稻型 (GA)
Corn strain杂合型 (AT/GA)
Hybrid strain广东花都 GDHD 15 0 0 9 3 3 湖南张家界 HNZJJ 8 2 1 6 0 5 广西南宁 GXNN 7 0 0 6 0 1 广东东莞 GDDG 3 0 0 3 0 0 广东清远 GDQY 1 0 0 1 0 0 广东韶关 GDSG 5 0 0 2 0 3 合计 Total 39 2 1 27 3 12
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表 4 9个SSR位点的遗传变异参数、F-statistics统计值和基因流1)
Table 4 Indices of gene diversity，F-statistics values and gene flow deduced by nine SSR loci
SSR位点 Site NA NE I HO HE FIS FIT FST NM spf05 3.000 1.718 0.62 0.221 0.338 0.346 0.465 0.183 1.117 spf1502 3.500 1.832 0.647 0.323 0.334 0.035 0.271 0.244 0.773 spf1592 6.667 5.000 1.633 0.958 0.762 −0.258 −0.13 0.102 2.206 spf1706 2.167 1.283 0.337 0.217 0.186 −0.163 −0.048 0.099 2.269 spf343 4.667 3.524 1.291 0.92 0.686 −0.342 −0.188 0.115 1.929 spf670 5.500 3.887 1.376 0.824 0.681 −0.209 −0.015 0.160 1.312 spf789 5.500 4.340 1.437 0.93 0.707 −0.315 −0.111 0.156 1.357 spf918 4.167 2.737 1.125 0.824 0.608 −0.354 −0.227 0.094 2.407 spf997 4.500 2.856 1.135 0.536 0.612 0.125 0.303 0.204 0.976 平均值 Average 4.408 3.020 1.067 0.639 0.546 −0.126 0.036 0.151 1.594 1) NA: 观测等位基因数; NE: 有效等位基因数; I: Shannon信息指数; HO: 表观杂合度; HE: 预期杂合度; FIS: 种群内近交系数; FIT: 总近交系数; FST: 种群间分化系数；NM：基因流参数
1) NA : Allele number; NE : Effective allele number; I: Shannon index; HO : Observed heterozygosity; HE: Expected heterozygosity; FIS : Inbreeding coefficient within population; FIT : Total inbreeding coefficient; FST: Differentiation coefficient among populations; NM: Gene flow among populations
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表 5 草地贪夜蛾群体遗传多样性指数1)
Table 5 The genetic diversity indexes of Spodoptera frugiperda populations
地理种群 Population NA NE I HO HE F 广东花都 GDHD 8.444±0.784 4.374±0.728 1.594±0.188 0.629±0.085 0.685±0.074 0.087±0.069 湖南张家界 HNZJJ 5.222±0.76 3.467±0.518 1.300±0.166 0.657±0.100 0.640±0.066 −0.028±0.099 广西南宁 GXNN 4.778±0.572 3.412±0.479 1.285±0.145 0.683±0.111 0.651±0.058 −0.033±0.118 广东东莞 GDDG 2.333±0.441 2.071±0.370 0.649±0.183 0.556±0.157 0.389±0.101 −0.426±0.151 广东韶关 GDSG 4.000±0.601 3.126±0.631 1.111±0.174 0.644±0.093 0.578±0.072 −0.113±0.097 平均值 Average 4.407±0.554 3.020±0.482 1.067±10.162 0.640±0.119 0.546±0.076 −0.252±0.089 1) NA: 观测等位基因数; NE: 有效等位基因数; I: Shannon信息指数; HO: 表观杂合度; HE: 预期杂合度; F: 固定指数
1) NA: Allele number; NE: Effective allele number; I: Shannon index; HO: Observed heterozygosity; HE: Expected heterozygosity; F: Fixation index
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表 6 草地贪夜蛾不同地理种群的Nei’ s遗传距离(D)和遗传相似性(I)1)
Table 6 Genetic distance (D) and genetic identity (I) between different geo-populations of Spodoptera frugiperda
种群 Population 花都 Huadu 张家界 Zhangjiajie 南宁 Nanning 东莞 Dongguan 韶关 Shaoguan 花都 Huadu 0.895 0.863 0.831 0.866 张家界 Zhangjiajie 0.111 0.798 0.781 0.814 南宁 Nanning 0.147 0.225 0.670 0.771 东莞 Dongguan 0.185 0.247 0.400 0.740 韶关 Shaoguan 0.144 0.206 0.260 0.301 1)表中对角线以上为遗传相似性(I)，对角线以下为Nei’ s标准遗传距离(D)
1)The genetic identity data(I) are located above the diagonal line，and Nei’ s standard genetic distance(D) below the diagonal line
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