向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條組織結(jié)構(gòu)的比較

惠 羽,楊雪梅,楊筱慧

(湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,中國湖南 長沙 410081)

癭是致癭生物誘導(dǎo)寄主植物異常生長形成的特殊植物組織[1]。常見的致癭生物包括病毒、細(xì)菌、真菌、線蟲、螨類和昆蟲[2]。其中,致癭昆蟲的主要類群包括癭蚊科(Cecidomyiidae)、癭綿蚜科(Pemphigidae)和癭蜂科(Cynipidae)等[3]。致癭昆蟲通過物理和化學(xué)刺激誘導(dǎo)寄主植物形成的癭稱為蟲癭。蟲癭是致癭昆蟲和寄主植物共同作用的產(chǎn)物,也是致癭昆蟲表型的延伸[4]。

當(dāng)前,昆蟲致癭的具體機制主要有4種觀點:基因轉(zhuǎn)移致癭、共生菌(病毒)致癭、化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)致癭和植物激素調(diào)控致癭。基因轉(zhuǎn)移致癭觀點認(rèn)為,昆蟲通過質(zhì)粒DNA將自身基因整合到寄主植物的基因組中成功表達而致癭,和農(nóng)桿菌(Agrobacterium spp.)形成冠癭的機制相似[5]。共生菌致癭觀點認(rèn)為,致癭昆蟲共生的細(xì)菌或病毒誘導(dǎo)寄主植物形成蟲癭。例如:寄生蜂(Leptopilina heterotoma)的共生病毒破壞寄主植物細(xì)胞的免疫性,誘導(dǎo)蟲癭的形成[6]?；瘜W(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)致癭觀點認(rèn)為,致癭昆蟲通過產(chǎn)卵和取食等行為的分泌物釋放某種化學(xué)物質(zhì),誘導(dǎo)植物胞內(nèi)反應(yīng),促使植物細(xì)胞代謝異常而形成蟲癭[7]。例如:葡萄根瘤蚜(Viteus vitifolii)唾液腺分泌物富含谷氨酸、色氨酸和組氨酸等氨基酸,將谷氨酸、色氨酸和組氨酸組合注射到植物組織,可誘導(dǎo)植物組織異常生長形成類似蟲癭的結(jié)構(gòu)[8]。植物激素調(diào)控致癭觀點認(rèn)為,昆蟲分泌植物激素誘導(dǎo)蟲癭快速發(fā)育,如:Nysterakis等[9]在昆蟲的唾液中發(fā)現(xiàn)了吲哚乙酸;Yamaguchi等[10]使用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)證實,一種葉蜂(Pontania sp.)幼蟲體內(nèi)和其蟲癭吲哚乙酸的含量高于寄主植物白柳的正常組織。

蟲癭對致癭昆蟲具有重要意義。營養(yǎng)假說認(rèn)為,蟲癭較寄主植物的成癭部位含有較多的營養(yǎng)物質(zhì),為致癭昆蟲提供更加豐富且充分的營養(yǎng)[11～13]。微環(huán)境假說認(rèn)為,蟲癭能緩解環(huán)境溫度的波動,為致癭昆蟲提供適宜生存的小環(huán)境[14]。天敵假說認(rèn)為,蟲癭能保護致癭昆蟲使其避免天敵的傷害[15～17]。

不同蟲癭的形態(tài)和結(jié)構(gòu)存在差異。蟲癭按形狀可分為囊狀、子彈狀、球狀、柱狀花狀、根狀等多種類型,其表面光滑或者布滿細(xì)毛和小刺[18]。例如:鵝掌柴滑管薊馬(Liothrips sp.)為害鵝掌柴(Schefflera),致使葉片在背面形成角狀突起狀蟲癭[19];刺桐姬小蜂(Quadrastichus erythrinae)為害刺桐屬(Erythrina spp.),使植物葉脈兩側(cè)產(chǎn)生瘤狀蟲癭[20]。研究表明,菊癭蜂(Aulacidea sp.)在山柳菊(Hieracium umbellatum)上形成蟲癭的組織類型包括維管組織、薄壁營養(yǎng)組織和營養(yǎng)組織[17,21]。另外,玫瑰犁癭蜂(Diplolepis rosae)刺激苦水玫瑰(Rosa rugosa)形成的蟲癭[21～23]和栗癭蜂(Dryocosmus kuriphilus)在板栗(Castanea mollissima)枝條上形成的蟲癭的結(jié)構(gòu)均包括表皮層、保護層、營養(yǎng)層和蟲室[6]。

癭蜂科為癭蜂總科(Cynipoidea)的植食性類群,包括古癭蜂亞科(Hodiernocynipinae)和癭蜂亞科(Cynipinae),已知約 1 400 種[24～25]。癭蜂亞科可劃分為6個族,分別是草癭蜂族(Aylacini)、薔薇癭蜂族(Diplolepidini)、豆癭蜂族(Eschatocerini)、槭癭蜂族(Pediaspidini)、客癭蜂族(Synergini)和櫟癭蜂族(Cynipini)[25～26]。其中,櫟癭蜂族是癭蜂亞科中種類最為豐富的類群,包含27屬1 000余種[27]。向川安癭蜂(Andricus mukaigawae)屬癭蜂亞科櫟癭蜂族,在白櫟(Quercus fabri)上產(chǎn)卵并于枝條上形成蟲癭。向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條的組織結(jié)構(gòu)差異尚不清楚。本實驗通過制作石蠟切片比較二者組織結(jié)構(gòu)的差異,為進一步研究營養(yǎng)物質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物在向川安癭蜂蟲癭的組織分布提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

蟲癭和無蟲癭枝條樣本于2017年10月采集自湖南新邵縣雀塘鎮(zhèn)(111°34′48″E、27°19′12″N;245 m),寄主植物為白櫟。

1.2 石蠟切片

先將向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條分離,用紗布擦凈蟲癭和枝條上的灰塵。隨后,參考楊捷頻的方法[28]并適當(dāng)修改,進行石蠟切片的制作,具體步驟如下:將蟲癭和無蟲癭枝條置于FAA固定液中固定5 h,然后置于乙醇中脫水,再以二甲苯透明,浸蠟并包埋后用石蠟切片機切片,切片厚度為10 μm,烘片后以番紅、固綠染色,最后用中性樹膠封固制成石蠟切片。番紅可使植物的細(xì)胞核、木質(zhì)化細(xì)胞壁呈鮮紅色,木栓化細(xì)胞壁呈紅褐色;固綠使細(xì)胞質(zhì)和含有纖維素的細(xì)胞壁呈藍綠色[29]。

1.3 顯微觀察

用OLYMPUS BX51顯微鏡(Olympus公司,日本)觀察石蠟切片,用佳能710D相機(Canon公司,日本)拍攝形態(tài)外觀特征。

2 結(jié)果

2.1 向川安癭蜂蟲癭和成癭枝的組織結(jié)構(gòu)

向川安癭蜂在白櫟枝條上形成球狀蟲癭(圖1)。成熟期蟲癭從外到里依次是表皮層、保護層、營養(yǎng)層和蟲室(圖2C)。其中,表皮層由一層扁平的細(xì)胞構(gòu)成,其上生有表皮毛(圖2B)。保護層可以分為兩層,外層是薄壁組織,由薄壁細(xì)胞組成;內(nèi)層分布許多散生的維管束(圖2E),石細(xì)胞成群分布(圖2A),包圍著維管束,在顯微鏡下能夠明顯觀察到高度木質(zhì)化的次生壁,壁上有明顯的紋孔道,此處機械組織發(fā)達,十分堅硬。營養(yǎng)層是蟲癭最內(nèi)層,由3～5層細(xì)胞核很大的營養(yǎng)細(xì)胞組成,圖2D中被染成紅色的部位即為營養(yǎng)細(xì)胞的細(xì)胞核。蟲室是向川安癭蜂幼蟲生長發(fā)育的空間。

圖1 向川安癭蜂蟲癭的形態(tài)和著生位置Fig.1 The morphology and localization of an A.mukaigawae gall

圖2 向川安癭蜂蟲癭的組織切片(A)石細(xì)胞群;(B)表皮層;(C)蟲癭整體觀;(D)營養(yǎng)層;(E)保護層內(nèi)的維管束。SC:石細(xì)胞群;Ep:表皮層;EH:表皮毛;Pr:保護層;Nu:營養(yǎng)層;Lc:蟲室;La:幼蟲;NC:營養(yǎng)細(xì)胞;VB:維管束。Fig.2 The tissue sections of A.mukaigawae galls(A)Stone cells;(B)Epidermis layer;(C)An overall view of the gall structure;(D)Nutritive layer;(E)Vascular bundles in the protective layer.SC:Stone cells;Ep:Epidermis layer;EH:Epidermal hair;Pr:Protective layer;Nu:Nutritive layer;Lc:Insect chamber;La:Larva;NC:Nutritive cells;VB:Vascular bundle.

白櫟無蟲癭枝條具有次生生長的結(jié)構(gòu)特征,從外到內(nèi)依次為周皮、皮層、次生韌皮部、維管形成層、次生木質(zhì)部和髓(圖3)。周皮是由木栓形成層、栓內(nèi)層和木栓層組成的次生保護組織;皮層由薄壁組織組成,細(xì)胞排列疏松;維管形成層由具有潛在分生能力的組織構(gòu)成,其向外、向內(nèi)不斷分裂分化形成次生韌皮部和次生木質(zhì)部。

圖3 白櫟無蟲癭枝條的組織切片Pd:周皮;Co:皮層;SPh:次生韌皮部;VCa:維管形成層;SX:次生木質(zhì)部;Pi:髓;Le:皮孔。Fig.3 The tissue sections of Q.fabri non-galled branchesPd:Periderm;Co:Cortex;SPh:Secondary phloem;VCa:Vascular cambium;SX:Secondary xylem;Pi:pith;Le:Lenticel.

2.2 向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條的結(jié)構(gòu)特征比較

向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條的組織結(jié)構(gòu)存在差異。首先,無蟲癭枝條具維管形成層和周皮(圖 4B、D),而蟲癭具有表皮(圖 4A)和維管束(圖4C)等結(jié)構(gòu)。其次,二者外層的組織不同(圖4A～B),蟲癭的外層為表皮,由具表皮毛的扁平細(xì)胞構(gòu)成,而無蟲癭枝條外層為具皮孔的周皮。再次,二者中間的組織不同(圖4C～D),蟲癭的中間組織是保護層,包括薄壁細(xì)胞群、石細(xì)胞群和散生的維管束;而無蟲癭枝條的中間組織由次生結(jié)構(gòu)組成,包括維管形成層、次生韌皮部和次生木質(zhì)部,未觀察到散生的維管束和石細(xì)胞。另外,蟲癭的內(nèi)層為營養(yǎng)層,其細(xì)胞的細(xì)胞核較大(圖2D),而無蟲癭枝條的內(nèi)層是由薄壁細(xì)胞組成的髓。

圖4 向川安癭蜂蟲癭和白櫟無蟲癭枝條組織切片的比較(A)向川安癭蜂蟲癭的表皮層;(B)白櫟無蟲癭枝條的周皮;(C)向川安癭蜂蟲癭的中間結(jié)構(gòu);(D)白櫟無蟲癭枝條的中間結(jié)構(gòu)。EH:表皮毛;Ep:表皮層;Pd:周皮;Co:皮層;Le:皮孔;VB:維管束;SC:石細(xì)胞群;SPh:次生韌皮部;VCa:維管形成層;SX:次生木質(zhì)部;Pi:髓。Fig.4 Comparison of tissue structure between A.mukaigawa galls and Q.fabri non-galled branches(A)The epidermis layer of A.mukaigawa galls;(B)The periderm of Q.fabri non-galled branches;(C)The intermediate structure of A.mukaigawa galls;(D)The intermediate structure of Q.fabri non-galled branches.EH:Epidermal hair;Ep:Epidermis layer;Pd:Periderm;Co:Cortex;Le:Lenticel;VB:Vascular bundle;SC:Stone cells;SPh:Secondary phloem;VCa:Vascular cambium;SX:Secondary xylem;Pi:Pith.

3 討論

向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條的組織結(jié)構(gòu)存在差異。白櫟上的無蟲癭枝條屬于莖的次生結(jié)構(gòu)[30],由周皮、皮層、次生韌皮部、維管形成層、次生木質(zhì)部和髓構(gòu)成,通過輸導(dǎo)組織將水、無機鹽和有機物運輸?shù)较x癭中,供蟲癭中的昆蟲生長發(fā)育。向川安癭蜂蟲癭由表皮層、保護層、營養(yǎng)層和蟲室組成,這與玫瑰犁癭蜂在苦水玫瑰形成的蟲癭[22]及刺桐姬小蜂在刺桐屬葉片上形成的蟲癭[31]結(jié)構(gòu)相似。根據(jù)天敵假說和營養(yǎng)假說,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異可能和防御及營養(yǎng)物質(zhì)的供給相關(guān)[32]。

向川安癭蜂蟲癭的表皮為排列緊密的扁平細(xì)胞,且具有表皮毛,有保護和防止水分散失的功能[30];向川安癭蜂蟲癭的營養(yǎng)層為向川安癭蜂幼蟲的食物來源,由3～5層細(xì)胞核比較大的營養(yǎng)細(xì)胞構(gòu)成,這與栗癭蜂蟲癭的營養(yǎng)層結(jié)構(gòu)報道[33]一致。癭蜂蟲癭的營養(yǎng)層細(xì)胞具分裂能力,為癭蜂的生長發(fā)育提供營養(yǎng)[34]。保護層的維管束發(fā)生了重新排列且大量存在,石細(xì)胞的次生壁高度木質(zhì)化,因此,蟲癭的機械強度和木質(zhì)化程度都比無蟲癭枝條高,能增加蟲癭硬度。研究表明,蟲癭硬度的增加能夠起到有效的防御作用[32],我們推測,向川安癭蜂保護層高度木質(zhì)化,能阻礙寄生者使用產(chǎn)卵器將卵產(chǎn)于蟲癭組織內(nèi),以保護向川安癭蜂幼蟲。保護層高度木質(zhì)化的機制尚不清楚,值得進一步探索。

致謝:感謝美國東伊利諾伊大學(xué)劉志偉教授為癭蜂鑒定提供幫助。