紫茎泽兰入侵前后抗虫物质含量差异及其对泽兰实蝇寄生的响应

高 鑫，宋少杰，孙圆圆，古丽加孜·叶尔肯别克，杨国庆

扬州大学园艺与植物保护学院，江苏 扬州 225009

紫茎泽兰AgeratinaadenophoraSprengel是一种入侵能力很强的恶性杂草，已在全球大部分地区扩散蔓延，不仅给入侵地的农、林、牧业带来巨大的经济损失，还对入侵地的生态系统平衡造成破坏(万方浩等，2011)。该杂草于20世纪40年代经缅甸传入我国，现在已经入侵云南省大部，并在中国西南部6个省份蔓延开来(Wangetal.,2011)。2003年中华人民共和国国家环境保护总局公布的首批入侵国内的16种外来物种名单中，紫茎泽兰位于榜首。

泽兰实蝇ProcecidocharesutilisStone，属双翅目实蝇科，是紫茎泽兰的专食性天敌，主要通过幼虫蛀入紫茎泽兰植株幼嫩茎枝端部，蛀食及刺激被害部位，从而降低营养资源输送效率，影响植株正常光合作用和有机物质的产生和分配，使节间缩短甚至枯死(陈旭东和何大愚，1990；王文琪等，2006；张智英等，1988)。泽兰实蝇自1984年被引入我国(张智英等，1988)，目前已在很多紫茎泽兰分布的省区形成自然种群，但其对紫茎泽兰的控制效果并不理想(杜殿文，2007；李爱芳等，2006)。近年来，有关生长发育和天敌防御资源再分配的变化，已然成为外来植物入侵后适应性研究的热点。有研究表明，紫茎泽兰入侵地种群比原产地墨西哥种群生长得更高大，且入侵后在抗虫特性相关的氮分配方面呈现由细胞壁向光合系统转移的特性(Fengetal.,2009)。这说明紫茎泽兰在到达入侵地之后，已经产生了适应性的变化；但这其中的内在机制是什么，防御型物质的含量如何变化，以及泽兰实蝇寄生后，紫茎泽兰入侵种群和原产地种群地上部抗虫物质相对含量是否变化，值得探究。为此，本研究比较紫茎泽兰原产地与入侵地种群地上部抗虫物质含量的差异及其对泽兰实蝇寄生的响应，以期为探明紫茎泽兰入侵种群持续扩张的化学生态机制提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

紫茎泽兰：试验选取5个紫茎泽兰种群(3个中国云南种群：C1，C2，C3；2个墨西哥种群：M1，M2)。其中，云南种群分别采自云南省临沧市、昆明市落索坡村、昆明市西山区，由云南农业大学提供；墨西哥种群由中华人民共和国农业部外来入侵生物预防与控制中心提供。紫茎泽兰幼苗在扬州大学园艺与植物保护学院温室统一条件(温度约25 ℃，湿度约45%，自然光照)下培养，待生长期为3个月时，挑选长势一致的幼苗用于试验。

泽兰实蝇：从云南农业大学附近紫茎泽兰发生重度区采集带有虫瘿的紫茎泽兰植株移栽至温室，建立稳定的泽兰实蝇实验种群。

1.2 测定方法

1.2.1 原产地和入侵地紫茎泽兰种群地上部整株抗虫物质定量分析 将所取的植株地上部分烘干，并研磨成粉末。准确称取0.5 g置于试管中，用 50%甲醇水溶液超声浸提1 h后用0.45 μm滤器过滤，以提取单宁类物质；用含0.1% 盐酸的甲醇水溶液(v/v=48︰52 )浸提24 h后用0.22 μm滤器过滤，以提取类黄酮物质。然后用高效液相色谱(high performance liquid chromatography，HPLC)法分析6种抗虫物质(单宁类：单宁酸,儿茶素,鞣花酸；类黄酮：槲皮素,异槲皮素,山奈酚)含量。

HPLC：流动相60%甲醇︰40%水，检测波长254 nm，进样量20 μL，温度30 ℃，流速1 mL·min-1，该条件用以检测儿茶素、槲皮素、异槲皮素、山奈酚含量；流动相70%甲醇︰30%水，检测波长279 nm(用以检测单宁酸含量)、254 nm(用以检测鞣花酸含量)，进样量20 μL，温度30 ℃，流速1 mL·min-1。

1.2.2 原产地和入侵地紫茎泽兰种群地上部不同部位抗虫物质定量分析 取上述各个种群幼苗 30 株(每种群 6 株)用于测定。每株幼苗剪取芽尖、茎秆和叶片，分别用牛皮纸包装并置于鼓风干燥机(40 ℃)中干燥 3 d。随后将样品研磨成粉末用于提取单宁类和类黄酮物质(祖元刚等,2006)，并通过HPLC法测定这些物质的含量。

用Vario EL cube元素分析仪测定上述粉末样品中总碳和总氮含量，并计算碳氮比。

1.2.3 泽兰实蝇寄生对紫茎泽兰地上部抗虫物质的影响 将原产地和入侵地紫茎泽兰种群幼苗分别放置在养虫室，自然寄生1周，待虫瘿初现后，单株移栽至装有100 mL 1/4强度Hoagland营养液的玻璃杯中，并用黑布包裹玻璃杯对根部进行遮光处理。植株地上部分单株笼罩纱网(60目)，另选择6株未被寄生的紫茎泽兰作为对照。设置2个检测时段：虫瘿初现，虫瘿破膜前。取植株自上向下第4对叶片，烘干并研磨成粉用以提取单宁类和类黄酮物质，并测定其含量，方法同1.2.1。

1.3 数据处理

数据的处理均采用DPS v7.05软件，组内多重比较采用Fisher′s PLSD 法，并进行显著性检验；种群寄生处理与对照之间的差异性比较采用DPS软件中的studentt测验。所有分析结果均用SigmaPlot 10.0软件作图，所有数据均为平均值±标准误(means±SE)。

2 结果与分析

2.1 原产地和入侵地紫茎泽兰种群地上部分碳氮比

地上部分碳氮比检测结果(图1A)表明，入侵地紫茎泽兰种群碳氮比不同程度地低于原产地种群。其中，C2种群最为明显，其整株碳氮比比原产地M1和M2种群分别低28.9% 和28.0%。不同部位碳氮比检测结果显示，入侵地紫茎泽兰种群的茎秆、芽尖、叶片部分碳氮比低于原产地种群；组内多重比较结果表明，C2种群茎秆部分碳氮比显著低于原产地种群(P<0.05)。

2.2 原产地和入侵地紫茎泽兰种群地上部单宁类物质含量比较

单宁酸检测结果(图1B)显示，入侵地3个种群的单宁酸含量均低于原产地的2个种群。其中，芽尖部位最明显，3个入侵地种群单宁酸含量均值比2个原产地种群均值低26.4%。由儿茶素的检测结果(图1C)可见，入侵地3个种群的儿茶素含量均低于原产地的2个种群。其中，C2种群最为明显，儿茶素整株含量分别比原产地M1和M2种群低40.3%和37.8%(F=4.18，P=0.01)。鞣花酸的检测结果(图1D)表明，入侵地C1种群茎秆部位鞣花酸含量比原产地M2种群低60.9%(F=5.68，P<0.01)，入侵地C1和C2种群芽尖部位鞣花酸含量比原产地M2种群低46.8%和45.7%。

2.3 原产地和入侵地紫茎泽兰种群地上部类黄酮物质含量比较

检测结果表明，入侵地紫茎泽兰种群体内类黄酮含量不同程度地低于原产地种群。其中，入侵地C1种群芽尖部位槲皮素含量比原产地M2种群低45.9%(图1E)；C2种群叶片中异槲皮素含量比M1种群低74.1%(图1F)；入侵地3个种群的山奈酚含量均显著低于原产地M2种群，C1、C2和C3种群山奈酚整株含量分别比M2种群低42.7%、42.3%和44.9%(图1G，F=10.337，P<0.01)。

2.4 泽兰实蝇寄生对紫茎泽兰单宁类物质含量的影响

检测结果显示，原产地和入侵地紫茎泽兰种群在被泽兰实蝇寄生后，单宁类物质含量与对照相比有不同程度的增加，但原产地种群变化更为明显。虫瘿初现时，原产地M2种群的单宁酸含量与对照相比升高了28.9%(图2A)，M1种群的鞣花酸含量与对照相比升高了26.5%(图2C)；虫瘿破膜前，原产地M1种群和入侵地C2种群单宁酸含量与对照相比分别升高了40.3% 和34.7%(图3A)，M1种群和C1种群儿茶素含量与对照相比分别升高了163.2%和134.9%(图3B)。

2.5 泽兰实蝇寄生对紫茎泽兰类黄酮物质含量的影响

检测结果显示，在被泽兰实蝇寄生以后，原产地和入侵地种群槲皮素和异槲皮素的含量与对照相比有所上升。其中，M2种群在虫瘿初现时，槲皮素含量比对照升高了63.5%(图2D)；C3种群在虫瘿破膜前，槲皮素含量与对照相比升高了64.9%(图3D)；M1种群在虫瘿初现时，体内异槲皮素含量与对照相比升高了80.1%(图2E)。然而，紫茎泽兰体内的山奈酚含量与对照相比均大幅降低(图2F，图3F)。

3 讨论

外来植物能够在入侵地成功定殖和扩张，与其逃离了原产地天敌特别是专食性天敌的胁迫有关，即“天敌逃逸假说”(Keane & Crawley,2002)。由于在入侵地缺乏专一性天敌的取食，一些外来植物体内原先用于天敌防御的资源常出现再分配(Müller-Schäreretal.,2004; Schaffneretal.,2011)。这些资源分配倾向于2个方面：(1)生长或繁殖，以促进资源竞争力的增强，如入侵北美的北艾ArtemisiavulgarisLinn、入侵中国的喜旱莲子草Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.等(潘晓云等，2006，2007; Barneyetal.,2009)；(2)产生更多对于入侵地伴生植物新的不利的化感物质，如研究证实，紫茎泽兰对本地植物有化感抑制作用(Yangetal.,2013,2016)，且入侵地紫茎泽兰种群对伴生植物产生的挥发性化感抑制作用高于原产地种群(Inderjitetal.,2011)。氮在入侵植物光合结构和天敌防御系统中的分配具有权衡关系，这种权衡关系可以对入侵地的专性(广谱)天敌缺乏做出进化响应，即减少向防御系统的分配比例，提高向光合结构的分配比例，导致光合能力和氮利用效率等与资源捕获和利用相关参数的提高，植物生长加快，促进其入侵扩张(Fengetal.,2009)。本研究发现，入侵地种群紫茎泽兰的碳氮比不同程度地低于原产地种群，不同于入侵植物乌桕Sapiumsebiferum(L.) Roxb.(Huangetal.,2010; Siemann & Rogers,2001; Wangetal.,2012)，这可能与不同外来植物进入新生境后面临的不同天敌取食压力有关。入侵地紫茎泽兰种群抗虫物质含量显著低于原产地种群，这与外来植物入侵后抗虫性下降有关。乌桕植株内应对专一性天敌的丹宁含量也明显低于原产地植株(Wangetal.,2012)；葱芥Alliariapetiolata(M.Bieb.) Cavara et Grande入侵前后种群中芥子油苷含量也具有类似的变化(Cipollinietal.,2005)。

图1 原产地和入侵地紫茎泽兰种群地上部分碳氮比及抗虫物质含量Fig.1 Ratios of carbon and nitrogen and contents of anti-herbivore substances in the native and invasive populations of Ageratina adenophora M1和M2分别指紫茎泽兰墨西哥种群1和种群2；C1、C2和C3分别指紫茎泽兰中国种群1、种群2和种群3。图中数据为平均值±标准误，同组内不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。M1 and M2:Native A.adenophora populations from Mexico; C1,C2 and C3:Invasive A.adenophora populations from China.Data are means±SE.Different letters in the same group indicate significant differences at P<0.05 level.

图2 虫瘿初现时紫茎泽兰不同种群的抗虫物质含量Fig.2 Contents of anti-herbivore substance in different Ageratina adenophora populations at gall initiationM1和M2分别指紫茎泽兰墨西哥种群1和种群2；C1、C2和C3分别指紫茎泽兰中国种群1、种群2和种群3。图中数据为平均值±标准误，同组内标*表示在5%水平上差异显著。M1 and M2:Native A.adenophora populations from Mexico; C1,C2 and C3:Invasive A.adenophora populations from China.Data are means±SE.*in the same group indicate significant differences at P<0.05 level.

从原产地引进专食性天敌，是常用的入侵植物防控方法之一；但是，天敌引进后的防控实效还需要进行实际评价。有些专食性天敌虽然在入侵地建立了种群，但是并未有效控制入侵植物的持续扩张(Mc Fadyen,1998)，这可能是由于入侵植物在本地的适应进化，导致了其防御生态策略的变化。植物应对不同生态类型的天敌，防御机制也不同(Caoetal.,2009；Joshi & Vrieling,2005; Müller-Schäreretal.,2004; Ridenouretal.,2008)。植物体内木质素和单宁类物质一般作为专食性天敌的消化抑制剂，用以抵抗专食性天敌的取食(Müller-Schäreretal.,2004)；生物碱或类黄酮等毒素被认为主要抑制广谱性天敌，而专食性天敌能够去除或螯合这些化合物(Cipollinietal.,2008; Diaz-Napaletal.,2010；Müller-Schäreretal.,2004)。入侵植物在对新生境长期的适应过程中，倾向于降低对专食性天敌的防御，如专食性天敌光蝉ProkelisiamarginataVan Duzee更喜欢取食入侵时间较长的华盛顿互花米草SpartinaalternifloraLoisel种群(Daehler & Strong,1997)。本研究发现，泽兰实蝇的寄生使得紫茎泽兰原产地和入侵地种群的多数单宁类和类黄酮物质的含量出现不同程度的增加；乌桕树在专食性天敌和广谱性天敌取食后的抗虫性变化情况类似(Wangetal.,2012)。但是，泽兰实蝇寄生后，紫茎泽兰的山奈酚含量明显降低；山奈酚是一种抵御广谱性天敌的化合物，其含量的降低可能是由于不同防御物质在天敌胁迫下发生了适应性改变。因此，广谱性天敌和泽兰实蝇在不同来源地紫茎泽兰种群上的生长发育情况，以及广谱性天敌的胁迫或广谱性天敌与泽兰实蝇的共同取食是否也会影响紫茎泽兰生长和防御物质的分配，还需进一步研究。

图3 虫瘿破膜前紫茎泽兰不同种群的抗虫物质含量Fig.3 Contents of anti-herbivore substance in different Ageratina adenophora populations before gall ruptureM1和M2分别指紫茎泽兰墨西哥种群1和种群2；C1、C2和C3分别指紫茎泽兰中国种群1、种群2和种群3。图中数据为平均值±标准误，同组内标*表示在5%水平上差异显著。M1 and M2:Native A.adenophora populations from Mexico; C1,C2 and C3:Invasive A.adenophora populations from China.Data are means±SE.*in the same group indicate significant differences at P<0.05 level.

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