澤蘭實蠅寄生對四川地區(qū)紫莖澤蘭種子質(zhì)量的影響

王 勤，諶利民，曾春艷，曹 陽，陳 瑤，陳 艷*

(1.綿陽師范學(xué)院生態(tài)安全與保護(hù)四川省重點實驗室、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川綿陽 621006；2.四川省唐家河國家級自然保護(hù)區(qū)管理處，四川廣元 628100)

0 引言

紫莖澤蘭(AgeratinaadenophoraSprengel)為菊科澤蘭屬多年生叢生型半灌木草本植物，是世界性惡性入侵植物之一[1-2].紫莖澤蘭原產(chǎn)于墨西哥，約在20世紀(jì)40年代由緬甸傳入我國云南省，現(xiàn)已廣泛分布在我國西南地區(qū)的云南、貴州、四川與廣西等省.一旦在新的環(huán)境中定植成功，紫莖澤蘭可迅速形成單優(yōu)群落，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失，并對生物多樣性和生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響[1, 3].紫莖澤蘭可以通過根狀莖或種子進(jìn)行繁殖，種子繁殖在其擴(kuò)散中起到重要作用.紫莖澤蘭的種子小又輕，且具冠毛，一株成熟的紫莖澤蘭植株每年約產(chǎn)生1萬～10萬粒種子[4]，可隨風(fēng)媒、水媒、動物和車載傳播，其中水媒和車載是其進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播的主要方式[5].

澤蘭實蠅(ProcecidocharesutilisStone)是紫莖澤蘭的專食性寄生天敵，其幼蟲蛀入紫莖澤蘭幼嫩的莖枝端部，誘導(dǎo)紫莖澤蘭形成膨大蟲癭，在一些地區(qū)對紫莖澤蘭的生長和繁殖起到了抑制作用[6].自20世紀(jì)20年代以來，澤蘭實蠅被許多國家用于防治紫莖澤蘭，1945年從墨西哥引進(jìn)到夏威夷，再依次引進(jìn)到澳大利亞、新西蘭與印度等國家的各地區(qū)，但只在夏威夷得到了較好的防控效果[2, 7].我國于1984年從西藏將澤蘭實蠅引入到云南的部分地區(qū)，隨后引入到西南地區(qū)的四川、貴州等地并形成自然種群[8]，但對紫莖澤蘭并沒有產(chǎn)生理想的控制效果.有研究發(fā)現(xiàn)，澤蘭實蠅的寄生可以降低紫莖澤蘭的種子結(jié)實量、種子千粒重與種子活力等[9]，還降低了紫莖澤蘭種子的萌發(fā)率和發(fā)芽能力，起到控制紫莖澤蘭的蔓延和擴(kuò)散的作用[10]；但也有研究發(fā)現(xiàn)澤蘭實蠅的寄生對紫莖澤蘭的生長和繁殖無明顯的抑制作用[11-12].那么在四川地區(qū)，澤蘭實蠅的寄生對紫莖澤蘭的種子質(zhì)量有怎樣的影響呢？我們從被澤蘭實蠅寄生和未被寄生的紫莖澤蘭枝條上收集成熟種子，比較種子千粒重及種子的萌發(fā)特性，旨在探討澤蘭實蠅對紫莖澤蘭繁殖的影響，以期為紫莖澤蘭的防治提供參考.

1 材料與方法

1.1 種子采集

供試種子于2019年4月下旬采集于漢源縣、冕寧縣、西昌市和平地鎮(zhèn)(攀枝花市仁和區(qū))4個紫莖澤蘭自然種群(表1)，每個種群沿108國道選擇15個采樣點，每個樣點間隔不少于30 m，采樣點為國道兩旁的路域生態(tài)系統(tǒng).每個采樣點分別選取一枝被澤蘭實蠅寄生的和未被寄生的紫莖澤蘭枝條，采集枝條上的成熟種子用信封裝袋，帶回實驗室自然風(fēng)干保存.

表1 研究種群自然概況Tab.1 The Natural Situation of the Sampled Populations

注：年均降水、年均溫度來源于www.worldclim.org，為1970—2000年的平均值.

1.2 種子千粒重

每個樣本隨機(jī)選取200粒種子，用SHIMADZU電子天平(精度0.000 1 g)稱重，然后計算其千粒重.

1.3 種子萌發(fā)

實驗前用0.3%NaClO對種子進(jìn)行表面消毒5 min，并用蒸餾水沖洗3次后，浸泡24 h備用.

采用濾紙法進(jìn)行種子萌發(fā)實驗.在直徑9 cm的培養(yǎng)皿中墊兩層濾紙，加入適量蒸餾水浸潤，每個培養(yǎng)皿中均勻放入30粒預(yù)處理的種子.

整個實驗在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行，光照周期為12L:12D，溫度周期為25:15℃，濕度為65%.種子萌發(fā)以種子露出胚根為標(biāo)準(zhǔn)，每天記錄種子的萌發(fā)情況.連續(xù)5d無種子萌發(fā)視為實驗結(jié)束.實驗結(jié)束用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺測量萌發(fā)幼苗的根長和芽長.

1.4 數(shù)據(jù)分析

種子重量以千粒重為指標(biāo)，種子萌發(fā)特性包括萌發(fā)率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)(衡量種子萌發(fā)速度的指標(biāo))、幼苗根長、幼苗芽長，其中：

萌發(fā)率=發(fā)芽總數(shù)/供試種子數(shù) ×100%

發(fā)芽勢[13]=前5天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù) ×100%

發(fā)芽指數(shù)[14]=∑Gt/Dt，式中Gt為第t日萌發(fā)的種子數(shù)，Dt為相應(yīng)的萌發(fā)日數(shù).

使用Shapiro-Wilk檢驗檢驗數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性，并使用Levene’s檢驗分析數(shù)據(jù)的方差齊次性.為分析澤蘭實蠅寄生對紫莖澤蘭種子重量和萌發(fā)特性的影響，首先將四個種群的數(shù)據(jù)合并，利用線性混合效應(yīng)模型(Linear Mixed Model，LMM)分析澤蘭實蠅寄生與未寄生狀態(tài)下紫莖澤蘭種子千粒重及各萌發(fā)指標(biāo)的差異顯著性，檢驗時將澤蘭實蠅寄生與否和種群作為混合效應(yīng)，將采樣點設(shè)置為隨機(jī)效應(yīng)以去除采樣點的影響.

為比較種群間的差異，當(dāng)數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布和方差齊性時，使用單因素方差分析(One-way ANOVA)分析各指標(biāo)在種群間的差異顯著性，并使用最小顯著性差異法(Least Significance Difference, LSD)進(jìn)行種群間的兩兩比較；否則，使用Kruskal-Wallis檢驗分析各指標(biāo)在種群間的差異顯著性，使用Wilcoxon秩和檢驗分析數(shù)據(jù)的兩組成對比較.

為探究各種群內(nèi)澤蘭實蠅寄生的影響，使用配對樣本T檢驗(Paired-sample T test)分析各個種群寄生與未寄生狀態(tài)下各指標(biāo)的差異顯著性.

所有數(shù)據(jù)分析在SPSS軟件中完成，作圖使用Origin軟件完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 澤蘭實蠅寄生對紫莖澤蘭種子質(zhì)量的影響

1) 混合四個種群數(shù)據(jù)，比較被澤蘭實蠅寄生與未被寄生的紫莖澤蘭枝條的種子千粒重及萌發(fā)特性，結(jié)果表明(圖1).

被寄生枝條的種子千粒重為(0.051±0.001)g，未被寄生的為(0.054±0.001)g，被寄生與未被寄生之間差異顯著(LMM，P=0.037).

被寄生枝條的種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及幼苗根長分別為87.66%、77.60%、7.73、25.20 mm，均高于未被寄生的86.08%、73.22%、7.47、24.80 mm，但寄生與未寄生狀態(tài)下以上指標(biāo)無顯著差異(LMM，P>0.05)，而芽長是被寄生的(1.79 mm)略低于未被寄生的(1.80 mm)，兩者間無顯著差異(LMM，P=0.37)(圖1).

圖1 澤蘭實蠅寄生與未寄生的紫莖澤蘭枝條的種子千粒重及萌發(fā)指標(biāo)的比較Fig.1 Comparison of 1000-seed Weight and Germination index between the Seeds Collected from Ageratina Adenophora Branches Galled or Un-galled by Procecidochares Utilis

注：圖中不同字母表示兩組間差異顯著(P<0.05)

2) 比較種群內(nèi)澤蘭實蠅寄生對紫莖澤蘭種子質(zhì)量的影響.結(jié)果顯示(表2):

澤蘭實蠅的寄生降低了紫莖澤蘭種子的千粒重，但影響僅在種群XC顯著(Paired-sample T test，P=0.034)，其他種群內(nèi)寄生與非寄生狀態(tài)下的差異不顯著(Paired-sample T test，P>0.05)(表2).

澤蘭實蠅寄生對紫莖澤蘭種子萌發(fā)特性的影響在不同種群中有差異.在種群MN中，被寄生枝條的種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及幼苗根長均顯著高于未寄生枝條的種子(Paired-sample T test，P值分別為0.011、0.013、0.047、0.011)，幼苗芽長是被寄生顯著比未寄生的短(Paired-sample T test，P=0.044);而在其他種群中，澤蘭實蠅的寄生或降低或增高萌發(fā)率、發(fā)芽勢等，但寄生對所有萌發(fā)指標(biāo)的影響都不顯著(Paired-sample T test，P>0.05)(表2).

表2 各種群中寄生與未寄生狀態(tài)下紫莖澤蘭種子的重量和萌發(fā)特性(mean±SE)Tab.2 The Seed Weight and Germination Indexes of Ageratina Adenophora Seeds Collected from the Branches with or without Galls Induced by Procecidochares Utilis in Each Population

注：檢驗在各種群內(nèi)分別進(jìn)行，表中每個種群內(nèi)同一列數(shù)據(jù)后的不同字母表示寄生與未寄生之間差異顯著(P<0.05)

2.2 紫莖澤蘭種子質(zhì)量影響的種群差異

比較四個采樣種群的種子千粒重及萌發(fā)特性，結(jié)果顯示，種子的重量和萌發(fā)特性存在種群間差異(圖2).

2.2.1 種子千粒重 澤蘭實蠅寄生和未被寄生的紫莖澤蘭枝條的種子千粒重在四個種群間均存在顯著差異(One-way ANOVA，P值分別為0.028、0.020).多重比較結(jié)果顯示，澤蘭實蠅寄生狀態(tài)下，種群PD的紫莖澤蘭種子顯著輕于HY、MN(P<0.05)；未被寄生的狀態(tài)下，PD的種子千粒重顯著低于其他三個種群(P<0.05)；無論在寄生還是未寄生狀態(tài)下，其他三個種群的種子重量都不存在顯著差異(圖2A).

2.2.2 種子萌發(fā)率 澤蘭實蠅寄生枝條的紫莖澤蘭種子萌發(fā)率在四個種群間無顯著差異(Kruskal-Wallis，P=0.572)，而未被寄生枝條的種子存在差異顯著(Kruskal-Wallis，P=0.015)，其中MN種群的種子萌發(fā)率顯著低于HY和XC種群(P<0.05)(圖2B).

2.2.3 種子發(fā)芽勢 澤蘭實蠅寄生和未被寄生的紫莖澤蘭枝條的種子發(fā)芽勢在四個種群間均存在顯著差異(Kruskal-Wallis，P值分別為0.014、0.018)，澤蘭實蠅寄生狀態(tài)下，種群HY的種子發(fā)芽勢顯著低于MN和XC種群(P<0.05)；未被寄生的狀態(tài)下，種群XC顯著高于其他三個種群(P<0.05)(圖2C).

2.2.4 種子發(fā)芽指數(shù) 澤蘭實蠅寄生的紫莖澤蘭枝條的種子發(fā)芽指數(shù)在四個種群間不存在顯著差異(One-way ANOVA，P=0.098)，而未被寄生枝條的種子存在差異顯著(One-way ANOVA，P=0.046)，其中種群XC顯著高于HY、MN、PD三個種群(P<0.05)(圖2D).

2.2.5 幼苗根長 澤蘭實蠅寄生枝條的紫莖澤蘭幼苗根長在四個種群間差異顯著(One-way ANOVA，P=0.001)，而未被寄生的在四個種群間不存在顯著差異(One-way ANOVA，P=0.943)，在澤蘭實蠅寄生的狀態(tài)下，MN種群的幼苗根長最長，且顯著高于HY和PD種群(LSD,P<0.05)(圖2E).

2.2.6 幼苗芽長 澤蘭實蠅寄生和未寄生枝條的紫莖澤蘭幼苗芽長在四個種群間均無差異顯著(One-way ANOVA，P值分別為0.067、0.196)(圖2F).

圖2 澤蘭實蠅寄生與未寄生對紫莖澤蘭種子質(zhì)量影響的種群間差異Fig.2 The Population Differences of Seed Quality of Ageratina Adenophora Affected by Parasitism and Non-parasitism of Procecidochares Utilis

注：圖中不同小寫字母表示澤蘭實蠅寄生狀態(tài)下的種群間差異在P=0.05水平顯著；不同大寫字母表示未寄生狀態(tài)下的種群間差異在P=0.05水平顯著.

3 討論

種子是植物生活史的重要階段，大多數(shù)入侵植物需要依靠種子的傳播來建立和擴(kuò)散種群[15].而紫莖澤蘭種子是其快速傳播、蔓延的主要途徑[16].因此，紫莖澤蘭種子的重量和萌發(fā)特性對其擴(kuò)散起著非常重要的作用.

四川地區(qū)四個自然種群中，澤蘭實蠅的寄生顯著降低了被寄生枝條的種子千粒重(圖1)，其抑制作用在所有種群中均有表現(xiàn)(表2).營養(yǎng)供應(yīng)會影響種子重量的增加[17].澤蘭實蠅的幼蟲一般侵入紫莖澤蘭幼嫩的莖端、誘導(dǎo)紫莖澤蘭形成膨大的蟲癭[18].同位素研究揭示，澤蘭實蠅誘導(dǎo)的蟲癭是強(qiáng)烈的營養(yǎng)吸收庫，刺激了營養(yǎng)物質(zhì)的輸入[19]，從而與花朵和發(fā)育種子競爭營養(yǎng)，抑制了種子重量的增加.

種子重量一般會影響種子的萌發(fā)，但我們對紫莖澤蘭種子萌發(fā)特性的比較顯示，澤蘭實蠅的寄生對被寄生枝條種子的萌發(fā)特性并無顯著影響(圖1)，在一些種群內(nèi)澤蘭實蠅的寄生甚至可提高種子的萌發(fā)率(表2).這說明，雖然在研究區(qū)域內(nèi)澤蘭實蠅的寄生降低了紫莖澤蘭種子的千粒重，但對其種子的萌發(fā)并未產(chǎn)生影響，在Arunava Datta等的研究結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)紫莖澤蘭的千粒重不影響其種子的萌發(fā)[20].這可能是因為紫莖澤蘭能對澤蘭實蠅的寄生產(chǎn)生一定的防御和適應(yīng)對策.澤蘭實蠅的寄生會使得紫莖澤蘭自身對其產(chǎn)生較強(qiáng)的生理生化響應(yīng)[11].姜麗娜等人研究發(fā)現(xiàn)澤蘭實蠅寄生可能會促使紫莖澤蘭改變自身的生長與防御能量分配，減少了營養(yǎng)和生長的投入，將更多的資源投向繁殖和防御[8].而在寄生狀態(tài)下對繁殖投入的增加，可能在一定程度上彌補了蟲癭對營養(yǎng)的競爭，減少了對種子發(fā)育的影響.

在四川的四個種群中，澤蘭實蠅寄生對紫莖澤蘭的種子質(zhì)量的影響是存在差異的(圖2)，尤其體現(xiàn)在MN種群，該種群紫莖澤蘭的萌發(fā)特性在寄生與未寄生之間均存在顯著差異.這一方面可能是因為不同入侵種群的土壤性質(zhì)、水熱環(huán)境條件不一樣，如趙相健對不同地理種群紫莖澤蘭種子萌發(fā)率的比較研究發(fā)現(xiàn)野外種子質(zhì)量受到植株所處小生境的影響較大[21]；另一方面可能是因為不同生境中澤蘭實蠅的寄生強(qiáng)度不同.李愛芳等研究發(fā)現(xiàn)濕潤生境下澤蘭實蠅枝條寄生率(20.27%)顯著高于干旱生境下的枝條寄生率(9.33%)[22].

澤蘭實蠅作為防治紫莖澤蘭的天敵，但利用其作為生防昆蟲防治紫莖澤蘭的效果受到很多因素的影響，導(dǎo)致不同地區(qū)、不同生境的防治效果不同，如有研究顯示澤蘭實蠅對紫莖澤蘭的株高、生物量、結(jié)實量及種子發(fā)芽能力等生長和繁殖能力具有一定的抑制作用[9, 23]，也有研究顯示澤蘭實蠅的寄生對紫莖澤蘭的生長和繁殖并沒有顯著影響[11-12].從我們的結(jié)果看，澤蘭實蠅的寄生在四川地區(qū)并未顯著抑制紫莖澤蘭種子的活力，盡管種子的重量受到了抑制，但萌發(fā)未受到抑制，這可能也是其入侵成功的原因之一.