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)與保育重點實驗室，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)重點開放實驗室，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、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，會降低防御投入而增加生長和繁殖投入，從而取得相對于本地種較強的競爭優(yōu)勢[3]。但入侵種到達(dá)新生境后，也會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，中國于1986年從美國佛羅里達(dá)州引進(jìn)地上生防昆蟲蓮草直胸跳甲(Agasicleshygrophila)，對空心蓮子草的控制成效顯著[10]。在中國，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的補償生長能力。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)的單獨或共同危害對2種植物生長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、帶有1個莖節(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代成蟲單獨飼養(yǎng)，防止交配，用于后續(xù)試驗。

1.2 地上和地下植食性生物處理

試驗于廣西大學(xué)林學(xué)院的苗圃內(nèi)進(jìn)行。試驗期間，苗圃白天溫度為28～33 ℃，晚上溫度為24～28 ℃，相對濕度為50%～75%。實驗設(shè)計共8個處理，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、對照)×2種地下植食性生物處理(接種根結(jié)線蟲、對照)。每個處理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個深度約為3 mm的小孔。在處理組和對照組的每個孔中分別注入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30 d，再收獲。

1.3 植物收獲與指標(biāo)的測定

用卷尺和游標(biāo)卡尺分別測定植株的莖長和地徑。統(tǒng)計植株的分枝數(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、對照)和地下植食性生物處理(接種根結(jié)線蟲、對照)對2種植物生長性狀(莖長、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)性檢驗和方差齊性檢驗，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2種植物的計數(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。用S-N-K法比較同一物種對不同植食性生物的響應(yīng)之間的差異。采用 SPSS 22.0對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，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植物生長的影響

蓮草直胸跳甲處理×根結(jié)線蟲處理對空心蓮子草的莖長產(chǎn)生顯著的交互影響，蓮草直胸跳甲處理對蓮子草的地徑產(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)線蟲單獨危害對2種植物莖長、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，而對蓮子草的莖長和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)線蟲共同危害對空心蓮子草莖長的抑制作用要強于蓮草直胸跳甲或根結(jié)線蟲的單獨危害作用(表1)。

2.2 地上-地下植食性生物處理對植物根系數(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)均顯著高于對照或蓮草直胸跳甲的單獨危害作用(圖1)。

表1 地上與地下植食性生物處理對空心蓮子草和蓮子草生長性狀影響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植物生物量分配的影響

蓮草直胸跳甲處理對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照相比增加了72.1%，但是，蓮草直胸跳甲、根結(jié)線蟲的單獨危害或兩者的共同危害對蓮子草地上生物量、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，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，提高地上部分的營養(yǎng)品質(zhì)；也會改變次生代謝產(chǎn)物的合成與分配，導(dǎo)致植物對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)線蟲的單獨危害相比，二者的共同危害對空心蓮子草莖長的降低作用更強，而二者的共同危害對蓮子草的莖長無明顯的影響，表明蓮草直胸跳甲和根結(jié)線蟲的協(xié)同作用能提高對空心蓮子草的生物防治效果。項瑤等[19]發(fā)現(xiàn)根結(jié)線蟲對空心蓮子草上的蓮草直胸跳甲的生長發(fā)育有抑制作用，而對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種植物對植食性生物的響應(yīng)機(jī)制不同?？赡苡捎?種植物的營養(yǎng)或防御化學(xué)物質(zhì)的類型和濃度差異以及對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的吸收和利用有限資源來維持較高生長速率的能力。王楠楠等[25]研究也證實，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危害使得空心蓮子草的總生物量降低，而對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防御的投入而降低對生長的投入來應(yīng)對南方菟絲子的寄生，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)對植食性生物的危害可能會通過增加對地上部分(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危害或與地下植食性生物共同危害下，空心蓮子草會將更多的資源投入到地下來為植物提供更多的物質(zhì)和能量儲備，從而使其快速恢復(fù)生長。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，且這種抑制作用比2種植食性生物的單獨作用更強，說明根結(jié)線蟲能增強蓮草直胸跳甲對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的表型可塑性：在根結(jié)線蟲的單獨危害下，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，更強的表型可塑性也是其能成功入侵的原因之一[27]。