松材線蟲入侵擴張趨勢分析

理永霞,張星耀

(中國林業(yè)科學研究院林業(yè)新技術研究所，森林病原整合生物學研究室，北京 100091)

伴隨著全球一體化的進程，生物入侵仍然是世界各國面臨的嚴峻問題，其中，松材線蟲病是國際重大檢疫性病害，是我國目前最為嚴重的自然災害之一。松材線蟲Bursaphelenchusxylophilus(Steiner & Buhrer) Nickle作為松材線蟲病的病原，除了與寄主松樹、媒介昆蟲密切互作外，還與伴生細菌、真菌有密切關系，而且它的流行更受經(jīng)濟物流和環(huán)境因子的影響。松材線蟲侵染松樹，破壞其水分輸導過程，導致松樹迅速枯萎死亡。松樹的蛀干害蟲是該病害短距離自然傳播的媒介，人類的經(jīng)濟和物流等活動是松材線蟲長距離傳播擴散的主要因素[1]。

1 松材線蟲在我國的發(fā)生危害狀況

我國1982年發(fā)現(xiàn)松材線蟲病，短短幾十年時間，災害從南京迅猛發(fā)展，蔓延至山東、江蘇、浙江、廣東、遼寧等地，在熱帶和亞熱帶地域迅速擴散造成嚴重危害后，近年來又逐步入侵暖溫帶，突破年均溫10 ℃線，擴張至遼寧等中溫帶和秦嶺等高海拔地域，直接威脅到全國3 000多萬公頃的松林。據(jù)國家林業(yè)局2018年第1號公告，松材線蟲病疫情已擴散至遼寧、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東、河南、湖北、湖南、廣東、廣西、重慶、四川、貴州和陜西16個省(區(qū)、市)的316個縣級行政區(qū)[2]。疫情發(fā)生區(qū)從2016年的大連向北推移超過400 km，遼寧丹東、撫順等多地發(fā)現(xiàn)疫情并發(fā)現(xiàn)新的寄主植物和媒介昆蟲；重點生態(tài)區(qū)位防控形勢十分嚴峻，三峽庫區(qū)疫情尚未得到根本扭轉，庫區(qū)腹地、秦巴山區(qū)多處出現(xiàn)新疫情；重點名勝地生態(tài)安全告急，疫情已逼近黃山和廬山核心風景區(qū)，松材線蟲病一旦發(fā)生，將會造成林業(yè)經(jīng)濟與生態(tài)的巨大損失。

2 松材線蟲入侵擴張的遺傳學基礎

入侵我國的松材線蟲種群之所以能夠形成向高海拔和高緯度低溫地域擴張的格局，除人為物流經(jīng)濟活動長距離運輸?shù)耐饨绛h(huán)境原因之外，還有松材線蟲本身具有內(nèi)在的遺傳機制和低溫適應的遺傳學基礎。

松材線蟲的祖先是自由生活的線蟲族Xylophilus，起源于歐亞大陸較寒冷的東部，曾棲息于闊葉樹[3]。之后，其祖先分化出寄生于針葉樹的擬松材線蟲Bursaphelenchusmucronatus并傳播至歐亞大陸其它地區(qū)以及美洲地區(qū)。最后在北美洲的Quebec，松材線蟲作為獨立的物種從擬松材線蟲種群中分化而出，并逐漸廣泛分布于北美洲，北至加拿大的Yukon Territory、Northwest Territories和Quebec等多個地區(qū)，中在美國的Pennsylvania、Kansas、West virginia和Florida等多個地區(qū)，南至墨西哥等國家均有分布，縱跨年均溫等溫線-20～20 ℃的國家和地區(qū)[4]，而我國位于年均溫-10～20 ℃之間的等溫線區(qū)域。因此，可以推測松材線蟲可以適生于我國的所有地區(qū)，包括年均溫0 ℃以下的北部地區(qū)和東北部地區(qū)。

松材線蟲的耐低溫和耐高溫研究表明，其具有很強的耐寒性和耐熱性。耐高溫實驗表明，松材線蟲可以在45 ℃高溫脅迫下存活時間長達210 min，能夠很好地適應極端高溫氣候[5]。松材線蟲在0 ℃以上，具有很強的適應能力，而對于0 ℃以下則表現(xiàn)出較低的適應性。但是通過低溫馴化，松材線蟲的耐寒性會顯著提高。在中國，南北方松材線蟲已經(jīng)形成差異進化。面對低溫，陜西省和山東省等北方松材線蟲種群表現(xiàn)出較強的耐寒性，而廣東省和廣西省等南方種群的耐寒性相對較低。同時繁殖力測定也表現(xiàn)出南北方種群的差異，北方松材線蟲種群在25 ℃下繁殖力要高于南方種群，而在較高溫區(qū)(28～30 ℃)，南方種群具有較高的繁殖力。此結果說明松材線蟲已經(jīng)在繁殖力和耐寒性方面形成了南北方的種群差異，發(fā)生了適應性的進化。另一方面，對松材線蟲進行溫度測試，結果表明，隨著低溫馴化時間的延長，松材線蟲的耐寒能力會顯著提高，并且松材線蟲體內(nèi)甘油、葡萄糖及海藻糖的含量也顯著提高[6]。

松材線蟲種群的多樣性研究表明，入侵地中國松材線蟲種群的多樣性高于原產(chǎn)地美國。根據(jù)遺傳距離構建系統(tǒng)發(fā)育樹，中國種群與日本種群的親緣關系比與美國種群的關系更為接近[5]。對不同致病性、繁殖力的種群基因組、轉錄組的研究表明，不同種群之間的基因組多態(tài)性有很大的差異，在不同毒力種群比較中，存在238個轉錄本和84 個外顯子的顯著性變化[7-8]，并且松材線蟲的入侵地種群繁殖能力顯著性地高于原產(chǎn)地種群繁殖能力，入侵地種群的種群年齡組成更偏向于較多的低齡幼蟲，從而使年齡構成更趨向于正三角，更加有利于種群的繁殖[9]。

關于松材線蟲耐寒性機制，研究較多的是熱激蛋白(Hsp)、硬脂酰輔酶A去飽和酶(SCD)以及滯育形成基因(daf)等。熱激蛋白是松材線蟲抵抗如高溫、低溫等逆境的應激蛋白。將松材線蟲Hsp-1基因導入原核細胞表達后，此原核細胞耐受高溫的能力顯著高于對照組，同時發(fā)現(xiàn)無論是冷刺激還是熱刺激，Hsp-1基因的表達量均隨時間呈上升趨勢，表明松材線蟲Hsp-1基因在松材線蟲抵抗溫度逆境中起到了一定的作用[10]。松材線蟲在低溫條件下，會進行脂肪的積累和形態(tài)的改變，進而抵抗不利環(huán)境并進行傳播擴散。對松材線蟲SCD基因的研究表明，在低溫條件下，SCD基因會大量表達。同時，松材線蟲體內(nèi)的脂肪含量也會顯著性升高，說明松材線蟲SCD基因有助于其在低溫條件下進入滯育狀態(tài)并存活[11]。當松材線蟲在不利條件下，進入滯育過程，上游信號通路Insulin和TGF-β信號通路參與調控。在低溫條件下，daf-3,daf-12,daf-16-1呈現(xiàn)上調表達趨勢，而daf-9和daf-16-2呈現(xiàn)下調表達趨勢。研究表明，daf-3，daf-9，daf-12，daf-16-1和daf-16-2對于松材線蟲的脂肪積累具有負調控作用[12]。

另外，松材線蟲不僅具有低溫自然選擇下的適應性基因變異，而且也具有適應低溫的中性變異基因儲備及應對低溫等惡劣環(huán)境的基因表達能力和繁殖策略[13]。松材線蟲所具有的適應和進化能力源自于在松材線蟲基因組中存在更多可供表觀遺傳修飾的位點，這些位點受外界環(huán)境的影響發(fā)生表觀遺傳修飾，調控相關適應性基因的開啟和關閉，從而為松材線蟲提供較強的主動適應外界環(huán)境的能力，并且這種對環(huán)境的適應能力可以遺傳給其后代[14-16]。不同的外界環(huán)境脅迫會導致不同的基因位點發(fā)生表觀遺傳修飾[17]。當松材線蟲持續(xù)應對同一外界環(huán)境脅迫時，同一位點會頻繁地發(fā)生表觀遺傳修飾。表觀遺傳修飾的過程會導致其所調控的適應性基因發(fā)生中性突變的概率高于其它位點基因，從而加速以自然選擇為基礎的適應性進化過程，使得松材線蟲獲得快速適應環(huán)境脅迫的變異和進化能力。

因此，可以推測松材線蟲具有抵抗高低溫的遺傳基礎，能夠適應北美洲和亞洲等全球的低、中、高溫。當松材線蟲進入新的溫區(qū)后，能夠調動其表型可塑性，適應當?shù)氐臍夂驐l件，在長期的表型可塑性刺激下，形成了可穩(wěn)定遺傳的變異，完全適應新的環(huán)境，可以在幾個小時之內(nèi)被人類從炎熱的熱帶攜帶傳播至寒冷的中溫帶后迅速地適應低溫環(huán)境而生存繁殖，迅速擴張，暴發(fā)成災。

3 松材線蟲擴散流行的生物學基礎

松材線蟲被人類攜帶至一個新的地區(qū)，能夠快速擴散流行并造成危害，是因為存在松材線蟲擴散流行的生物學基礎，即寄主植物和媒介昆蟲種類多且分布廣。據(jù)報道，松材線蟲可以侵染106種植物，其中大部分為松屬Pinus植物，也可侵染落葉松屬Larix、雪松屬Cedrus、云杉屬Picea和黃杉屬Pseudotsuga以及冷杉屬Abies植物。在這106種可寄生的樹種中，自然感病的60種，人工接種感病的46種[18]。松材線蟲入侵我國后，熱帶和亞熱帶的馬尾松P.massoniana、思茅松P.kesiyavar.langbianensis，暖溫帶的黑松P.thunbergii、油松P.tabulaeformis及華山松P.armandii，中溫帶的紅松P.koraiensis、油松先后被自然侵染發(fā)生病害流行。這些自然感病的松樹種類基本代表了我國的主要松樹。同時，研究表明，來源于這些自然感病松樹的不同松材線蟲種群存在著因寄主松樹不同的基因變異[19-21]。因此，可以認為，我國的所有松樹種類幾乎均可被松材線蟲侵染，并在適宜的生態(tài)條件下發(fā)生病害的流行。我國松科Pinaceae植物由南至北的分布為云南松P.yunnanensis、馬尾松、黃山松P.taiwanensis、白皮松P.bungeana、華山松、黑松、赤松P.densiflora、油松、紅松、樟子松P.sylvestrisvar.mongolica和落葉松Larixgmelinii等[22]，這些松樹中，在感染地區(qū)分布的均已感染，正在感染的有紅松等，受到嚴重威脅的有樟子松和落葉松等。已有研究表明，樟子松和日本落葉松L.kaempferi人工接種可以感病，且在自然條件下，歐洲落葉松L.decidua和美加落葉松L.americana均可感病[23]。因此，在我國華北、東北和內(nèi)蒙古等多地廣泛分布的樟子松和落葉松將受到嚴重威脅。

松材線蟲的媒介昆蟲種類多樣化。全球目前已知能夠攜帶松材線蟲的昆蟲有46種，其中天?？?7種(墨天牛屬Monochamus17種，其他屬20種)[18]。在中國，能夠攜帶松材線蟲的昆蟲有14種，分別是松褐天牛Monochamusalternatus、云杉花墨天牛M.Saltuarius、云杉小墨天牛M.Sutor、小灰長角天牛Acanthocinusgriseus、臺灣長角天牛A.gundaiensis、墨幽天牛Arhopalusrusticus、桃紅頸天牛Aromiabungii、條紋幽天牛Asemumstriatum、黑角散花天牛Corymbiasuccedanea、短角幽天牛Spondylisbuprestoides、雙斑泥色天牛Uraechabimaculata、角脛象Shirahoshizosp.、松縱坑切梢小蠹Tomicuspiniperda、黑翅土白蟻Odontotermesformosanus，其中作為傳播媒介的有3種，分別是松褐天牛、云杉花墨天牛和云杉小墨天牛[24-25]。近年來，繼在秦嶺高海拔低溫疫點發(fā)現(xiàn)非墨天牛屬的疑似媒介昆蟲松刺脊天牛Dystomorphusnotatus后[21]，在南亞季風控制的亞熱帶以及暖溫帶和中溫帶，一些新的媒介昆蟲和疑似媒介昆蟲不斷被發(fā)現(xiàn)。

松褐天牛廣泛分布在我國的熱帶和亞熱帶以及溫帶地域[26]，幾乎覆蓋了我國所有地域，主要危害馬尾松、冷杉A.fabri、云杉P.asperata、落葉松、油松、雪松Cedrusdeodara、紅松和黑松等[27]。云杉花墨天牛分布在我國的山東、甘肅、河北、遼寧、吉林、黑龍江等地，主要危害云杉等[28-29]；云杉小墨天牛主要分布在我國的山東、青海、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林和黑龍江等地，主要危害云杉、冷杉、興安落葉松、赤松、紅松和樟子松等。我國絕大部分地區(qū)均有1～3種松材線蟲傳播媒介，其中山東、遼寧和吉林均有3種主要傳播媒介。這些寄主、媒介昆蟲的多樣性和廣泛分布形成了松材線蟲廣泛擴散流行的生物學基礎。

綜上所述，基于①熱帶和亞熱帶部分地區(qū)成為疫區(qū)后，松材線蟲逐步入侵暖溫帶，近年突破年均溫10 ℃線擴張至遼寧等中溫帶和秦嶺等高海拔區(qū)域；②松材線蟲祖先起源于歐亞大陸較寒冷的東部，作為獨立種在北美洲的Quebec分化而出，廣泛分布于北美寒冷地域；③松材線蟲存在適應低溫的中性變異基因儲備，也具有低溫自然選擇下的適應性基因變異和應對低溫等惡劣環(huán)境的基因表達能力和繁殖策略；④松材線蟲具有適應外界環(huán)境氣候變化的生態(tài)響應能力和表觀遺傳修飾能力；⑤松材線蟲的寄主植物和媒介昆蟲在中國廣泛豐富存在；⑥在全球范圍內(nèi)，以我國為中心的物流通徑增加、通量增大和速度加快等因素分析，松材線蟲入侵擴張的趨勢是幾乎所有氣候帶的絕大多數(shù)松林生態(tài)系統(tǒng)都有可能被松材線蟲侵染，包括我國的河北、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林和黑龍江等地，尤其是遼寧、吉林和內(nèi)蒙古面臨松材線蟲入侵擴張的高風險，北京和天津處在包圍之中，中溫帶是當前防控的前線，形勢危急嚴峻。建議加強監(jiān)測預警和迅速開展應急防控技術研究。