模擬增溫和叢枝菌根對門源草原毛蟲幼蟲生長發(fā)育的影響

陳珂璐,石國璽,張中華,姚步青,馬 真,王文穎,周華坤,*,趙新全

1 中國科學(xué)院西北高原生物研究所,青海省寒區(qū)恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 8100082 天水師范大學(xué),生物工程與生物技術(shù)學(xué)院,天水 4730613 青海大學(xué),高原生態(tài)與農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 8100014 青海師范大學(xué),生命與地理科學(xué)學(xué)院,西寧 8100085 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

當(dāng)前,植食性昆蟲對于氣候變暖的響應(yīng)已成為深入了解全球變暖對地球生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜影響的關(guān)鍵和熱點(diǎn)問題之一。氣候變暖對于植食性昆蟲的影響,主要通過調(diào)節(jié)昆蟲和植物的代謝水平平衡、昆蟲所取食植物的生長-分化平衡以及昆蟲來實(shí)現(xiàn)[1]。此外,昆蟲天敵、第二營養(yǎng)級其他生物和地下生物也會對上述過程產(chǎn)生復(fù)雜影響[2-3]。氣候變化對植食性昆蟲的作用,是由上述多個(gè)生態(tài)過程相互作用所產(chǎn)生的的綜合結(jié)果。

門源草原毛蟲(Gynaephoramenyuanensis)是青藏高原東北部的特有物種[4]。該物種一個(gè)世代周期為1年,共經(jīng)歷幼蟲期、蛹期、成蟲期以及卵期4個(gè)發(fā)育階段。此外,這一物種在發(fā)育過程中表現(xiàn)出性二型性,其雌雄幼蟲的發(fā)育齡期分別為7齡和6齡,且自6齡開始,雌性幼蟲個(gè)體的體重、體長、頭寬等形態(tài)指標(biāo)開始大于雄性個(gè)體,另外,其成蟲在形態(tài)和習(xí)性等方面均有明顯差異[4]。門源草原毛蟲是一種完全變態(tài)昆蟲,其一齡幼蟲以滯育狀態(tài)進(jìn)行越冬,每年3月中下旬結(jié)束滯育成為二齡幼蟲并開始活動,至7月份,其雄性個(gè)體完成六齡發(fā)育開始化蛹,雌性個(gè)體繼續(xù)發(fā)育經(jīng)第7個(gè)齡期后進(jìn)入蛹期,8月中旬以后破蛹成蟲,9月中旬前完成交配產(chǎn)卵,10月中旬左右一齡幼蟲孵化隨即進(jìn)入滯育狀態(tài)越冬[4]。門源草原毛蟲是多食性昆蟲,喜食禾草類和莎草類植物葉片,其食譜隨生長發(fā)育及密度增長有所擴(kuò)大[5]。鑒于上述特性,門源草原毛蟲可被作為氣候變暖背景下生物適應(yīng)性研究的模式物種。

叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza fungi,AMF) 可通過宿主植物獲取其生長發(fā)育所必須的碳水化合物,作為回報(bào),AM真菌則幫助植物吸收磷、氮等礦質(zhì)元素[6]。以往的研究表明它們能夠通過宿主植物對食草動物產(chǎn)生影響[7- 8]。然而目前還沒有關(guān)于AMF和增溫對植食性昆蟲綜合影響的研究,為填補(bǔ)這一空白,進(jìn)一步挖掘AMF在陸地生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對氣候變暖過程中發(fā)揮的作用,我們以門源草原毛蟲為研究對象,通過模擬增溫和殺菌劑抑制AMF侵染,于青藏高原高寒矮嵩草草甸進(jìn)行了野外試驗(yàn),擬回答以下問題：1)增溫對于門源草原毛蟲幼蟲的生長發(fā)育有何影響；2)叢枝菌根對門源草原毛蟲幼蟲生長發(fā)育有何影響；3)叢枝菌根是否能夠調(diào)節(jié)增溫對于門源草原毛蟲幼蟲的影響？

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域

本研究野外工作部分在中國科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站(以下稱“海北站”)附近草地進(jìn)行。該站位于青藏高原東北部,祁連山南麓,地理坐標(biāo)為37°29′—37°45′N,101°12′—101°23′E,平均海拔3200 m。站區(qū)屬高原大陸性氣候,季風(fēng)微弱,空氣稀薄,年平均氣壓為691 hPa,年均大氣密度為0.8496 kg/m3[9],植被為高寒矮嵩草草甸,其優(yōu)勢種以垂穗披堿草(Elymusnutans)、早熟禾(Poaspp.)、異針茅(Stipaaliena)等禾草和莎草類植物為主,平均植被覆蓋率達(dá)到95%[9]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本試驗(yàn)采用增溫與AMF控制相耦合的兩因素兩水平設(shè)計(jì),共4個(gè)處理：不增溫不施用殺菌劑(No warming×No fungicide,NWNF)、不增溫施用殺菌劑(No warming×Fungicide,NWF)、增溫不施用殺菌劑(Warming×No fungicide,WNF)、增溫施用殺菌劑(Warming×Fungicide,WF),每個(gè)處理組設(shè)置5個(gè)重復(fù),所有試驗(yàn)均于花盆中進(jìn)行。于2016年3月將草地植被原位移栽到規(guī)格為直徑32 cm×高23 cm的花盆中,每個(gè)花盆上安裝一個(gè)直徑30 cm,高60 cm的扣籠。扣籠由粗鐵絲制成的框架并罩以孔隙大小為0.2 mm×0.2 mm的細(xì)鋼絲網(wǎng)構(gòu)成,用以限制門源草原毛蟲幼蟲的活動范圍,避免毛蟲的丟失。

本試驗(yàn)采用開頂式增溫室(Open top chamber,OTC)進(jìn)行模擬增溫,規(guī)格為高度0.40 m,底部直徑1.15 m,頂部直徑0.70 m[10]。增溫效果已在我們先前的研究中有過報(bào)道[11]。

叢枝菌根控制處理通過苯菌靈殺菌劑實(shí)現(xiàn)。苯菌靈對叢枝菌根能夠產(chǎn)生有效的抑制作用,并且對其他種類的生物影響較小,被廣泛應(yīng)用于叢枝菌根研究中[12-13]。于實(shí)驗(yàn)開始后每隔5天向花盆中施用0.5 L濃度為2 g/L的苯菌靈溶液一次,對照組施用等體積清水。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測定

為了檢驗(yàn)苯菌靈對AMF侵染的抑制效果,于2016年10月用環(huán)刀對花盆內(nèi)土壤進(jìn)行取樣,每個(gè)花盆取直徑2.5 cm×深度14 cm的土壤三份并混合,將上述樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后參照劉潤進(jìn)等[14]的方法進(jìn)行預(yù)處理。

隨機(jī)挑選上述已處理的根段于潔凈載玻片上并加蓋蓋破片后測定根斷侵染率,每個(gè)處理測定5次,每次選取5個(gè)根段,其侵染率均值作為該重復(fù)內(nèi)的菌根侵染率[14]。

2016年3月下旬開始,每天在試驗(yàn)區(qū)域附近盡可能多地采集剛剛結(jié)束越冬的幼蟲,于4月3日采集到足夠進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)量的幼蟲,逐個(gè)稱量后選取體重近似相等的個(gè)體放入上述花盆內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),每個(gè)花盆放5只幼蟲,于7月上旬,幼蟲化蛹前,對其體重進(jìn)行稱量。生長速率(Growth rate,GR)按如下公式計(jì)算：

GR=(M2-M1)/D

式中,GR表示生長速率,M2為第二次測量體重,M1為初次測量體重,D為兩次測量相隔天數(shù),上述測量體重均為鮮重。

在上述稱量操作完成后,觀察并記錄幼蟲的蛹化時(shí)間直至所有幼蟲完成化蛹。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用廣義線性模型對所得數(shù)據(jù)做了兩因素方差分析,在有交互作用的情況下運(yùn)用Tukey HSD對各組間的均值進(jìn)行比較,對交互作用不明顯的指標(biāo),采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對其進(jìn)行均值比較。所有分析及統(tǒng)計(jì)圖形的制作均使用IBM SPSS Statistics 22和Microsoft office Excel 2013軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 苯菌靈對叢枝菌根的抑制效果

苯菌靈顯著地抑制了AMF對高寒矮嵩草草甸植物根系的侵染(F=57.373,P<0.001,表1)。相比未使用滅菌劑的處理組而言,苯菌靈使得AMF侵染率降低了29%(圖1)。本試驗(yàn)中的增溫處理對上述抑制作用不構(gòu)成干擾(表1)。

表1 增溫和叢枝菌根抑制對試驗(yàn)指標(biāo)影響的方差分析

W:增溫,Warming; F:殺菌劑,Fungicide; W×F:增溫和殺菌劑,Warming and fungicide

2.2 增溫和叢枝菌根抑制對門源草原毛蟲幼蟲生長發(fā)育的影響

對照組(不增溫不施用苯菌靈)、增溫、叢枝菌根抑制(施用苯菌靈)、增溫×叢枝菌根抑制組的門源草原毛蟲幼蟲生長速率分別為1.63、2.17、1.57、1.88 mg/d(圖2)。增溫、叢枝菌根抑制以及兩者間交互作用均對門源草原毛蟲幼蟲的生長速率有著顯著的影響(F值分別為56.109,9.292,4.345,P值分別為<0.001,0.003和<0.040；表1)。相比對照組(不增溫不施用苯菌靈)而言,增溫將門源草原毛蟲幼蟲的生長速率提升了34%(圖2)。增溫和叢枝菌根抑制使得這一指標(biāo)較對照組升高了16%,而較增溫處理降低了13%(圖2)。

圖1 叢枝菌根抑制效果 Fig.1 Colonization rate of AMF under different treatmentsF:殺菌劑,Fungicide; NF:無殺菌劑,No fungicide; 不同字母表示差異顯著,P<0.05

圖2 不同處理下門源草原毛蟲幼蟲生長速率 Fig.2 Growth rate of Gynaephora menyuanensis under different treatmentsNWNF:不增溫且無殺菌劑,No warming and no fungicide; NWF:不增溫施用殺菌劑,No warming and fungicide; WNF:增溫?zé)o殺菌劑,Warming and no fungicide; WF:增溫且施用殺菌劑,Warming and fungicide

增溫對門源草原毛蟲雌、雄性幼蟲的蛹化時(shí)間均有顯著的影響(F=21.188,P<0.001；F=69.597,P<0.001。表1)。增溫處理下雌、雄幼蟲的蛹化時(shí)間分別為204、218 d,而不增溫處理下分別為212、223 d(圖3)。增溫使得雌、雄幼蟲的蛹化時(shí)間較不增溫處理分別提前了2%和4%。增溫和不增溫處理下的雌、雄蟲蛹化時(shí)間差分別為15、12 d(圖3)。增溫將上述時(shí)間差擴(kuò)大了25%。

增溫及其與叢枝菌根抑制的交互作用對門源草原毛蟲雌蟲蛹重的影響顯著(F值分別為17.952和5.354,P值分別為0.001和0.036,表1),而對于雄蟲的蛹重來說,僅增溫處理的影響顯著(F=5.374,P=0.034,表1)。增溫和增溫叢枝菌根抑制處理,使得雌蛹重較對照組增大了22%和8%(圖4)。增溫使雄蛹重增大了18%(圖5)。

圖3 增溫對門源草原毛蟲幼蟲蛹化時(shí)間的影響 Fig.3 Effects of warmign on pupation time of Gynaephora menyuanensis NW:不增溫,No warming; W:增溫,Warming

圖4 不同處理下的門源草原毛蟲雌蛹重 Fig.4 Female pupal weight of Gynaephora menyuanensis under different treatment

圖5 不同處理下門源草原毛蟲的雄蛹重 Fig.5 Male pupal weight of Gynaephora menyuanensis under different treatment

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)的結(jié)果表明,增溫顯著地升高了門源草原毛蟲幼蟲的生長速率,提前了門源草原毛蟲蛹化時(shí)間,這與我們前期的結(jié)果一致[11]。余欣超等[11]的研究顯示,適當(dāng)增溫能夠促進(jìn)門源草原毛蟲的生長,提高該物種種群的存活率,而增溫到達(dá)一定程度后又會對該昆蟲產(chǎn)生抑制效應(yīng)。這種抑制效應(yīng)可能是由于過高的增溫幅度抑制了門源草原毛蟲幼蟲的代謝過程,另一方面也可能是因?yàn)橛捎谠鰷卦诖龠M(jìn)門源草原毛蟲幼蟲代謝速率的同時(shí),造成了植物C/N比的升高[15],降低了該昆蟲對食物的利用率[4],使其獲取的能量不足以支持代謝過程的需要,進(jìn)而形成了過多的消耗。與本文的研究結(jié)果不同,曹慧等[16]認(rèn)為在放牧條件下的增溫提高了門源草原毛蟲幼蟲的生長速率,而單獨(dú)的增溫并未對上述指標(biāo)產(chǎn)生顯著影響,這可能是因?yàn)閮山M試驗(yàn)所采用的的增溫設(shè)施以及試驗(yàn)樣地植被情況不一致。此外,作為完全變態(tài)昆蟲的一種,門源草原毛蟲的一個(gè)世代要經(jīng)歷幼蟲期、蛹期、成蟲期、卵期4個(gè)發(fā)育階段,其幼蟲期主要進(jìn)行營養(yǎng)生長[4]。該類昆蟲在幼蟲期面臨著極端環(huán)境、天敵捕食、種間偏害關(guān)系等的威脅[3,17-18]。本研究表明增溫提前了門源草原毛蟲蛹化時(shí)間,這有利于其在一定程度上避免發(fā)育末期青藏高原東北部的低溫環(huán)境以及更少的暴露在天敵等的威脅之下。

幼蟲期的提前結(jié)束意味著毛蟲更早地完成了變態(tài)發(fā)育和繁殖所需的能量積累,也將進(jìn)一步導(dǎo)致羽化及產(chǎn)卵時(shí)間的提前[18]。從更長的時(shí)間尺度來看,增溫導(dǎo)致的上述變化會使得門源草原毛蟲生活史周期的縮短乃至世代數(shù)的增加,這將大大有利于該物種后代的繁衍和種群規(guī)模的擴(kuò)大[19]。

此外,本文的結(jié)果表明增溫明顯增大了門源草原毛蟲蛹的重量,而蛹重的增大意味著其成蟲繁殖能力的提高[20],余欣超[19]的研究能夠證實(shí)這一觀點(diǎn)。

叢枝菌根對于植食性昆蟲的影響,主要通過其宿主植物實(shí)現(xiàn)。AMF是植物專性營養(yǎng)共生菌,通過宿主植物獲取其生長發(fā)育所必須的碳水化合物,作為回報(bào),AM真菌則幫助植物吸收磷、氮等礦質(zhì)元素[21]。AMF還可以調(diào)節(jié)植物抗逆抗病等生理作用[22],進(jìn)而改善植物與昆蟲的相互關(guān)系[23]。大多數(shù)禾草類植物、少數(shù)莎草科植物以及部分其他雜草都能夠與叢枝菌根真菌形成互惠共生體[24]。門源草原毛蟲幼蟲的食物也主要以上述種類植物為主,尤其對垂穗披堿草的利用率最高[4]。孫永芳等[25]的研究表明叢枝菌根顯著提高了垂穗披堿草的含氮量,而門源草原毛蟲幼蟲生長速率和其食物含氮量成正比[18]。這可以解釋本試驗(yàn)中叢枝菌根抑制對于增溫對門源草原毛蟲幼蟲生長速率正向效應(yīng)的減弱。然而,在未增溫條件下,叢枝菌根抑制對門源草原毛蟲幼蟲食物氮含量的降低并未引起其生長速率的變化。這可能是因?yàn)樵鰷丶涌炝碎T源草原毛蟲幼蟲的代謝速率進(jìn)而使得其對食物質(zhì)量的要求提高[1],因此增溫條件下叢枝菌根抑制所造成食物質(zhì)量的降低對其影響較為顯著,而在未增溫條件下,盡管植物含氮量因叢枝菌根抑制而有所降低,但仍然足以滿足門源草原毛蟲幼蟲維持其正常的生長速率。此外,在研究中,雌雄個(gè)體的蛹重對叢枝菌根抑制處理表現(xiàn)出不同程度的響應(yīng),在增溫條件下,雌蛹重量因叢枝菌根的抑制而明顯降低,而雄蛹未表現(xiàn)出這一趨勢。這可能是由于門源草原毛蟲雌性個(gè)體的幼蟲發(fā)育歷期較雄性幼蟲個(gè)體多了一個(gè)齡期,而且末齡幼蟲的生長速率在雌性性別間的差異更加明顯,這就使得在同樣的處理下,雌蟲的體重更容易比雄蟲發(fā)生變化,曹慧[18]的研究結(jié)果也表明在放牧作用下門源草原毛蟲雌蛹重量的增大比率是雄蛹重量的兩倍。

綜上,增溫有利于門源草原毛蟲幼蟲的生長發(fā)育,表現(xiàn)為能夠提高其生長速率及蛹重,提前其蛹化時(shí)間,擴(kuò)大其雄性先熟現(xiàn)象及性二型性。叢枝菌根對于門源草原毛蟲的影響并不明顯。增溫?cái)U(kuò)大了叢枝菌根抑制對門源草原毛蟲幼蟲生長速率的不利影響。

致謝：感謝青海師范大學(xué)屈柳燕博士和陜西師范大學(xué)郭成龍碩士在野外試驗(yàn)過程中給予的幫助。