蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲共同危害對(duì)空心蓮子草及蓮子草生長(zhǎng)的影響

覃海蓉， 郭文鋒， 陽莎， 李曉瓊

(1.廣西大學(xué)林學(xué)院廣西森林生態(tài)與保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530005； 2.廣西農(nóng)科院廣西作物遺傳改良生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007)

外來物種入侵是全球生物多樣性的重要威脅之一，然而關(guān)于入侵種成功入侵的機(jī)制目前尚無一致結(jié)論[1]。外來植物的成功入侵是由于逃避了原產(chǎn)地植食性生物的控制，從而使其在新棲息地大面積生長(zhǎng)、繁殖和擴(kuò)散[2]。入侵植物由于逃逸了原產(chǎn)地專食性植食性生物，會(huì)降低防御投入而增加生長(zhǎng)和繁殖投入，從而取得相對(duì)于本地種較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[3]。但入侵種到達(dá)新生境后，也會(huì)受到來自入侵地的一些地上、地下植食性生物的取食，從而形成新的互作關(guān)系[4]。然而，目前大多數(shù)研究關(guān)注的是外來植物介導(dǎo)的地上植食性生物-植物互作[5-6]；外來植物介導(dǎo)的地下植食性生物-植物互作[7]及地上-地下植食性生物互作的研究較少[8]。

空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)是一種可在陸地、水生和半水生的生境中生存的多年生草本植物，原產(chǎn)于南美洲，目前已嚴(yán)重入侵到除南美洲以外的其他大洲[6]。蓮子草(Alternantherasessilis)是其唯一的中國(guó)同屬種，通常在南方與空心蓮子草同域分布[9]。為了防控空心蓮子草的蔓延，中國(guó)于1986年從美國(guó)佛羅里達(dá)州引進(jìn)地上生防昆蟲蓮草直胸跳甲(Agasicleshygrophila)，對(duì)空心蓮子草的控制成效顯著[10]。在中國(guó)，空心蓮子草的根部普遍受到南方根結(jié)線蟲(Meloidogyneincognita)的危害，其能引起空心蓮子草根系功能障礙、生長(zhǎng)遲緩[11]。HE等[12]發(fā)現(xiàn)，人工模擬地上植食性生物取食和土壤微生物的共同作用下，空心蓮子草與蓮子草相比具有更強(qiáng)的補(bǔ)償生長(zhǎng)能力。WEI等[13]發(fā)現(xiàn)蝦鉗菜披龜甲(Cassidapiperata)能抑制根結(jié)線蟲在空心蓮子草上的繁殖，但并未影響蓮子草上的根結(jié)線蟲。因此，空心蓮子草應(yīng)對(duì)地上-地下植食性生物互作的響應(yīng)機(jī)制仍不清楚。

本研究以入侵植物空心蓮子草和其本地同屬種蓮子草為研究對(duì)象，比較蓮草直胸跳甲和南方根結(jié)線蟲(根結(jié)線蟲)的單獨(dú)或共同危害對(duì)2種植物生長(zhǎng)性狀和生物量分配的影響，旨在更好地為入侵植物的生物防治提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備

參照陳燕麗等[14]的方法進(jìn)行育苗。將空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)和蓮子草(Alternantherasessilis)植株剪成約4 cm長(zhǎng)、帶有1個(gè)莖節(jié)的莖段。將莖段插到裝有混合滅菌土壤[V(壤土)∶V(草炭土)=1∶1]的苗盤中。30 d后，將2種植物的分株單獨(dú)移栽到塑料花盆中(直徑為25 cm、高為16 cm)，用100目尼龍網(wǎng)罩罩住，以隔絕其他昆蟲。

試驗(yàn)所用線蟲在番茄苗上擴(kuò)繁。跳甲成蟲則采集于野外，并在室內(nèi)飼養(yǎng)，繁殖的2代成蟲單獨(dú)飼養(yǎng)，防止交配，用于后續(xù)試驗(yàn)。

1.2 地上和地下植食性生物處理

試驗(yàn)于廣西大學(xué)林學(xué)院的苗圃內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)期間，苗圃白天溫度為28～33 ℃，晚上溫度為24～28 ℃，相對(duì)濕度為50%～75%。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)共8個(gè)處理，包括2種植物種類(空心蓮子草、蓮子草)×2種地上植食性生物處理(蓮草直胸跳甲取食、對(duì)照)×2種地下植食性生物處理(接種根結(jié)線蟲、對(duì)照)。每個(gè)處理5次重復(fù)，共40盆植株。

參照王貽蓮等[15]的方法配制5 000 頭·mL-1的根結(jié)線蟲幼蟲懸浮液。參照劉維志[16]的方法進(jìn)行根結(jié)線蟲的接種。用打孔器在2種植物的根部鉆取2個(gè)深度約為3 mm的小孔。在處理組和對(duì)照組的每個(gè)孔中分別注入2 mL的根結(jié)線蟲幼蟲懸浮液和2 mL無菌水，最后用土壤覆蓋小孔。30 d后檢查植株被根結(jié)線蟲侵染的情況。

根結(jié)線蟲接種處理30 d后，開始地上植食性生物處理。向相應(yīng)的植物處理組分別放入1頭新孵化的蓮草直胸跳甲成蟲，控制危害率約50%，大約7 d后挪走成蟲。讓所有植物繼續(xù)生長(zhǎng)30 d，再收獲。

1.3 植物收獲與指標(biāo)的測(cè)定

用卷尺和游標(biāo)卡尺分別測(cè)定植株的莖長(zhǎng)和地徑。統(tǒng)計(jì)植株的分枝數(shù)、粗根數(shù)(直徑>2 mm)和細(xì)根數(shù)(直徑≤2 mm)，并計(jì)算總根數(shù)(粗根數(shù)+細(xì)根數(shù))。最后，分別收獲植物的地上、地下部分，置于60 ℃的烘箱中烘干至質(zhì)量恒定。分別稱量地上生物量和地下生物量，計(jì)算總生物量(地上生物量+地下生物量)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用雙因素方差分析分別比較地上植食性生物處理(蓮草直胸跳甲取食、對(duì)照)和地下植食性生物處理(接種根結(jié)線蟲、對(duì)照)對(duì)2種植物生長(zhǎng)性狀(莖長(zhǎng)、地徑)和生物量分配(地上生物量、地下生物量、總生物量)的影響，將地上植食性生物處理、地下植食性生物處理作為固定因素，并考慮兩者的交互效應(yīng)。所有連續(xù)性變量方差分析前均進(jìn)行了正態(tài)性檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)，其中，空心蓮子草的地下生物量進(jìn)行平方根轉(zhuǎn)換，以滿足正態(tài)性。分別對(duì)2種植物的計(jì)數(shù)變量分枝數(shù)、粗根數(shù)、細(xì)根數(shù)和總根數(shù)進(jìn)行泊松分布檢驗(yàn)。用S-N-K法比較同一物種對(duì)不同植食性生物的響應(yīng)之間的差異。采用 SPSS 22.0對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用SigmaPlot 14.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 地上-地下植食性生物處理對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

蓮草直胸跳甲處理×根結(jié)線蟲處理對(duì)空心蓮子草的莖長(zhǎng)產(chǎn)生顯著的交互影響，蓮草直胸跳甲處理對(duì)蓮子草的地徑產(chǎn)生顯著的影響。此外，2種植物分枝數(shù)的均值和方差差異顯著(P>0.05)。與無天敵危害相比，蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲單獨(dú)危害對(duì)2種植物莖長(zhǎng)、地徑和分枝數(shù)均無顯著影響；蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲的共同危害顯著增加了2種植物的分枝數(shù)，且顯著降低了空心蓮子草的莖長(zhǎng)，而對(duì)蓮子草的莖長(zhǎng)和2種植物的地徑影響不顯著(表1)。此外，蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲共同危害對(duì)空心蓮子草莖長(zhǎng)的抑制作用要強(qiáng)于蓮草直胸跳甲或根結(jié)線蟲的單獨(dú)危害作用(表1)。

2.2 地上-地下植食性生物處理對(duì)植物根系數(shù)量的影響

蓮子草的粗根數(shù)和總根數(shù)的均值和方差沒有顯著性差異(P>0.05)，而空心蓮子草的粗根數(shù)、總根數(shù)和2種植物的細(xì)根數(shù)的均值和方差差異顯著(表2)。蓮草直胸跳甲單獨(dú)危害及其與根結(jié)線蟲共同危害下，2種植物的粗根數(shù)、細(xì)根數(shù)和總根數(shù)與無植食性生物危害相比差異不顯著(圖1)。但在根結(jié)線蟲單獨(dú)危害下，空心蓮子草的粗根數(shù)、細(xì)根數(shù)、總根數(shù)和蓮子草的細(xì)根數(shù)均顯著高于對(duì)照或蓮草直胸跳甲的單獨(dú)危害作用(圖1)。

表1 地上與地下植食性生物處理對(duì)空心蓮子草和蓮子草生長(zhǎng)性狀影響Table 1 Effects of aboveground and belowground herbivore treatments on the growth traits of Alternanthera philoxeroides and Alternanthera sessilis

2.3 地上-地下植食性生物處理對(duì)植物生物量分配的影響

蓮草直胸跳甲處理對(duì)空心蓮子草的地下生物量產(chǎn)生顯著的影響，蓮草直胸跳甲與根結(jié)線蟲處理對(duì)空心蓮子草的地上生物量產(chǎn)生顯著的交互影響。在蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲單獨(dú)危害及共同危害下，空心蓮子草和蓮子草的地上生物量均大于地下生物量。與無天敵危害相比，蓮草直胸跳甲單獨(dú)危害使空心蓮子草的總生物量顯著降低了39.3%(圖 2)。此外，在蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲共同危害的情況下，空心蓮子草的地下生物量與對(duì)照相比增加了72.1%，但是，蓮草直胸跳甲、根結(jié)線蟲的單獨(dú)危害或兩者的共同危害對(duì)蓮子草地上生物量、地下生物量、總生物量的影響均不顯著(圖2)。

表2 空心蓮子草和蓮子草分枝和根系數(shù)量分配的泊松分布檢驗(yàn)Table 2 Poisson distribution test on branch and root allocation of Alternanthera philoxeroides and Alternanthera sessilis

注：采用泊松分布檢驗(yàn)，顯著結(jié)果用S-N-K法進(jìn)行多重比較，不同小寫字母、大寫字母分別表示空心蓮子草、蓮子草在P<0.05水平差異顯著。

注：采用雙因素方差分析，顯著結(jié)果用S-N-K法進(jìn)行多重比較。不同小寫字母、大寫字母分別表示空心蓮子草、蓮子草在P<0.05水平差異顯著。

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)與蓮草直胸跳甲的單獨(dú)危害相比，蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲的共同危害使空心蓮子草的莖長(zhǎng)降低，地下生物量增加，可能是由于根結(jié)線蟲的存在影響了蓮草直胸跳甲在空心蓮子草上的表現(xiàn)。這與WEI等[13]的研究結(jié)果相似：根結(jié)線蟲影響了空心蓮子草上的蝦鉗菜披龜甲的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致植物受損葉面積減少。有研究表明，地下植食性生物會(huì)導(dǎo)致植物嫩芽中可溶性氮和碳的含量增加，提高地上部分的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)；也會(huì)改變次生代謝產(chǎn)物的合成與分配，導(dǎo)致植物對(duì)地上植食性生物的抗性降低[17]。KAPLAN等[18]發(fā)現(xiàn)根結(jié)線蟲可以抑制尼古丁從根到葉的運(yùn)輸，從而使地上植食性生物的取食增加。本研究還發(fā)現(xiàn)，與蓮草直胸跳甲或根結(jié)線蟲的單獨(dú)危害相比，二者的共同危害對(duì)空心蓮子草莖長(zhǎng)的降低作用更強(qiáng)，而二者的共同危害對(duì)蓮子草的莖長(zhǎng)無明顯的影響，表明蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲的協(xié)同作用能提高對(duì)空心蓮子草的生物防治效果。項(xiàng)瑤等[19]發(fā)現(xiàn)根結(jié)線蟲對(duì)空心蓮子草上的蓮草直胸跳甲的生長(zhǎng)發(fā)育有抑制作用，而對(duì)蓮子草上的蓮草直胸跳甲的取食和發(fā)育有促進(jìn)作用。表明地上-地下植食性生物互作類型與植食性生物和寄主植物的種類相關(guān)[20]。此外，植物基因型[4]、植食性生物取食類型[18]及密度[21]等也會(huì)影響地上-地下植食性生物互作。

本研究中，蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲的共同危害使空心蓮子草的莖長(zhǎng)降低、2種植物的分枝數(shù)增加?？招纳徸硬菔蔷哂袩o性繁殖能力的克隆植物，其主要依靠莖節(jié)的無性繁殖體進(jìn)行克隆繁殖，增加分枝數(shù)能使植物產(chǎn)生更多莖節(jié)來擴(kuò)寬生態(tài)位以逃逸植食性生物的危害和獲取更多的養(yǎng)分和水分等資源。在蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲的共同危害下，空心蓮子草的莖長(zhǎng)降低、分枝數(shù)增加，也表明空心蓮子草在植食性生物的危害下能通過產(chǎn)生更多新的繁殖部件來提高其對(duì)植食性生物危害的適應(yīng)力。郭素民等[22]也發(fā)現(xiàn)空心蓮子草在南方菟絲子(Cuscutaaustralis)的寄生危害后，也會(huì)通過增加其分枝數(shù)來適應(yīng)植食性生物的危害。

本研究發(fā)現(xiàn)在根結(jié)線蟲的單獨(dú)危害下，空心蓮子草的粗根數(shù)、細(xì)根數(shù)增加，而蓮子草僅增加了細(xì)根數(shù)，說明2種植物對(duì)植食性生物的響應(yīng)機(jī)制不同?？赡苡捎?種植物的營(yíng)養(yǎng)或防御化學(xué)物質(zhì)的類型和濃度差異以及對(duì)特定植食性生物的敏感性的差異[23]。有研究表明，被植食性生物危害后，空心蓮子草葉片中的氮、木質(zhì)素和纖維素濃度高于蓮子草，而纖維素和多酚含量低于蓮子草[24]。粗根數(shù)和細(xì)根數(shù)的增加也說明與蓮子草相比，空心蓮子草在受到植食性生物的危害后具有較強(qiáng)的吸收和利用有限資源來維持較高生長(zhǎng)速率的能力。王楠楠等[25]研究也證實(shí)，一定程度的人工模擬植食性生物的取食危害反而能增加植物的生產(chǎn)力，使植物表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受能力。

本地植物和入侵植物為響應(yīng)地上和地下植食性生物的危害，進(jìn)化出不同的資源分配策略[20]。本研究中，蓮草直胸跳甲的單獨(dú)危害使得空心蓮子草的總生物量降低，而對(duì)蓮子草的總生物量無影響。這一結(jié)果與郭素民等[22]的發(fā)現(xiàn)相似：空心蓮子草能通過增加對(duì)防御的投入而降低對(duì)生長(zhǎng)的投入來應(yīng)對(duì)南方菟絲子的寄生，其總生物量下降、防御性物質(zhì)(單寧、總酚等)含量增加。此外，蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲的共同危害使得空心蓮子草的地下生物量增加，但總生物量的積累仍以地上部分為主，說明入侵植物為了應(yīng)對(duì)植食性生物的危害可能會(huì)通過增加對(duì)地上部分(如匍匐莖)的投資來提高其獲取光合資源的能力，從而提高整個(gè)植株的適應(yīng)性。MAO等[26]和HU等[5]發(fā)現(xiàn)在地上植食性生物單獨(dú)危害或與地下植食性生物共同危害下，空心蓮子草會(huì)將更多的資源投入到地下來為植物提供更多的物質(zhì)和能量?jī)?chǔ)備，從而使其快速恢復(fù)生長(zhǎng)。而HUANG等[8]發(fā)現(xiàn)在地上-地下植食性生物的危害下，入侵地烏桕(Triadicasebifera)與原產(chǎn)地烏桕相比，將更多生物量分配到地上部分，認(rèn)為入侵種可能會(huì)采取“地上優(yōu)先”的策略，將更多的資源分配到地上以增加植物對(duì)地上植食性生物的耐受性。然而，LI等[20]則發(fā)現(xiàn)不同來源地烏桕的生物量分配受地上-地下植食性生物種類的影響，僅在專食性昆蟲癩皮夜蛾(Gadirthainexacta)和根結(jié)線蟲危害下，入侵地烏桕才會(huì)增加地上生物量的分配。因此，地上-地下植食性生物互作機(jī)制很復(fù)雜，需要更多、更深入的研究。

總體說來，本研究發(fā)現(xiàn)蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲的共同危害顯著降低了空心蓮子草的莖長(zhǎng)，且這種抑制作用比2種植食性生物的單獨(dú)作用更強(qiáng)，說明根結(jié)線蟲能增強(qiáng)蓮草直胸跳甲對(duì)空心蓮子草的控制作用，因此，在陸生生境中，蓮草直胸跳甲與根結(jié)線蟲的協(xié)同作用將有助于提高植食性生物對(duì)空心蓮子草的生物防治效果。此外，還發(fā)現(xiàn)空心蓮子草在根系和生物量分配方面比蓮子草具有更強(qiáng)的表型可塑性：在根結(jié)線蟲的單獨(dú)危害下，空心蓮子草的粗根數(shù)和細(xì)根數(shù)均增加；而在地上-地下植食性生物的共同危害下，空心蓮子草的地下生物量和分枝數(shù)也增加，因此，更強(qiáng)的表型可塑性也是其能成功入侵的原因之一[27]。