郭 瑞,王義平,吳 鴻
(浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,浙江臨安 311300)
蟲癭是自然界極常見的生物現(xiàn)象。蟲癭是由造癭生物產(chǎn)卵于寄主表面組織,誘導(dǎo)寄主植物細胞分裂加速而產(chǎn)生的一種形態(tài)多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異常組織 (Stone&Schonrogge,2003;馬雙敏等,2008;王光鉞等,2010)。形態(tài)各異的蟲癭凝聚著昆蟲與植物間顯著、復(fù)雜而密切的相互關(guān)系,是探討多物種間協(xié)同進化的最佳模式材料。致癭生物學(xué)也是生態(tài)學(xué)研究的新方向 (George,2002)。在所有造癭生物中,昆蟲是最主要的類群,包括膜翅目Hymenoptera、鱗翅目Lepidoptera、鞘翅目Coleoptera和半翅目Hemiptera等,但最為常見的主要有癭蜂科 Cynipidae、癭蚊科 Cecidomyiidae、癭綿蚜科Pemphigidae和薊馬科Thripidae等 (劉世彪等,2008)。致癭昆蟲的寄主植物較為專一,如蟲癭的寄主與形態(tài)是鑒定致癭昆蟲物種的重要依據(jù)之一 (Stone&Schonrogge,2003)。同時蟲癭的分布隨著寄主植物的分布、植物種類、土壤肥力等條件的變化而變化,所以致癭昆蟲物種豐富度與自然環(huán)境具有一定相關(guān)性。而蟲癭和寄主植物間的相互作用,也直接影響著致癭生物的寄主選擇、致癭部位以及蟲癭的形態(tài)結(jié)構(gòu)等。目前,蟲癭與寄主植物間的關(guān)系還不明確,致癭昆蟲的致癭機理眾說紛紜,尚無定論 (Price et al.,1987;Stone and Schonrogge,2003),更多的蟲癭資源有待進一步的調(diào)查和挖掘。因此,了解蟲癭基礎(chǔ)生物特性、致癭昆蟲與寄主植物的關(guān)系以及明確影響蟲癭分布的因素,以期為蟲癭的致癭機理、有害蟲癭的控制和有益蟲癭資源的開發(fā)和利用奠定理論基礎(chǔ)。
致癭昆蟲的種類多,據(jù)不完全統(tǒng)計,世界上致癭昆蟲主要隸屬于7目20科,大約有132000多種,僅膜翅目癭蜂科就有1300多種 (Espirito-Santo& Fernandes,2007;Chen& Qiao,2012)。其中在癭蜂所形成的蟲癭中,寄生在殼斗科櫟屬Q(mào)uercus植物的占86%,寄生薔薇科薔薇屬Rose的占7%,寄生菊科Compositae的占7%(賈春楓等,2004;王光鉞等,2010;Yoshihisa et al.,2007)。不同地理條件下寄主植物和致癭昆蟲的種類、致癭部位及其所形成的蟲癭形態(tài)和顏色各異。根據(jù)蟲癭的形態(tài)特征分為:球狀癭、葉斑癭、囊狀癭和花狀癭,依據(jù)寄生部位分為:芽癭、花癭、葉癭、枝條癭和根癭等 (Blanche,1995;Rosalind&John,2001;Dorchin,2006;Rennan et al.,2007;Paulo et al.,2011)。表1所示的為不同生境條件下的蟲癭的多樣性及其寄主植物的種類。
蟲癭的形態(tài)、顏色、癭壁厚度與硬度、癭室的大小等均對癭內(nèi)生物的發(fā)育產(chǎn)生重要影響,如處于癭室直徑較大和癭壁較厚蟲癭內(nèi)的癭蜂,其個體具更高的生殖力,被天敵昆蟲寄生的程度也相對較小;相反狀況下的蟲癭更易受寄生天敵的攻擊。蟲癭的顏色在一定程度上決定了蟲癭被寄生程度的大小。相關(guān)研究表明,蟲癭的顏色越鮮艷,其毒素越高,更有利于保護致癭昆蟲 (Inbar et al.,2010)。另外,蟲癭的寄生部位與蟲癭獲取營養(yǎng)量具有密切關(guān)系。實驗表明,移除由癭蜂屬在櫟屬植物葉片次脈葉緣形成的蟲癭后,處于葉中脈的蟲癭體積增大、重量增加,致癭昆蟲的重量也有所增加,其天敵危害率下降;但移除葉中脈的蟲癭后,則沒有相似結(jié)果出現(xiàn) (Rennan et al.,2007)。這可能與蟲癭養(yǎng)分的獲取多少有關(guān),即處于葉中脈的蟲癭可攔截次脈末梢的營養(yǎng),使其獲得更充足的營養(yǎng)供其生長。
以山柳菊和玫瑰上形成的癭蜂蟲癭為例,蟲癭生長發(fā)育經(jīng)歷了3個階段:初始、生長和成熟(Shorthouse & Leggo,2002;Sliva& Shorthouse,2006)。初始階段始自幼蟲癭室的形成和營養(yǎng)細胞的分化,主要是致癭昆蟲通過產(chǎn)卵和取食等活動誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生次生代謝物。在初始階段,癭蜂卵的裂解對周圍細胞產(chǎn)生重要影響,并在植物的表面產(chǎn)生各種形狀的卵室和死亡組織 (George,2006;Sliva&Shorthouse,2006)。這些組織聯(lián)系產(chǎn)卵通道的疤痕組織的鄰近細胞激發(fā)卵室增厚并發(fā)育成密集的細胞質(zhì),接著具有增大細胞核的細胞與卵室開始裂解退化,引起卵室進一步增大,經(jīng)過十天后,卵開始孵化。然而孵化出來的幼蟲并不立即取食,而是在卵室內(nèi)保持靜止?fàn)顟B(tài),分生組織進一步膨大,卵室下面的細胞進一步增大裂解,在卵室下方的髓質(zhì)內(nèi)形成幼蟲的孔洞 (Shorthouse&Leggo,2002)。15~20天,幼蟲開始進入孔洞,并刺激周圍細胞擴散,首次形成了蟲癭組織。受到幼蟲影響的細胞變小,細胞核變大,細胞質(zhì)稠密度增加,幼蟲孔洞也刺激髓質(zhì)周圍的細胞環(huán)繞著幼蟲的孔洞,分化成前形成層,并且蟲癭組織繼續(xù)分化,形成不同的幼蟲蟲室,進而產(chǎn)生封閉的幼蟲室 (圖2.1-4)(George,2006)。
成長階段是指癭室內(nèi)的營養(yǎng)細胞分化為多層營養(yǎng)層,表現(xiàn)為致癭昆蟲刺激植物產(chǎn)生環(huán)繞卵或幼蟲的蟲癭組織,致癭昆蟲從寄主植物中取食營養(yǎng)細胞和吸收養(yǎng)分 (Ozaki et al.,2005;George,2006)。經(jīng)過起始階段后經(jīng)過15~20天后,蟲癭通常停止發(fā)育,隨著細胞核的增大和細胞質(zhì)稠密度的增加,營養(yǎng)組織環(huán)繞幼蟲蟲室。正在發(fā)育的幼蟲取食營養(yǎng)組織中的營養(yǎng)細胞。營養(yǎng)層薄壁組織(PNT)層的最內(nèi)層轉(zhuǎn)變?yōu)闋I養(yǎng)組織 (NT),維管營養(yǎng)組織 (VT)環(huán)繞著幼蟲蟲室,保持著未分化狀態(tài)(圖3)(George,2006;Sliva& Shorthouse,2006)。
表1 蟲癭形態(tài)結(jié)構(gòu)及其寄主多樣性Table 1 The insect galls morphology and its diversity of hosts
成熟階段以蟲癭細胞的分散和蟲癭成長的結(jié)束為標志,在這一階段中,蟲癭內(nèi)幼蟲癭室的木質(zhì)細胞開始分化,一部分蟲癭皮質(zhì)細胞增厚,這些細胞環(huán)繞著幼蟲蟲室,形成堅硬的細胞組織;另一部分細胞變簿,形成海綿狀的組織結(jié)構(gòu)(Ozaki et al.,2005;Sliva& Shorthouse,2006)。環(huán)繞著幼蟲蟲室的營養(yǎng)細胞在幼蟲癭室周圍增大,最終積累為堅硬的細胞組織,從而使蟲癭進一步增厚形成韌皮部和形成層細胞。當(dāng)所有的營養(yǎng)組織并被幼蟲取食后,成熟的蟲癭中央內(nèi)發(fā)育為標準癭室,此時幼蟲的癭室不曾完全被愈傷組織所填充 (圖2.5)(Shorthouse& Leggo,2002;Sliva&Shorthouse,2006)。成熟后的癭室內(nèi)昆蟲停止吸收寄主植物營養(yǎng)并停止發(fā)育。
圖2 圖示癭蜂在山柳菊上形成蟲癭的各個生長階段 (Sliva&Shorthouse,2006)Fig.2 The stages in the development of galls of Aulacidea hieracii on Hieracium umbellatum
近年來,諸多學(xué)者認為蟲癭是植物產(chǎn)生防御性反應(yīng)的產(chǎn)物 (Stone&Schonrogge,2003)。而目前普遍認為,致癭昆蟲可以操縱寄主植物形成蟲癭,但是其機制尚不清楚。有關(guān)研究表明,致癭昆蟲可根據(jù)寄主植物產(chǎn)生的特定化學(xué)揮發(fā)物在寄主植物上造癭,且不同濃度的揮發(fā)物的誘導(dǎo)作用各不相同 (Allison&Schultz,2005)。不同致癭昆蟲對寄主植物的選擇還取決于寄主本身,如大多數(shù)致癭昆蟲選擇生長旺盛的植物及其部位致癭。然而,癭蜂的個別種類則選擇樹勢較弱的植物作為寄主 (Williams&Cronin,2004)。
圖3 成長階段蟲癭的癭室內(nèi)部結(jié)構(gòu) (癭蜂在玫瑰上形成的蟲癭)(Sliva&Shorthouse,2006)Fig.3 larval Chambers of galls of Diplolepis spinosa on Rosa rugosa
致癭昆蟲與寄主植物間的直接相互作用主要表現(xiàn)為致癭昆蟲的產(chǎn)卵和取食。產(chǎn)卵發(fā)生在蟲癭形成前,在這個過程中,寄主植物的物理或化學(xué)作用影響致癭昆蟲的產(chǎn)卵;而產(chǎn)卵反過來又會決定致癭昆蟲的發(fā)育及存活 (Stone&Schonrogge,2003;Kollár,2011)。因此,寄主植物防御致癭昆蟲的主要策略是抑制致癭昆蟲的產(chǎn)卵行為,或降低其產(chǎn)卵效率。致癭昆蟲在產(chǎn)卵階段,寄主是如何實現(xiàn)這一保護機制?已有研究表明:致癭昆蟲產(chǎn)卵器能否成功突破寄主植物的表皮障礙是致癭的關(guān)鍵,因此,堅硬而厚實的表皮是寄主植物保護自身防御致癭昆蟲的生態(tài)策略之一 (Hartley,1998)。致癭昆蟲在取食階段,寄主植物必定也會產(chǎn)生一定的防御體系來應(yīng)對致癭昆蟲,但致癭昆蟲能夠克服寄主植物的防御體系,成功取食植物組織。實驗表明,部分膜翅目致癭昆蟲為了避免植物自身所產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)毒害,它們利用自身的酶化系統(tǒng),使其具有毒性的組織處于最外層,而新生內(nèi)層組織立即環(huán)繞幼蟲來減少毒素水平,利于其生長 (Allison&Schultz,2005)。這樣就使得寄主防御所產(chǎn)生高濃度的次生代謝產(chǎn)物變成自身有利的營養(yǎng)組織,同時減少了寄生天敵的攻擊(Stone & Schonrogge,2003;Tooker& Hanks,2004;Allison & Schultz,2005)。Hartley(1998)的實驗表明,由于致癭昆蟲天敵主要以致癭昆蟲幼蟲為食,而在被寄生過程中,天敵難以通過蟲癭外部毒素進入癭室而達到寄生的目的,因此,致癭昆蟲就不會受到影響。另外,蟲癭的外部形態(tài)結(jié)構(gòu)也是致癭昆蟲保護其幼蟲不受天敵危害的一種形式。研究表明,蟲癭結(jié)構(gòu)和顏色是限制寄生蜂寄生致癭昆蟲的主要因子之一 (Inbar et al.,2010),如在蟲癭形成初期,因蟲癭表面軟而導(dǎo)致致癭昆蟲被寄生的幾率較大;而在發(fā)育末期,蟲癭壁較厚、外殼變得堅硬,此時被寄生幾率較小。
致癭昆蟲與寄主植物之間具有高度的特異性,對生境的變化具有較好的指示作用。寄主植物的分布、寄主植物棲境的空間結(jié)構(gòu)以及土壤肥力的變化等因素均能影響到蟲癭的多樣性。因此,明確影響致癭昆蟲尋找寄主植物的因素,對充分利用蟲癭資源,提高防治效果極為重要。
植物種類的多樣性及其分布決定了蟲癭的豐富度。相關(guān)實驗表明,致癭昆蟲的分布主要受植物種類和數(shù)量的影響,隨著植物種類和數(shù)量的增加,致癭昆蟲的寄主植物就越多,致癭的機會就會越多,反之,致癭昆蟲的種類可能會受寄主植物物種的減少而下降 (Wright&Samways,1996,1998;Pablo et al.,2003)。但是,不同生境下也可能會表現(xiàn)相反的現(xiàn)象,如單一的的植物群落具有著最豐富的致癭昆蟲群落,而最多樣化的植物群落具有最少的致癭昆蟲群落。這可能與天敵數(shù)量、生境等因素有關(guān)。如在巴西進行的致癭昆蟲多樣性研究結(jié)果表明,由于植物不同種類之間的他感作用,導(dǎo)致原始森林中蟲癭的種類多樣性最低,而人工林和次生林,其多樣性指數(shù)較高(Rennan et al.,2007)。因此,植物物種豐富度是影響致癭昆蟲多樣化的主要因素。
致癭昆蟲的物種豐富度還可能與植物類型(如喬木,灌木,草本和藤本植物)和一些植物種類的生命形式相聯(lián)系,這就使得植物群落改變了致癭昆蟲物種豐富度 (Pablo et al.,2003;Silmary et al.,2001;Mohammed et al.,2012)。廣泛分布的植物比分布范圍較小的植物更容易受到致癭昆蟲的攻擊。如Egan和Ott(2007)的實驗結(jié)果表明,廣泛分布的植物,蟲癭的發(fā)生率較高。通過比較同類植物不同地理分布之間的實驗表明,廣泛分布的植物比分布范圍小的植物的更易致癭,致癭昆蟲物種更豐富 (Blanche&Westoby,1996)。這樣的結(jié)論是否與兩種分布不同物種的化學(xué)防御體系有關(guān),還是與廣泛分布的物種具更強的引誘作用有關(guān),還有待進一步調(diào)查研究。
海拔和緯度梯度與蟲癭及其致癭昆蟲多樣性具有密切關(guān)系 (Price et al.,1998;Blanche,2000;Rosalind&John,2001)。相關(guān)實驗表明,蟲癭及其致癭昆蟲在中海拔高度和干燥的環(huán)境中分布較廣、豐富度較高,而在高海拔和低海拔高度分布較少(Pablo et al.,2003)。但是,由于溫度和濕度的影響,致癭昆蟲的物種豐富度也會隨著海拔的降低而增加 (Rosalind&John,2001)。研究發(fā)現(xiàn),同一海拔高度下,干燥區(qū)域的致癭昆蟲數(shù)量明顯多于潮濕的區(qū)域。這主要是在炎熱干燥的環(huán)境中,真菌和細菌的發(fā)生率較低,天敵數(shù)量較少,更利于致癭昆蟲在這樣的環(huán)境下致癭。然而,對被水淹沒和未被水淹沒環(huán)境下的植物進行研究,發(fā)現(xiàn)被水淹沒的植物,隨著植物葉片的特征變化 (如葉片的大小及較快的增長速度),致癭的可能性會有一定程度的提高 (Ribeiro et al.,1998)。另外,致癭昆蟲的豐富度并不絕對是在炎熱干燥環(huán)境下的豐富度高,還與不同土壤肥力的植物種類有關(guān)(Blanche,2000;Rosalind& John,2001)。
貧瘠土地上的植物會產(chǎn)生較高濃度的次生代謝產(chǎn)物,如油和酚,而這兩類次生代謝產(chǎn)物為致癭昆蟲與自然天敵的斗爭提供了保護 (Pablo et al.,2003,2011)。以磷作為土壤肥力指標,在相對肥沃的土壤中,蟲癭及其致癭昆蟲的數(shù)最和種類較少。相比之下,貧瘠土壤上的植被具蟲癭較多 (Pablo et al.,2003)。這些結(jié)果表明土壤肥力越低,蟲癭及其致癭昆蟲豐富度越高。但Blanche(1996)的研究發(fā)現(xiàn),蟲癭及其致癭昆蟲物種多樣性與土壤肥力沒有直接聯(lián)系,但可以通過植物類群產(chǎn)生間接的聯(lián)系。因此,土壤肥力的大小是否是形成蟲癭的主要因素還有待于進一步研究。
蟲癭是致癭昆蟲與寄主植物相互作用的結(jié)果,而致癭昆蟲能夠依據(jù)化學(xué)物質(zhì)選擇特定的寄主植物,并表現(xiàn)為相對的專一性。目前對蟲癭形成的機制已有探索性研究,得到了諸多初步結(jié)論。如影響癭蜂科蟲癭形成的主要因素是,外在的空間資源的局限性及其寄主植物的專一性,以及內(nèi)在的寄生天敵。由于癭蜂科致癭昆蟲對寄主的特異性,影響了癭蜂種群數(shù)量的大小。另外,某些癭蜂對寄主植物的選擇主要決定于植物活性的大小,其多寄生于生長旺盛且未成熟部位的寄主植物。但致癭昆蟲是如何定位寄主和致癭部位,以及致癭昆蟲對致癭植物部位組織的要求所知甚少。目前僅知致癭昆蟲在產(chǎn)卵過程中產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)引起了蟲癭的產(chǎn)生,但這些化學(xué)物質(zhì)的成分及量與蟲癭形成的關(guān)系還在進一步驗證中。
致癭昆蟲的基因決定形成的蟲癭的形態(tài)和結(jié)構(gòu),但控制蟲癭形態(tài)和結(jié)構(gòu)的基因及其表達過程并不確定。致癭昆蟲與寄主植物間的協(xié)同進化機制,以及致癭昆蟲物種分化機制也是蟲癭的研究的熱點之一。另外,蟲癭具有零星分布的習(xí)性,且目前對致癭昆蟲與寄主植物的對應(yīng)關(guān)系還不確定,更多致癭昆蟲的種類及其生活史、生物學(xué)和寄生天敵等基礎(chǔ)研究仍然十分薄弱,而本文綜述可對蟲癭的發(fā)生、防治及其闡明多物種的協(xié)同適應(yīng)關(guān)系奠定基礎(chǔ)。多數(shù)情況下,蟲癭對寄主植物是有害的,但在蟲癭與寄主植物的相互適應(yīng)過程中,蟲癭的形成限制了致癭昆蟲的進一步危害。甚至有的蟲癭對寄主植物的生長具有決定作用,如榕小蜂類昆蟲形成的蟲癭利于榕屬植物的傳粉(劉世彪等,2008)。另外,蟲癭組織的復(fù)雜性決定其化學(xué)成分的多樣化,且化學(xué)組成和含量因致癭生物種類的不同而各異,蟲癭組織的化學(xué)成分主要包括氮、糖類、酚類、淀粉、各種酸、單寧和單萜類化合物等,這些化學(xué)物質(zhì)均是較好的工業(yè)原料,具有較大應(yīng)用價值。另外,蟲癭的典型代表之一,即五倍子Galla chinensis是世界名貴中藥材。因此,對主要致癭昆蟲的種類資源、生活史、生物學(xué)等研究既具有重要的理論與實踐應(yīng)用價值。
鑒于致癭生物學(xué)研究發(fā)展時間短、基礎(chǔ)弱、蟲癭生物學(xué)的復(fù)雜性和特殊性,因此,對致癭生物學(xué)的研究勢在必行。以下幾方面將是未來主要的研究方向:(1)致癭生物物種的野外調(diào)查與鑒定。致癭生物物種種類繁多,但目前所知種類甚少,特別是特殊生境中的蟲癭 (如植物根部和樹冠部位的蟲癭)以及具有較高經(jīng)濟價值的蟲癭有待于挖掘;(2)癭室內(nèi)物種群落結(jié)構(gòu)組成及其相互關(guān)系。盡管癭室復(fù)雜 (單室或多室)而微小,但常有不同物種共棲 (如致癭昆蟲-寄癭昆蟲-寄生天敵)。因此,癭室內(nèi)物種組成以及彼此間的競爭關(guān)系值得進一步研究;(3)影響致癭生物的選擇及定位寄主植物的主要因素。鑒于致癭生物與寄主植物的專一性對,致癭生物是如何搜尋寄主植物,特別是對特殊生境致癭部位的定位 (如寄主植物根部)值得深入研究;(4)蟲癭的化學(xué)組成及其含量。蟲癭內(nèi)的某些化學(xué)物質(zhì)比正常葉片高出多倍,且大多具有較高經(jīng)濟價值。因此,更多的未知蟲癭及其化學(xué)物質(zhì)有待進一步挖掘和開發(fā);(5)致癭生物的致癭機理。盡管三種假說(即天敵假說、微環(huán)境假說和營養(yǎng)假說)都能夠解釋致癭昆蟲的成因,但均缺少充足而可信的支持證據(jù)。因此,尋找更多的證據(jù)闡明致癭生物的致癭機理將會是研究的重點和熱點。
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