烏桕對南方根結(jié)線蟲與地上不同食性昆蟲互作的光合生理響應

劉亞珍 項瑤 郭文鋒 高旭 李曉瓊

摘要 ：本文通過比較烏桕對兩種地上不同食性昆蟲（專食性癩皮夜蛾、廣食性斜紋夜蛾）與南方根結(jié)線蟲互作的光合生理響應，分析不同空間植食性生物間的互作關系及植物的響應機制。結(jié)果表明：無南方根結(jié)線蟲脅迫下，2種地上不同食性昆蟲對烏桕的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）及胞間CO2濃度（Ci）的影響與對照組無顯著差異;而南方根結(jié)線蟲脅迫下，2種地上昆蟲顯著降低了烏桕Gs及Ci。其中，與對照組及癩皮夜蛾處理組相比，南方根結(jié)線蟲與斜紋夜蛾的共同脅迫顯著降低了烏桕Pn、Gs及Ci。此外，斜紋夜蛾為害增加了烏桕葉綠素含量，南方根結(jié)線蟲脅迫降低了葉綠素含量。因此，南方根結(jié)線蟲與斜紋夜蛾間形成一種加性效應，并對烏桕光合生理產(chǎn)生了拮抗效應，而這種效應在南方根結(jié)線蟲與癩皮夜蛾間并不顯著。由此可見，烏桕對地上地下植食性生物脅迫形成不足補償機制，且具體的響應機制與植食性生物的食性相關。

關鍵詞 ：植食性生物互作;?專食性;?廣食性;?光合生理;?葉綠素

中圖分類號：

S 433

文獻標識碼：?A

DOI：?10.16688/j.zwbh.2018473

Photosynthetic physiology responses of Sapium sebiferum to the interactions between

Meloidogyne incognita and aboveground herbivores with different diet breadths

LIU Yazhen1，?XIANG Yao1，?GUO Wenfeng2，?GAO Xu1，?LI Xiaoqiong1，3

（1. Guangxi Key Laboratory of Forest Ecology and Conservation， Forestry College， Guangxi University， Nanning?530005， China;

2. Guangxi Crop Genetic Improvement and Biotechnology Laboratory， Nanning?530007， China;

3. Guangxi Youyiguan Forest Ecosystem Research Station， Pingxiang?532600， China）

Abstract

To compare the interactive patterns of herbivores from different spaces and plant response mechanisms， the photosynthetic physiology responses of Sapium sebiferum to the interactions between two aboveground herbivores with different diet breadths （the specialist Gadirtha inexacta and the generalist Spodoptera litura） and Meloidogyne incognita were compared. The results showed that， without M.incognita herbivory， there was no significant differences in the net photosynthetic rate （Pn）， stomatal conductance （Gs） and intercellular CO2 concentration （Ci） of S.sebiferum among the two aboveground herbivores and the control. With the presence of M.incognita， the two aboveground herbivores significantly reduced the Gs and Ci of S.sebiferum. Compared with the control and the G.inexacta herbivory， the synergistic herbivory by M.incognita and S.litura significantly reduced Pn， Gs and Ci. Furthermore， S.litura herbivory increased the chlorophyll content， while M.incognita significantly decreased the chlorophyll content of S.sebiferum. Therefore， M.incognita and S.litura exerted an additive effect on each other， resulting in an antagonistic effect on the photosynthetic physiology of S.sebiferum. However， this pattern was not found between M.incognita and G.inexacta. Therefore， S.sebiferum formed an insufficient compensation mechanism to respond above?and below?ground herbivore interactions， and the specific responses are closely related to the diet breadths of herbivores.

Key words

herbivore interactions;?specialist;?generalist;?photosynthetic physiology;?chlorophyll

在一定的植食性生物密度和為害范圍內(nèi)，植物光合生理具有一定的自然補償能力。被植食性生物取食后，植物主要表現(xiàn)出三種補償機制：植食性生物為害對植物生長有害即不足補償[1];被植食性生物取食植物不受影響即完全補償[2];植食性生物取食利于植物生長即超越補償[3]。被某些病蟲害侵染后植物光合作用增強，如Essigella californica取食輻射松Pinus radiata[4];相反地，被某些病蟲害侵染使植物光合作用降低[5]，如日本金龜子Popillia japonica取食大豆Glycine max[5]、二斑葉螨Tetranychus urticae為害棉花Gossypium spp.[6]。植物介導的地上地下植食性生物互作在塑造植食性生物群落動態(tài)和群落結(jié)構中具有重要作用[78]。此外，植食性生物的食性也是影響植物?植食性生物互作的重要因素[89]。然而，已有的研究多集中于單一空間/食性下植食性生物對植物光合生理的影響[10]，鮮少涉及地上地下植食性生物互作及來自不同空間植食性生物對植物光合生理的影響[1112]。

烏桕Sapium sebiferum隸屬大戟科Euphorbiaceae烏桕屬Sapium，落葉喬木，觀賞價值高，是重要的藥用材料和化工原料[1314]。為害烏桕的植食性生物種類繁多[15]，常見的有專食性癩皮夜蛾Gadirtha inexacta、烏桕卷象Apoderus bicallosicollis，廣食性油桐尺蠖Buzura suppressaria、斜紋夜蛾Spodoptera litura等地上植食性生物及南方根結(jié)線蟲Meloidogyne incognita等地下植食性生物[1516]。這些地上、地下植食性生物時常同時發(fā)生，共同對烏桕的生長造成危害。Huang等[17]發(fā)現(xiàn)紅胸律點跳甲Bikasha collaris地上成蟲促進地下同種幼蟲的存活，而幼蟲的存在抑制了成蟲的存活。而Li 等[18]研究發(fā)現(xiàn)有地下昆蟲存在時，烏桕卷象的取食和紅胸律點跳甲的存活率都顯著降低。研究地上、地下植食性生物互作對烏桕光合生理的影響，能深入了解烏桕生理生態(tài)響應機制，為今后更好地開發(fā)利用烏桕及其蟲害防治提供理論依據(jù)。然而，以往這方面的研究較少。因此，本研究通過比較地上2種不同食性植食性生物（專食性癩皮夜蛾、廣食性斜紋夜蛾）與南方根結(jié)線蟲互作下烏桕的光合生理響應，以揭示地上地下植食性生物互作機制，進一步闡明植物對地上地下植食性生物互作的生理響應機理。

1?材料與方法

1.1?供試材料的準備

所有供試苗木均為烏桕幼苗。烏桕種子于廣西桂林植物研究所內(nèi)采集，參照劉亞珍等[19]的方法對烏桕種子進行層積處理。2017年6月初，將種子放于裝有體積為50%壤土和50%草炭土的苗盤，在廣西大學林學院實驗基地溫室內(nèi)育苗。7月底，選擇生長狀況良好、長勢一致的烏桕幼苗移栽到裝有50%壤土和50%草炭土的滅菌土壤的花盆中，每盆1株。植物隨機擺放，為隔絕其他昆蟲取食，用80目尼龍網(wǎng)罩（高100 cm，直徑27 cm）罩住整個植株。試驗采用全因子設計，即地上3種處理（癩皮夜蛾、斜紋夜蛾、對照）×地下2種處理（南方根結(jié)線蟲、無線蟲），共6個處理，每處理5次重復，共30盆植物。

試驗所需癩皮夜蛾和斜紋夜蛾均在野外大發(fā)生時采集，并在實驗室內(nèi)進行人工飼養(yǎng)，以獲得蟲齡一致的2齡幼蟲進行試驗。南方根結(jié)線蟲在番茄苗根部進行擴繁，備用。

1.2?地上、地下植食性生物取食處理

南方根結(jié)線蟲懸浮液的配制參考劉維志[20]的方法，2齡幼蟲的濃度為2 000頭/mL。線蟲接種參照劉亞珍等[19]的方法，向南方根結(jié)線蟲處理組加入2 mL上述南方根結(jié)線蟲懸浮液，同時在無線蟲組加入2 mL無菌水。

1個月后，選取根部有10個左右明顯根結(jié)、長勢一致的烏桕幼苗開展試驗。在對應的地上不同食性昆蟲處理組放置1頭癩皮夜蛾或斜紋夜蛾2齡幼蟲，連續(xù)取食7 d后移走。每隔20 d，重復進行1次地上昆蟲取食處理，共取食3次。地上昆蟲取食處理結(jié)束7 d后，進行烏桕光合生理測定。

1.3?測定指標及方法

光合指標：用Li?6400便攜式光合測定儀，選取被測植株頂端完全展開且正常生長的第3～5片葉進行光合指標測定。設定光照強度（PAR）為1 500 μmol/（m2·s），測定時間為08∶00-18∶00，測定指標包括凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci），并計算水分利用效率（WUE=Pn/Tr）。

光合?光響應測定：利用Li?6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)測定光合?光響應曲線。光合有效輻射設定為0、50、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 500 μmol/（m2·s）。采用非直角雙曲線模型[21]，結(jié)合一般線性模型對光響應曲線進行擬合，得到最大凈光合速率（Pmax）、暗呼吸速率（Rd）、表觀光合量子效率（φ），并計算光飽和點（LSP）及光補償點（LCP）。

葉綠素含量：使用便攜式葉綠素測定儀（SPAD?502 plus），測定烏桕葉片葉綠素含量，每株烏桕重復測定4次，取平均值。

1.4?分析統(tǒng)計

采用雙因素方差分析比較地上不同食性昆蟲及南方根結(jié)線蟲脅迫對烏桕葉片光合能力的影響，將地下植食性生物處理（南方根結(jié)線蟲、無線蟲）、地上不同食性昆蟲處理（癩皮夜蛾、斜紋夜蛾、對照）作為固定因素，并考慮二者的交互效應。對差異顯著的因變量，再采用Student?Newman?Keuls法進行多重比較。所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 20.0 進行統(tǒng)計，并用Sigmaplot 12.5 繪圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?地上不同食性昆蟲及地下南方根結(jié)線蟲對烏桕光合指標的影響

地上昆蟲與南方根結(jié)線蟲互作顯著影響烏桕Pn（F2，24=3.833，P=0.036）（表1）。無南方根結(jié)線蟲脅迫時，地上2種不同食性昆蟲對烏桕Pn的影響與對照組間無顯著差異;有南方根結(jié)線蟲脅迫時，癩皮夜蛾處理組烏桕Pn顯著高于斜紋夜蛾處理組，與對照組間無顯著差異，斜紋夜蛾處理組烏桕Pn與對照組間也無顯著差異（圖1a）。

南方根結(jié)線蟲處理（F1，24=7.587，P=0.011）及地上昆蟲與南方根結(jié)線蟲互作（F2，24=3.427，P=0.049）對烏桕Gs有顯著影響（表1）。南方根結(jié)線蟲與斜紋夜蛾協(xié)同脅迫下的烏桕Gs顯著低于斜紋夜蛾單獨脅迫，而其他5種地上地下取食處理（癩皮夜蛾×無線蟲、斜紋夜蛾×無線蟲、對照×無線蟲、南方根結(jié)線蟲×癩皮夜蛾，南方根結(jié)線蟲×對照）間的烏桕Gs不存在顯著差異（圖1b）。

南方根結(jié)線蟲處理（F1，24=10.724，P=0.003）及地上昆蟲與南方根結(jié)線蟲互作（F2，24=3.544，P=0.045）對烏桕Ci有顯著影響（表1）。有南方根結(jié)線蟲脅迫時，斜紋夜蛾處理組植株Ci顯著低于癩皮夜蛾處理組和對照組植株，而癩皮夜蛾處理組與對照組間不存在顯著差異;無南方根結(jié)線蟲脅迫時，地上2種不同食性昆蟲未對烏桕Ci造成顯著影響（圖1c）。

南方根結(jié)線蟲脅迫對烏桕Tr（F1，24=8.254，P=0.008）及WUE（F1，24=7.292，P=0.012）有顯著影響（表1）。在南方根結(jié)線蟲脅迫下，烏桕Tr顯著降低（圖2a），而烏桕WUE顯著增加（圖2b）。地上昆蟲脅迫及地上昆蟲與南方根結(jié)線蟲互作對烏桕Tr及WUE未造成顯著影響（表1）。

2.2?地上不同食性昆蟲及地下南方根結(jié)線蟲對烏桕光合生理指標的影響

南方根結(jié)線蟲脅迫對烏桕Pmax（F1，24=9.622，P=0.007）和LSP（F1，24=8.133，P=0.012）有顯著影響（表2）。南方根結(jié)線蟲脅迫顯著增大了烏桕Pmax（圖3a）和LSP（圖3b）。地上不同食性昆蟲及地上昆蟲與南方根結(jié)線蟲互作對烏桕Pmax和LSP無顯著影響（表2）。

1） 在P<0.05水平差異顯著的結(jié)果以加粗表示。下同。

Significant results with P value <0.05 are shown in bold. The same below.

2.3?地上不同食性昆蟲及南方根結(jié)線蟲對烏桕葉片葉綠素含量的影響

地上不同食性昆蟲（F2，24=4.513，P=0.023）及南方根結(jié)線蟲處理（F1，24=4.536，P=0.045）對烏桕葉片葉綠素含量有顯著影響（表3）。與對照組相比，斜紋夜蛾的取食顯著增加了烏桕葉片葉綠素含量，而癩皮夜蛾的取食未對烏桕葉片葉綠素含量產(chǎn)生顯著影響，且地上2個處理組間并無顯著差異（圖4a）。此外，南方根結(jié)線蟲脅迫顯著減少了烏桕葉片葉綠素含量（圖4b）。而地上昆蟲與南方根結(jié)線蟲互作（F2，24=0.540，P=0.591）并未對烏桕葉片葉綠素含量造成顯著影響（表3）。

3?討論

本研究發(fā)現(xiàn)，無南方根結(jié)線蟲脅迫情況下，地上不同食性昆蟲對烏桕Pn、Gs及Ci無顯著影響;而南方根結(jié)線蟲脅迫情況下，2種地上不同食性昆蟲均顯著降低了烏桕Gs及Ci。其中，與對照組及癩皮夜蛾處理組相比，南方根結(jié)線蟲與斜紋夜蛾的共同脅迫顯著降低了烏桕Pn、Gs及Ci。此外，斜紋夜蛾為害增加了烏桕葉綠素含量，南方根結(jié)線蟲脅迫降低了葉綠素含量。因此，南方根結(jié)線蟲與斜紋夜蛾間形成一種加性效應，從而對烏桕的光合生理產(chǎn)生了拮抗效應，而這種效應在南方根結(jié)線蟲與癩皮夜蛾間并不顯著，說明地上地下植食性生物互作類型受植食性生物食性的影響[19， 22]。類似地，Maron等研究發(fā)現(xiàn)為害地上花朵、種子的昆蟲與為害根部的蛀蟲對羽扇豆Lupinus micranthus種子形成拮抗效應[23];而劉亞珍等[19]發(fā)現(xiàn)地上地下害蟲互作對烏桕的生長及其生物量分配產(chǎn)生了加性效應。

地上地下植食性生物互作類型及植物的響應受植物種類及基因型[18， 24]的影響。本文中，南方根結(jié)線蟲與斜紋夜蛾的共同脅迫對烏桕光合生理產(chǎn)生拮抗作用，誘導烏桕形成不足補償機制。Wurst等[25]發(fā)現(xiàn)，一種地下金針蟲Agriotes sp.對北美車前草Plantago virginica不同基因型環(huán)烯醚萜苷類物質(zhì)產(chǎn)生不同的誘導響應，從而影響地上昆蟲的危害。蟲害脅迫后，植物通過自身生長以減弱植食性生物對自身生長發(fā)育的危害[26]。Kaplan等[27]發(fā)現(xiàn)取食煙草根部的線蟲因能阻止煙草防御性物質(zhì)生物堿的合成，而增加了葉面植食性毛蟲的危害，而毛蟲的取食誘導增加了煙草向根部的氮轉(zhuǎn)運，又增加了根部線蟲的危害水平。

植物對植食性生物脅迫的響應也受植食性生物食性[22]的影響。例如，Huang 等[28]和王毅[29]研究發(fā)現(xiàn)美國烏桕種群對專食性昆蟲的抗性降低，對廣食性昆蟲的抗性不變。植食性生物食性對植物生理生態(tài)光合特性也能產(chǎn)生很大影響[10， 30]。在本研究中，與對照組和癩皮夜蛾處理組相比，斜紋夜蛾為害顯著增加了烏桕葉片葉綠素含量。此外，植食性生物口器類型[9]也會對植物?植食性生物互作產(chǎn)生影響。越來越多的試驗表明，咀嚼式口器昆蟲主要誘導植物產(chǎn)生茉莉酸介導的防御，而刺吸式口器昆蟲則誘導水楊酸介導的植物響應[12， 31]。

葉綠素在植物光合作用吸收和傳遞光能過程中起重要作用。大部分研究發(fā)現(xiàn)病蟲害侵染后，植物葉綠素含量呈現(xiàn)降低趨勢[3234]。糖槭Acer saccharum被梨帶薊馬Taeniothrips inconsequens Uzel取食后葉綠素含量明顯降低[34];小蠹蟲侵染云南松Pinus yunnanensis Franch.后降低了其葉綠素含量[33]。相反地，藍桉Eucalyptus globulus遭受蟲害后，葉片葉綠素含量反而增加[35];郭素民發(fā)現(xiàn)喜旱蓮子草Alternanthera philoxeroides在受到害蟲脅迫后，其葉綠素含量明顯升高[36]。而本研究中，廣食性斜紋夜蛾取食顯著增加了烏桕葉片葉綠素含量，而南方根結(jié)線蟲脅迫顯著減少了烏桕葉片葉綠素含量，說明植物對不同食性植食性生物脅迫已進化出了不同的響應機制。此外，植物的適應性[37]、病蟲害的為害程度及為害持續(xù)時間[38]均對植物光合作用機制產(chǎn)生影響。

本文研究發(fā)現(xiàn)，烏桕對地上地下植食性生物的脅迫產(chǎn)生不足補償機制，且與植食性生物的食性及種類相關。因此，研究不同空間植食性生物互作下植物的光合生理特性，能深入了解其生理生態(tài)響應策略，闡明植物植食性生物互作及協(xié)同進化機制，并為植物病蟲害防御提供理論依據(jù)[10，23，27]。

參考文獻

[1]?GARCA I， MENDOZA R. Impact of defoliation intensities on plant biomass， nutrient uptake and arbuscular mycorrhizal symbiosis in Lotus tenuis growing in a saline?sodic soil [J]. Plant Biology， 2015， 14（6）：964971.

[2]?JULIEN M H， BOURNE A S. Compensatory branching and changes in nitrogen content in the aquatic weed Salvinia molesta in response to disbudding [J]. Oecologia， 1986， 70（2）：250257.

[3]?盛承發(fā). 生長的冗余—作物對于蟲害超越補償作用的一種解釋[J]. 應用生態(tài)學報， 1990， 1（1）：2630.

[4]?EYLES A， SMITH D， PINKARD E A， et al. Photosynthetic responses of field?grown Pinus radiata trees to artificial and aphid?induced defoliation [J]. Tree Physiology， 2011， 31（6）：592603.

[5]?ALDEA M， HAMILTON J G， RESTI J P， et al. Indirect effects of insect herbivory on leaf gas exchange in soybean [J]. Plant Cell & Environment， 2010， 28（3）：402411.

[6]?REDDALL A， SADRAS V O， WILSON L J， et al. Physiological responses of cotton to two?spotted spider mite damage [J]. Crop Science， 2004， 44（3）：835846.

[7]?FORISTER M L， WILSON J S. The population ecology of novel plant?herbivore interactions [J]. Oikos， 2013， 122（5）：657666.

[8]?HUANG Wei， SIEMANN E， LI Xiao， et al. Species?specific defence responses facilitate conspecifics and inhibit heterospecifics in above?belowground herbivore interactions [J]. Journal of Comparative Physiology， 2014， 197（11）：1031?1042.

[9]?JOHNSON S N， CLARK K E， HARTLEY S E， et al. Aboveground?belowground herbivore interactions： a meta?analysis [J]. Ecology， 2012， 93（10）：22082215.

[10]ZOU J， ROGERS W E， SIEMANN E. Differences in morphological and physiological traits between native and invasive populations of Sapium sebiferum [J]. Functional Ecology， 2010， 21（4）：721730.

[11]ALI J G， AGRAWAL A A. Specialist versus generalist insect herbivores and plant defense [J]. Trends in Plant Science， 2012， 17（5）：293302.

[12]SOLER R， ERB M， KAPLAN I. Long distance root?shoot signalling in plant?insect community interactions [J]. Trends in Plant Science， 2013， 18（3）：149156.

[13]張均.淺析烏桕的開發(fā)利用[J].林業(yè)科技通訊，2007，35（3）：2603.

[14]陳景震，張良波，李培旺.烏桕開發(fā)利用研究進展[J].湛江師范學院學報，2012，33（3）：111113.

[15]張家亮，王毅，丁建清.烏桕害蟲名錄[J].中國森林病蟲，2015，34（5）：2535.

[16]洪承昊，陳京元，查玉平.烏桕主要害蟲及防治策略[J].湖北林業(yè)科技，2010（6）：6567.

[17]HUANG Wei， SIEMANN E， YANG Xuefang， et al. Facilitation and inhibition： changes in plant nitrogen and secondary metabolites mediate interactions between aboveground and belowground herbivores [J].Proceedings Biological Sciences，2013，280（1767）： 20131318.

[18]LI Xiaoqiong， GUO Wenfeng， SIEMANN E， et al. Plant genotypes affect aboveground and belowground herbivore interactions by changing chemical defense [J]. Oecologia， 2016， 182（4）：11071115.

[19]劉亞珍， 覃志偉， 項瑤， 等. 天敵互作對烏桕生長及生物量的影響[J]. 西南林業(yè)大學學報（自然科學）， 2018， 38（1）：196201.

[20]劉維志. 植物病原線蟲學[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社， 2000.

[21]葉子飄， 于強. 光合作用光響應模型的比較[J]. 植物生態(tài)學報， 2008， 32（6）：13561361.

[22]KAPLAN I， SARDANELLI S， DENNO R F. Field evidence for indirect interactions between foliar?feeding insect and root?feeding nematode communities on Nicotiana tabacum [J]. Ecological Entomology， 2010， 34（2）：262270.

[23]MARON J L， SIMMS E L. Rodent?limited establishment of bush lupine： field experiments on the cumulative effect of granivory [J]. Journal of Ecology， 2010， 89（4）：578588.

[24]HUANG Wei， DING Jianqing. Effects of generalist herbivory on resistance and resource allocation by the invasive plant， Phytolacca americana [J]. Insect Science， 2016， 23（2）：191199.

[25]WURST S， VAN DAM N M， MONROY F， et al. Intraspecific variation in plant defense alters effects of root herbivores on leaf chemistry and aboveground herbivore damage [J]. Journal of Chemical Ecology， 2008， 34（10）：13601367.

[26]STRAUSS S Y， AGRAWAL A A. The ecology and evolution of plant tolerance to herbivory [J]. Trends in Ecology & Evolution， 1999， 14（5）：179?185.

[27]KAPLAN I， HALITSCHKE R， KESSLER A， et al. Physiological integration of roots and shoots in plant defense strategies links above?and belowground herbivory [J]. Ecology Letters， 2008， 11（8）：841851.

[28]HUANG Wei， SIEMANN E， GREGROYS S， et al. Resource allocation to defence and growth are driven by different responses to generalist and specialist herbivory in an invasive plant[J]. Journal of Ecology， 2010， 98（5）：11571167.

[29]王毅. 外來入侵植物防御昆蟲能力的進化——以烏桕為例[D].北京： 中國科學院研究生院， 2012.

[30]PATTISON R R， GOLDSTEIN G， ARES A. Growth， biomass allocation and photosynthesis of invasive and native Hawaiian rainforest species [J].Oecologia，1998，117（4）：449459.

[31]TOG T， KJF V， JANSEN J J， et al. Correction： plants know where it hurts： root and shoot Jasmonic acid induction elicit differential responses in Brassica oleracea [J/OL]. PLoS ONE， 2013， 8（6）：e65502.