桉樹枝癭姬小蜂蟲癭對桉樹光合生理的影響

高旭，郭文鋒，項瑤，申思，李曉瓊，

(1.廣西森林生態(tài)與保育重點實驗室，廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西作物遺傳改良生物技術(shù)重點實驗室，廣西南寧 530007；3.廣西友誼關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，廣西憑祥 532600)

蟲癭是致癭生物誘導(dǎo)植物組織加速分裂產(chǎn)生的異常組織[1]，其中最主要的致癭生物為昆蟲。在蟲癭形成過程中，會導(dǎo)致一系列生理生化反應(yīng)，影響植物的正常生長與發(fā)育[2-4]。光合作用是植物物質(zhì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。蟲癭形成對植物光合有很大影響，但其趨勢及機(jī)制尚未定論。Florentine 等[5]認(rèn)為，蟲癭阻礙水分運輸導(dǎo)致植物光合作用降低。Prade 等[6]也報道巴西胡椒木Schinus terebinthifolia被蟲癭侵染后，光合速率明顯降低。Jiang 等[7]發(fā)現(xiàn)蟲癭葉片光合速率的降低與氣孔導(dǎo)度有關(guān)。另有研究表明，蟲癭形成導(dǎo)致寄主植物的光合作用升高[4，8-10]或沒有顯著影響[11-12]，其原因是植物庫源關(guān)系改變、補(bǔ)償性光合作用及昆蟲食性差異。植物抗性強(qiáng)弱影響植物對蟲害的光合響應(yīng)[10，13-14]，不同蟲癭形成，生長階段對植物光合的影響也不同[4，15]。但已有研究鮮少比較植物抗性及蟲癭生長過程對植物光合生理的影響。

桉樹枝癭姬小蜂Leptocybe invasaFisher ＆ La-Salle 起源于澳大利亞，是一種嚴(yán)重影響全球桉樹種植的害蟲。該蟲能危害多種桉樹品系，在植物各部分形成蟲癭，嚴(yán)重時可導(dǎo)致苗木倒伏、停止生長，給桉樹產(chǎn)業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[16-17]。窿緣桉Eucalyptus exserta(EA)和巨圓桉Eucalyptus grandis×Eucalyptus tereticornis(DH201-2)是曾大面積推廣造林的2個桉樹品系，其中，EA 對桉樹枝癭姬小蜂的抗性較高，為低感品系，而DH201-2 易感染桉樹枝癭姬小蜂，為高感品系[18-19]。桉樹品系間對姬小蜂蟲癭脅迫的生理響應(yīng)不同[20-21]。但目前桉樹與姬小蜂關(guān)系的研究多集中于化學(xué)物質(zhì)、營養(yǎng)、植物激素及水力結(jié)構(gòu)等[19，21-23]，桉樹枝癭姬小蜂不同發(fā)育階段的蟲癭對桉樹光合生理的影響尚不清楚。因此，筆者以桉樹枝癭姬小蜂卵期(S1)、幼蟲期(S2)、蛹期(S3)3 個發(fā)育階段2 個桉樹品系(EA、DH201-2)的蟲癭葉片及對照(S0)葉片為研究對象，比較蟲癭形成前后及蟲癭發(fā)育過程中桉樹的光合生理變化，探討不同抗性寄主植物對蟲癭形成的生理響應(yīng)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 供試苗木 EA、DH201-2 幼苗由廣西林科院提供，于廣西大學(xué)林學(xué)院苗圃進(jìn)行試驗。將供試苗木移入20 cm×15 cm 塑料盆中，基質(zhì)為壤土與草炭土以1∶1 混合。苗木置于100 目尼龍罩內(nèi)以隔絕其他昆蟲，2 個月后，選取生長良好且長勢一致的桉樹幼苗供試。

1.2 桉樹枝癭姬小蜂蟲癭侵染處理 向蟲癭處理組尼龍罩內(nèi)放置4 根長1 m 被感染枝條，感染桉樹幼苗。其他未感染幼苗為對照組。3 個月后，篩選形成明顯蟲癭并包含蟲癭全部發(fā)育時期的桉樹幼苗進(jìn)行試驗。

根據(jù)蟲癭外部形態(tài)特征，判斷其中姬小蜂的發(fā)育階段[卵期(S1)、幼蟲期(S2)、蛹期(S3)]，以劃分蟲癭發(fā)育時期[21]。同批未感染的桉樹葉片為對照(S0)。品系 EA 和 DH201-2 各 4 個處理。

1.3 數(shù)據(jù)測定及方法 每個品系桉樹選擇3 株，取植株頂端正常生長的第3～5 片葉，使用Li-6400 便攜式光合儀測定光合參數(shù)和光響應(yīng)指標(biāo)。每株桉樹選取20 枚葉片測定，取平均值。

光合指標(biāo)測定:設(shè)定葉面溫度為(26±3)℃，光強(qiáng)為1 500 μmol·m-2·s-1，測定時間為08:30—11:30，測定指標(biāo)包括葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)。并計算水分利用效率(WUE=Pn/Tr)。

光響應(yīng)指標(biāo)測定:光強(qiáng)梯度為 0，50，100，200，400，600，800，1 000，1 200，1 500 μmol·m-2·s-1。采用非直角雙曲線模型[24]，對光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，得到最大凈光合速率(Amax)、表觀量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)、光補(bǔ)償點(LCP)、光飽和點(LSP)。

葉綠素含量測定:每個品系桉樹選擇4 株，使用SPAD-502plus 測定葉片葉綠素含量(SPAD 值)，每株選取20 枚葉片測定，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析 采用雙因素方差分析比較桉樹品系及姬小蜂不同發(fā)育階段對桉樹葉片光合指標(biāo)、光響應(yīng)指標(biāo)、葉綠素含量的影響。將桉樹品系和姬小蜂發(fā)育階段作為固定因素，并考慮二者交互效應(yīng)。差異顯著水平設(shè)定為P＜0.05。數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0 進(jìn)行統(tǒng)計，用Sigmaplot 12.5 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 姬小蜂發(fā)育過程中桉樹光合參數(shù)差異 桉樹品系與姬小蜂發(fā)育階段對Pn產(chǎn)生顯著的交互影響(F3，15=3.558，P=0.040)。兩品系的 Pn在 S0及蟲癭發(fā)育3 個階段均無顯著差異。EA 的Pn隨蟲癭中姬小蜂發(fā)育略有下降，而DH201-2 的Pn則呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，但差異不顯著(圖1A)。

Tr受桉樹品系(F1，15=16.004，P=0.001)及桉樹品系與姬小蜂發(fā)育階段互作(F3，15=4.690，P=0.017)的顯著影響。EA 的Tr在不同發(fā)育階段間均無顯著差異，而DH201-2 的Tr隨蟲癭中姬小蜂發(fā)育呈現(xiàn)出先上升后略微下降的趨勢，在S2階段達(dá)到最大值，顯著高于S0、S1階段及同一階段下EA 的Tr(圖1B)。

桉樹品系(F1，15=25.725，P＜ 0.001)、發(fā)育階段(F3，15=4.255，P=0.023)及桉樹品系與發(fā)育階段互作(F3，15=5.134，P=0.012)顯著影響 WUE。EA的WUE 在姬小蜂3 個發(fā)育階段均顯著高于DH201-2。EA 各發(fā)育階段 WUE 均高于 S0，在 S1階段達(dá)到最大值，而DH201-2 各發(fā)育階段WUE 均低于 S0，且 S2、S3階段 WUE 顯著低于 S0(圖1C)。

Amax受桉樹品系與發(fā)育階段互作的顯著影響(F3，15=3.556，P=0.042)。EA 各階段 Amax無顯著差異，而 DH201-2 的 Amax在 S1、S2階段顯著高于S0(圖1D)。

桉樹品系(F1，15=6.228，P=0.026)、姬小蜂發(fā)育階段(F3，15=9.164，P=0.001)及桉樹品系與發(fā)育階段互作(F3，15=5.527，P=0.010)均顯著影響AQY。DH201-2 各階段 AQY 無顯著差異，而 EA在S1階段的 AQY 顯著高于 S0，且高于同階段下DH201-2 的 AQY(圖1E)。

Rd也受桉樹品系(F1，15=76.541，P＜ 0.001)、姬小蜂發(fā)育階段(F3，15=9.908，P=0.001)及桉樹品系與姬小蜂發(fā)育階段互作(F3，15=14.636，P＜0.001)的顯著影響。EA 的Rd隨姬小蜂發(fā)育呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，S1、S3階段Rd顯著高于S2階段。DH201-2 各發(fā)育階段 Rd無顯著差異，而EA 各姬小蜂發(fā)育階段Rd均顯著高于S0及同一發(fā)育階段下DH201-2 的Rd(圖1F)。

圖1 不同發(fā)育階段桉樹光合參數(shù)的差異Fig.1 Differences of photosynthetic parameters of eucalypts at different developmental stages

桉樹品系間 Gs顯著不同(F1，15=7.140，P=0.017)。DH201-2 的Gs(0.061 ±0.009)mol·m-2·s-1顯著高于EA(0.029 ±0.008)mol·m-2·s-1。不同發(fā)育階段 Gs也顯著不同(F3，15=4.147，P=0.025)。S2階段的 Gs顯著高于 S0、S1和 S3階段(圖2A)。而桉樹品系與姬小蜂發(fā)育階段互作未對Gs形成顯著影響(F3，15=2.425，P=0.106)。

桉樹品系間的 LCP 顯著不同(F1，15= 5.953，P=0.028)，EA(9.757±0.861)μmol·m-2·s-1顯著高于DH201-2(6.695 ±0.913)μmol·m-2·s-1。不同姬小蜂發(fā)育階段的LCP 也顯著不同(F3，15=5.127，P=0.012)，S2階段的 LCP 顯著低于 S1、S3階段，但姬小蜂各發(fā)育階段蟲癭葉片的LCP 與S0相比，無顯著差異(圖2B)。

Ci在桉樹品系間顯著不同(F1，15=5.311，P=0.036)。DH201-2 的 Ci(5.720 ±50.563)μmol/mol顯著高于 EA(-154.421 ±47.671)μmol/mol。姬小蜂發(fā)育階段(F3，15=1.308，P=0.309)及桉樹品系與姬小蜂發(fā)育階段互作(F3，15=2.880，P=0.071)未對Ci形成顯著影響。

圖2 不同發(fā)育階段桉樹氣孔導(dǎo)度及光補(bǔ)償點差異Fig.2 Differences of stomatal conductance and light compensation points of eucalypts among developmental stages

2.2 姬小蜂發(fā)育對桉樹葉綠素含量的影響 桉樹品系(F1，24=30.222，P＜ 0.001)、姬小蜂發(fā)育階段(F3，24=282.143，P＜ 0.001)及桉樹品系與發(fā)育階段互作(F3，24=57.345，P＜ 0.001)均對 SPAD 值形成極顯著影響(圖3)。兩品系各發(fā)育階段SPAD 值均顯著低于S0，隨姬小蜂發(fā)育呈現(xiàn)出先上升后略微下降的趨勢，在S1階段達(dá)到最小值。EA 在S0階段的SPAD 值顯著高于DH201-2，但在同一發(fā)育階段下，EA 和 DH201- 2 間 SPAD 值無顯著差異(圖3)。

圖3 姬小蜂不同發(fā)育階段桉樹葉綠素含量的差異Fig.3 Differences of chlorophyll content of eucalypts among larva developmental stages

3 結(jié)論與討論

植物對蟲癭感染的光合響應(yīng)機(jī)制尚不明確[4-12]。本文通過比較不同抗性桉樹品系在桉樹枝癭姬小蜂不同發(fā)育階段光合參數(shù)、光響應(yīng)指標(biāo)及葉綠素含量的動態(tài)變化，揭示桉樹對姬小蜂蟲癭發(fā)育的光合響應(yīng)差異。本研究結(jié)果表明:姬小蜂不同發(fā)育階段的蟲癭在不同程度上影響蟲癭葉片的光合作用，且這種影響與植物抗性密切相關(guān)。此外，兩個品系蟲癭葉片間的光合指標(biāo)也有差異:DH201-2的WUE、Rd在感染蟲癭后顯著低于EA，Tr在S2階段顯著高于EA，AQY 在S1階段顯著低于EA。

氣孔是氣體交換的主要通道，調(diào)控著植物的氣體交換率和水分蒸騰率[25-26]。Gs為氣孔張開的程度，是影響植物光合、呼吸及蒸騰的主要因素。Tr可調(diào)節(jié)水分損失以保證體內(nèi)水分的有效利用[27]。WUE 則反映植物對水分的利用水平，由光合速率與蒸騰速率共同決定[14]。試驗中，兩桉樹品系受害后，在水分利用、光能利用能力以及暗呼吸強(qiáng)弱方面存在差異:感染蟲癭后，DH201-2 各階段Gs均高于EA，S2階段Tr也顯著高于EA，但WUE 均低于EA，說明DH201-2 調(diào)節(jié)水分損失及水分利用的能力低于EA。寇江濤等[14]也發(fā)現(xiàn)苜?？剐詿o性系受薊馬危害后，對水分損失的調(diào)節(jié)能力和水分利用效率均高于高感無性系。此外，本文中兩品系的Gs均在S2階段顯著升高，說明S2階段是蟲癭生長的旺盛時期，其氣體交換及呼吸、蒸騰速率均高于其它階段。

AQY 為弱光階段光響應(yīng)曲線的斜率，AQY 越高，植物對弱光的利用能力越強(qiáng)[28]。本文中，EA 的AQY 在S1階段顯著升高，且顯著高于DH201-2，說明EA 在S1階段對弱光的利用能力增強(qiáng)。光合產(chǎn)物的合成與運輸需要呼吸提供能量[29]，Rd升高不利于有機(jī)物的積累[30]。但呼吸速率越大，植物的生理活性越強(qiáng)[4]，因而有利于植物在強(qiáng)光下的光合作用。試驗中EA 的Rd在各發(fā)育階段均顯著升高，且高于同一階段下的DH201-2；而DH201-2 受害前后無顯著變化。表明 EA 的有機(jī)物積累低于DH201-2，但對強(qiáng)光的適應(yīng)性要強(qiáng)于DH201-2。

補(bǔ)償效應(yīng)普遍存在于生命系統(tǒng)中[31-33]，植物受害后可在生長、生理上形成補(bǔ)償[34]。其主要有3 種表現(xiàn)形式:超補(bǔ)償、等量補(bǔ)償及不足補(bǔ)償[35]。兩品系的Pn在各階段均無顯著差異，DH201-2 的Amax在S1、S2階段反而顯著升高，表明兩品系均具有一定的光合補(bǔ)償能力，短期內(nèi)凈光合速率不受影響，且DH201-2 的補(bǔ)償效應(yīng)更強(qiáng)，形成超補(bǔ)償。這可能是由于 Gs和 Tr的提高增加了葉片 CO2供應(yīng)(DH201-2 的 Ci顯著高于 EA)。但隨著蟲癭發(fā)育，Pn、Amax下降，表明隨植物受害時間延長，凈光合速率降低。葉綠素在植物吸收和傳遞光能中極其重要，其含量將直接影響植物的光合作用速率[36]。EA 和DH201-2 受害后，葉片葉綠素含量均顯著降低。其它研究也報道，被蟲癭侵染后，植物葉綠素含量呈降低趨勢[6，15，23，37]。相反地，吳耀軍 等發(fā)現(xiàn)，被桉樹枝癭姬小蜂侵染后，巨圓桉DH201-2和巨尾桉GL-UG9 葉綠素含量顯著升高[20]。此外，蟲癭數(shù)量[8]、葉片和蟲癭的相對位置[4，10]、昆蟲食性[11-12]及植株營養(yǎng)狀況[38]等均可能影響植物光合作用。