广聚萤叶甲介导的入侵植物豚草抗虫性演化研究

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入侵植物的防御演化是探究植物入侵机制的重要内容。专食性昆虫作为重要的选择压力,在入侵植物抗虫性功能演化中发挥着重要的作用。通常认为,外来植物在入侵地缺少专食性昆虫的控制,将减少对于抗虫性资源的投入,从而演化出较低的抗虫性功能。目前,随着生物防治全球化的实施及昆虫的自然扩散,很多外来植物与专食性昆虫在入侵地又“重新互作(re-association)”。然而,鲜有探究这种“重新互作”对于外来植物抗虫性功能演化的影响及适应性的代谢机制。这方面的研究对于我们深入揭示植物与昆虫互作关系,明确生物防治的后续效果以及制定长期的生物防治策略意义重大。本研究以入侵植物豚草(Ambrosia artemisiifolia)及其专食性昆虫广聚萤叶甲(Ophraella communa)为研究对象,通过野外调查、同质园实验和室内化学检测等来探究具有不同取食历史的豚草种群(即重新互作时间为0年、9年、13年、17年)对广聚萤叶甲抗性功能的差异,并从代谢角度(营养物质和防御物质)探究其抗虫性功能差异的原因。主要结果如下:(1)通过野外调查,我们首先确定了河北省秦皇岛市及东北豚草发生区目前仍没有广聚萤叶甲发生。而在有广聚萤叶甲取食历史的中国南方(江苏、湖南、江西、广东、广西)豚草发生区,广聚萤叶甲发生极其严重;样方内豚草植株受到广聚萤叶甲危害率达80%以上,而受害植株的叶片危害率平均为50%左右。对采集到的野外豚草叶片化学分析表明,不同取食历史的豚草种群叶片碳含量、氮含量均不显著,而防御物质单宁、木质素和纤维素差异显著,并随着豚草种群取食历史的增加,单宁、纤维素、木质素含量呈现增加趋势。(2)通过采集不同取食历史的豚草种群的种子,在同质园内播种栽培,并在室内最适宜的环境下(平均温度28±1℃,相对湿度70±10%,光周期L:D=16:8)饲养广聚萤叶甲。结果显示,广聚萤叶甲在没有取食历史(即取食历史为0年)的豚草种群上发育历期最短(16.56天)且三龄幼虫质量最重(8.78 mg),而在有17年取食历史的豚草种群上发育历期最长(18.87天)且三龄幼虫质量最轻(5.81 mg),这表明广聚萤叶甲与豚草在入侵地的重新互作会使豚草逐渐演化出较强的抗虫性功能。(3)通过检测广聚萤叶甲的消化酶活性,从昆虫生理角度,来探究不同取食历史的豚草种群影响广聚萤叶甲适合度的机制。研究发现,叶甲胃蛋白酶(幼虫:2.26U/g;成虫:2.15 U/g)和胰蛋白酶活性(幼虫:33.6 U/g;成虫:30.09 U/g)在取食历史为0年的豚草种群上最高,而在取食历史为17年的种群上胃蛋白酶(幼虫:1.67 U/g;成虫:1.39 U/g)和胰蛋白酶最低(幼虫:27.09 U/g;成虫:19.98 U/g)。随着取食历史的增加,叶甲的胃蛋白酶、胰蛋白酶活性有明显的下降趋势,这表明广聚萤叶甲在不同取食历史的豚草种群上的适合度表现与胃蛋白酶、胰蛋白酶活性降低有关。(4)为了进一步探究专食性昆虫介导的豚草种群抗虫性功能演化的代谢机制,我们分别检测了同质园内栽培的不同取食历史的豚草营养物质和防御物质含量。发现总碳、总氮、碳氮比、可溶性糖、可溶性蛋白、总氨基酸等营养物质与取食历史之间没有显著的相关性。而单宁、纤维素、木质素等防御物质含量随着取食历史的增加均呈现出显著上升趋势。综上所述,随着豚草和广聚萤叶甲在入侵地重新互作,豚草种群的抗虫性功能逐渐升高,这主要是由于豚草叶片内的抗虫性物质如单宁、纤维素、木质素含量增加,从而导致广聚萤叶甲取食后其胃蛋白酶、胰蛋白酶等活性降低,影响叶甲对食物的消化和吸收。我们的研究表明入侵地专食性昆虫与寄主植物的重新互作,会使得植物产生更多的防御物质来提高其抗虫性功能。
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