土壤鎘污染對(duì)楊樹(shù)雌雄植株抗地上和地下害蟲(chóng)的影響

林恬恬 ，唐嘉瑤 ，何 方 ，陳良華 ，3，4*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，成都 611130；2.長(zhǎng)江上游森林資源保育與生態(tài)安全國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)研究所，成都 611130；4.長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130）

隨著城市化、工業(yè)化、汽車尾氣排放以及農(nóng)業(yè)的集約化經(jīng)營(yíng)，土壤的重金屬污染日益嚴(yán)重。部分重金屬被植物通過(guò)根系吸收并富集在植物體內(nèi)，會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，擾亂植物體內(nèi)的生理代謝過(guò)程，直接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，甚至造成植株死亡[1]。在學(xué)者們深入探討重金屬元素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育所產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)的同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)重金屬元素的富集對(duì)昆蟲(chóng)具有一定的生物學(xué)毒性[2]。取食富含重金屬元素的植物會(huì)通過(guò)降低昆蟲(chóng)血淋巴中貯能物質(zhì)的含量、破壞細(xì)胞和組織的結(jié)構(gòu)和完整性、抑制細(xì)胞免疫和體液免疫等方式，造成昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)率下降、發(fā)育周期延長(zhǎng)、產(chǎn)卵量和卵孵化率降低、死亡率升高等不良影響[3]。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們提出了元素防御假說(shuō)（elemental defense hypothesis）。該假說(shuō)認(rèn)為重金屬元素作為一種外源化學(xué)物質(zhì)，被植物從環(huán)境中吸收并富集到體內(nèi)后，可以被其作為一種特別的化學(xué)防御方式而利用，以增強(qiáng)植物的抗蟲(chóng)性[2，4]。S.Robert等[5]認(rèn)為，由于重金屬元素?zé)o法被昆蟲(chóng)降解，植物采用該方式抵御蟲(chóng)害比主動(dòng)合成有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的防御方式更為節(jié)能和高效。

利用植物修復(fù)重金屬污染土壤是重要的環(huán)境修復(fù)手段之一，目前發(fā)現(xiàn)的超富集植物大多為草本植物（鎳的超富集植物種類最多），普遍存在生長(zhǎng)緩慢和經(jīng)濟(jì)價(jià)值低等缺點(diǎn)，很難推廣和應(yīng)用于大面積的低鎘污染區(qū)。與大多數(shù)重金屬超富集草本植物相比（例如，Thlaspi caerulescenes，Sedum alfredii，Arabis paniculata），以楊屬（Populus）植物為代表的速生木本植物具有生長(zhǎng)迅速、生物量大、根系發(fā)達(dá)等優(yōu)點(diǎn)，抗逆性強(qiáng)，能積累較大總量的重金屬，這類植物的重金屬抽提和修復(fù)能力日益受到重視。目前，“元素防御假說(shuō)”的研究對(duì)象主要集中在草本植物上，針對(duì)木本植物的研究較少。由于木本植物體內(nèi)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、積累和解毒機(jī)制與草本植物存在差異[6]，“元素防御假說(shuō)”在木本植物上的適用性需要得到進(jìn)一步檢驗(yàn)。在前期研究中，我們以滇楊（Populus yunnanensis Dode）為對(duì)象，深入研究了土壤鎘污染處理對(duì)滇楊抗蟲(chóng)性的影響，發(fā)現(xiàn)鎘元素即使以較低的濃度富集在滇楊葉片內(nèi)，也會(huì)顯著抑制專食性和普食性兩種類型食葉性害蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育和取食選擇[7]，這一結(jié)果首次驗(yàn)證了“元素防御假說(shuō)”在低富集木本植物上的適用性，以“Testing the elemental defense hypothesis with a woody plant species:Cadmium accumulation protects Populus yunnanensis from leaf herbivory and pathogen infection”為題于 2020年5月發(fā)表在環(huán)境生態(tài)學(xué)權(quán)威期刊《Chemosphere》上。

雌雄異株植物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，這類植物約占被子植物的6%～10%。雌株承擔(dān)著孕育果實(shí)的任務(wù)，通常被認(rèn)為具有比雄株更高的生殖投入，因而具有較高的資源需求。由于性別間生殖成本和資源需求的差異，在長(zhǎng)期適應(yīng)進(jìn)化的過(guò)程中，雌雄異株植物的不同性別植株在生長(zhǎng)、存活、生殖格局、空間分布等方面表現(xiàn)出明顯的差異[8-10]。我們的前期研究發(fā)現(xiàn)，楊樹(shù)不同性別植株對(duì)重金屬的耐受程度和富集能力存在差異[11-12]，但這種差異是否會(huì)顯著影響木本植物雌雄植株的抗蟲(chóng)性?為了探究這一科學(xué)問(wèn)題，我們采用美洲黑楊雌雄植株作為供試材料，進(jìn)行盆栽控制實(shí)驗(yàn)，研究土壤鎘污染條件下，取食不同性別楊樹(shù)器官時(shí)4種食葉害蟲(chóng)（包括兩種專食性昆蟲(chóng)和兩種廣食性昆蟲(chóng)）和一種地下害蟲(chóng)（蠐螬）幼蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育和取食選擇的差異，探究鎘脅迫下不同性別楊樹(shù)植株間的抗蟲(chóng)性差異及相關(guān)機(jī)制。

研究人員于初春季節(jié)在重金屬污染樣地內(nèi)采集美洲黑楊雌雄植株的1 a生枝條，扦插于在沙質(zhì)苗床上進(jìn)行育苗。實(shí)驗(yàn)共4個(gè)處理（對(duì)照+雌，對(duì)照+雄，鎘+雌，鎘+雄），為消除隨機(jī)采樣的誤差，每個(gè)處理設(shè)定10株幼苗作為重復(fù)。鎘處理濃度為60 mg/kg干土（提前將相應(yīng)濃度的CdCl2·2.5H2O拌入7 kg勻質(zhì)的土壤中，平衡一個(gè)月后移栽長(zhǎng)勢(shì)一致的楊樹(shù)幼苗）。實(shí)驗(yàn)處理期為5個(gè)月，在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，期間控制環(huán)境溫度、濕度和土壤水分等環(huán)境因子。處理期結(jié)束后，我們對(duì)比了不同處理下楊樹(shù)雌雄植株的株高、地徑和葉片葉綠素、氮、鎘含量的差異性。結(jié)果表明，對(duì)照條件下，雄株的株高和地徑顯著高于雌株，但是二者葉片中葉綠素及氮、鎘含量無(wú)顯著差異。另一方面，我們發(fā)現(xiàn)土壤鎘污染顯著降低了兩種性別植株的生長(zhǎng)量和葉片葉綠素及氮含量，雌株受到的負(fù)面影響較大，對(duì)重金屬脅迫更敏感，這與前人的研究結(jié)論相似[13]。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)雄株葉片內(nèi)的鎘濃度顯著高于雌株，而雌株根系中鎘濃度則顯著高于雄株，兩種性別植株不同器官對(duì)鎘的富集效率存在差異。

隨后，研究人員分別對(duì)兩種專食性昆蟲(chóng)，即楊黃卷葉螟（Botyodes diniasalis Walker）和楊扇舟蛾（Clostera anachoreta Fabricius），兩種普食性昆蟲(chóng)，即棉大卷葉螟（Sylepta derogata Fabricius）和斜紋夜蛾（Spodoptera litura Fabricius），以及一種普食性地下害蟲(chóng)蠐螬（Holotrichia diomphalia Bates）開(kāi)展了昆蟲(chóng)生物測(cè)試，探究不同處理對(duì)5種昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育和取食選擇的影響。結(jié)果表明，未污染條件下，楊樹(shù)雌株比雄株對(duì)普食性昆蟲(chóng)的抗性更強(qiáng)，能夠顯著趨避昆蟲(chóng)的取食選擇，抑制棉大卷葉螟、斜紋夜蛾和蠐螬的生長(zhǎng)發(fā)育，與J.?gren等[14-15]的結(jié)果相似。我們進(jìn)一步測(cè)定了楊樹(shù)葉片和根系內(nèi)單寧、總酚和黃酮等3種化學(xué)防御物質(zhì)的含量。結(jié)果表明，與雄株相比，雌株葉片內(nèi)含有較高水平的單寧，而根系內(nèi)則含有更多的總酚，不同器官中化學(xué)防御物質(zhì)含量的差異是影響普食性昆蟲(chóng)生長(zhǎng)和發(fā)育的重要原因。另一方面，我們發(fā)現(xiàn)，鎘污染處理顯著抑制了5種害蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育和取食選擇偏好性，楊樹(shù)雌雄植株的抗蟲(chóng)性表現(xiàn)出顯著差異。雄株無(wú)論是對(duì)4種食葉害蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育的抑制程度還是對(duì)其取食選擇的趨避作用都比雌株更強(qiáng)，而雌株對(duì)蠐螬的生長(zhǎng)抑制程度更高。這說(shuō)明土壤鎘污染處理能夠顯著增強(qiáng)楊樹(shù)雌雄植株的抗蟲(chóng)性，對(duì)其抗性的影響因害蟲(chóng)類型的差異（地下和地下兩類）而有所不同。相關(guān)性分析表明，楊樹(shù)組織的鎘含量與不同昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)量呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明鎘污染條件下楊樹(shù)雌雄植株的抗蟲(chóng)性差異受到組織中鎘濃度的顯著影響。隨后，研究人員通過(guò)熒光定量PCR技術(shù)檢測(cè)了楊樹(shù)葉片和根系內(nèi)16個(gè)參與鎘積累、轉(zhuǎn)運(yùn)和解毒相關(guān)基因的表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)在鎘污染條件下雄株葉片和雌株根系中的上調(diào)基因數(shù)量較多。這一結(jié)果解釋了美洲黑楊雄株葉片和雌株根系能夠比另一性別植株所富集的鎘含量更多的原因。

綜上所述，本研究首次發(fā)現(xiàn)了鎘污染處理導(dǎo)致的楊樹(shù)雌雄植株的抗蟲(chóng)性差異。這些研究結(jié)果（圖1）不僅可以為在重金屬污染地區(qū)利用速生木本植物進(jìn)行土壤修復(fù)時(shí)的性別選擇提供科學(xué)依據(jù)，也可為土壤鎘污染日益嚴(yán)重的背景下雌雄異株植物在種群結(jié)構(gòu)、性別比例、空間分布、生殖格局以及蟲(chóng)害發(fā)生規(guī)律等方面的預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

圖1 本研究相關(guān)的主要內(nèi)容Figure 1 This topic research primary coverage