莲草直胸跳甲和根结线虫共同危害对空心莲子草及莲子草生长的影响

覃海蓉， 郭文锋， 阳莎， 李晓琼

(1.广西大学林学院广西森林生态与保育重点实验室，广西 南宁 530005； 2.广西农科院广西作物遗传改良生物技术重点开放实验室，广西 南宁 530007)

外来物种入侵是全球生物多样性的重要威胁之一，然而关于入侵种成功入侵的机制目前尚无一致结论[1]。外来植物的成功入侵是由于逃避了原产地植食性生物的控制，从而使其在新栖息地大面积生长、繁殖和扩散[2]。入侵植物由于逃逸了原产地专食性植食性生物，会降低防御投入而增加生长和繁殖投入，从而取得相对于本地种较强的竞争优势[3]。但入侵种到达新生境后，也会受到来自入侵地的一些地上、地下植食性生物的取食，从而形成新的互作关系[4]。然而，目前大多数研究关注的是外来植物介导的地上植食性生物-植物互作[5-6]；外来植物介导的地下植食性生物-植物互作[7]及地上-地下植食性生物互作的研究较少[8]。

空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)是一种可在陆地、水生和半水生的生境中生存的多年生草本植物，原产于南美洲，目前已严重入侵到除南美洲以外的其他大洲[6]。莲子草(Alternantherasessilis)是其唯一的中国同属种，通常在南方与空心莲子草同域分布[9]。为了防控空心莲子草的蔓延，中国于1986年从美国佛罗里达州引进地上生防昆虫莲草直胸跳甲(Agasicleshygrophila)，对空心莲子草的控制成效显著[10]。在中国，空心莲子草的根部普遍受到南方根结线虫(Meloidogyneincognita)的危害，其能引起空心莲子草根系功能障碍、生长迟缓[11]。HE等[12]发现，人工模拟地上植食性生物取食和土壤微生物的共同作用下，空心莲子草与莲子草相比具有更强的补偿生长能力。WEI等[13]发现虾钳菜披龟甲(Cassidapiperata)能抑制根结线虫在空心莲子草上的繁殖，但并未影响莲子草上的根结线虫。因此，空心莲子草应对地上-地下植食性生物互作的响应机制仍不清楚。

本研究以入侵植物空心莲子草和其本地同属种莲子草为研究对象，比较莲草直胸跳甲和南方根结线虫(根结线虫)的单独或共同危害对2种植物生长性状和生物量分配的影响，旨在更好地为入侵植物的生物防治提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料的准备

参照陈燕丽等[14]的方法进行育苗。将空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)和莲子草(Alternantherasessilis)植株剪成约4 cm长、带有1个茎节的茎段。将茎段插到装有混合灭菌土壤[V(壤土)∶V(草炭土)=1∶1]的苗盘中。30 d后，将2种植物的分株单独移栽到塑料花盆中(直径为25 cm、高为16 cm)，用100目尼龙网罩罩住，以隔绝其他昆虫。

试验所用线虫在番茄苗上扩繁。跳甲成虫则采集于野外，并在室内饲养，繁殖的2代成虫单独饲养，防止交配，用于后续试验。

1.2 地上和地下植食性生物处理

试验于广西大学林学院的苗圃内进行。试验期间，苗圃白天温度为28～33 ℃，晚上温度为24～28 ℃，相对湿度为50%～75%。实验设计共8个处理，包括2种植物种类(空心莲子草、莲子草)×2种地上植食性生物处理(莲草直胸跳甲取食、对照)×2种地下植食性生物处理(接种根结线虫、对照)。每个处理5次重复，共40盆植株。

参照王贻莲等[15]的方法配制5 000 头·mL-1的根结线虫幼虫悬浮液。参照刘维志[16]的方法进行根结线虫的接种。用打孔器在2种植物的根部钻取2个深度约为3 mm的小孔。在处理组和对照组的每个孔中分别注入2 mL的根结线虫幼虫悬浮液和2 mL无菌水，最后用土壤覆盖小孔。30 d后检查植株被根结线虫侵染的情况。

根结线虫接种处理30 d后，开始地上植食性生物处理。向相应的植物处理组分别放入1头新孵化的莲草直胸跳甲成虫，控制危害率约50%，大约7 d后挪走成虫。让所有植物继续生长30 d，再收获。

1.3 植物收获与指标的测定

用卷尺和游标卡尺分别测定植株的茎长和地径。统计植株的分枝数、粗根数(直径>2 mm)和细根数(直径≤2 mm)，并计算总根数(粗根数+细根数)。最后，分别收获植物的地上、地下部分，置于60 ℃的烘箱中烘干至质量恒定。分别称量地上生物量和地下生物量，计算总生物量(地上生物量+地下生物量)。

1.4 数据处理与统计分析

采用双因素方差分析分别比较地上植食性生物处理(莲草直胸跳甲取食、对照)和地下植食性生物处理(接种根结线虫、对照)对2种植物生长性状(茎长、地径)和生物量分配(地上生物量、地下生物量、总生物量)的影响，将地上植食性生物处理、地下植食性生物处理作为固定因素，并考虑两者的交互效应。所有连续性变量方差分析前均进行了正态性检验和方差齐性检验，其中，空心莲子草的地下生物量进行平方根转换，以满足正态性。分别对2种植物的计数变量分枝数、粗根数、细根数和总根数进行泊松分布检验。用S-N-K法比较同一物种对不同植食性生物的响应之间的差异。采用 SPSS 22.0对所有数据进行统计分析，并用SigmaPlot 14.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 地上-地下植食性生物处理对植物生长的影响

莲草直胸跳甲处理×根结线虫处理对空心莲子草的茎长产生显著的交互影响，莲草直胸跳甲处理对莲子草的地径产生显著的影响。此外，2种植物分枝数的均值和方差差异显著(P>0.05)。与无天敌危害相比，莲草直胸跳甲和根结线虫单独危害对2种植物茎长、地径和分枝数均无显著影响；莲草直胸跳甲和根结线虫的共同危害显著增加了2种植物的分枝数，且显著降低了空心莲子草的茎长，而对莲子草的茎长和2种植物的地径影响不显著(表1)。此外，莲草直胸跳甲和根结线虫共同危害对空心莲子草茎长的抑制作用要强于莲草直胸跳甲或根结线虫的单独危害作用(表1)。

2.2 地上-地下植食性生物处理对植物根系数量的影响

莲子草的粗根数和总根数的均值和方差没有显著性差异(P>0.05)，而空心莲子草的粗根数、总根数和2种植物的细根数的均值和方差差异显著(表2)。莲草直胸跳甲单独危害及其与根结线虫共同危害下，2种植物的粗根数、细根数和总根数与无植食性生物危害相比差异不显著(图1)。但在根结线虫单独危害下，空心莲子草的粗根数、细根数、总根数和莲子草的细根数均显著高于对照或莲草直胸跳甲的单独危害作用(图1)。

表1 地上与地下植食性生物处理对空心莲子草和莲子草生长性状影响Table 1 Effects of aboveground and belowground herbivore treatments on the growth traits of Alternanthera philoxeroides and Alternanthera sessilis

2.3 地上-地下植食性生物处理对植物生物量分配的影响

莲草直胸跳甲处理对空心莲子草的地下生物量产生显著的影响，莲草直胸跳甲与根结线虫处理对空心莲子草的地上生物量产生显著的交互影响。在莲草直胸跳甲和根结线虫单独危害及共同危害下，空心莲子草和莲子草的地上生物量均大于地下生物量。与无天敌危害相比，莲草直胸跳甲单独危害使空心莲子草的总生物量显著降低了39.3%(图 2)。此外，在莲草直胸跳甲和根结线虫共同危害的情况下，空心莲子草的地下生物量与对照相比增加了72.1%，但是，莲草直胸跳甲、根结线虫的单独危害或两者的共同危害对莲子草地上生物量、地下生物量、总生物量的影响均不显著(图2)。

表2 空心莲子草和莲子草分枝和根系数量分配的泊松分布检验Table 2 Poisson distribution test on branch and root allocation of Alternanthera philoxeroides and Alternanthera sessilis

注：采用泊松分布检验，显著结果用S-N-K法进行多重比较，不同小写字母、大写字母分别表示空心莲子草、莲子草在P<0.05水平差异显著。

注：采用双因素方差分析，显著结果用S-N-K法进行多重比较。不同小写字母、大写字母分别表示空心莲子草、莲子草在P<0.05水平差异显著。

3 结论与讨论

本研究发现与莲草直胸跳甲的单独危害相比，莲草直胸跳甲和根结线虫的共同危害使空心莲子草的茎长降低，地下生物量增加，可能是由于根结线虫的存在影响了莲草直胸跳甲在空心莲子草上的表现。这与WEI等[13]的研究结果相似：根结线虫影响了空心莲子草上的虾钳菜披龟甲的生长发育，导致植物受损叶面积减少。有研究表明，地下植食性生物会导致植物嫩芽中可溶性氮和碳的含量增加，提高地上部分的营养品质；也会改变次生代谢产物的合成与分配，导致植物对地上植食性生物的抗性降低[17]。KAPLAN等[18]发现根结线虫可以抑制尼古丁从根到叶的运输，从而使地上植食性生物的取食增加。本研究还发现，与莲草直胸跳甲或根结线虫的单独危害相比，二者的共同危害对空心莲子草茎长的降低作用更强，而二者的共同危害对莲子草的茎长无明显的影响，表明莲草直胸跳甲和根结线虫的协同作用能提高对空心莲子草的生物防治效果。项瑶等[19]发现根结线虫对空心莲子草上的莲草直胸跳甲的生长发育有抑制作用，而对莲子草上的莲草直胸跳甲的取食和发育有促进作用。表明地上-地下植食性生物互作类型与植食性生物和寄主植物的种类相关[20]。此外，植物基因型[4]、植食性生物取食类型[18]及密度[21]等也会影响地上-地下植食性生物互作。

本研究中，莲草直胸跳甲和根结线虫的共同危害使空心莲子草的茎长降低、2种植物的分枝数增加。空心莲子草是具有无性繁殖能力的克隆植物，其主要依靠茎节的无性繁殖体进行克隆繁殖，增加分枝数能使植物产生更多茎节来扩宽生态位以逃逸植食性生物的危害和获取更多的养分和水分等资源。在莲草直胸跳甲和根结线虫的共同危害下，空心莲子草的茎长降低、分枝数增加，也表明空心莲子草在植食性生物的危害下能通过产生更多新的繁殖部件来提高其对植食性生物危害的适应力。郭素民等[22]也发现空心莲子草在南方菟丝子(Cuscutaaustralis)的寄生危害后，也会通过增加其分枝数来适应植食性生物的危害。

本研究发现在根结线虫的单独危害下，空心莲子草的粗根数、细根数增加，而莲子草仅增加了细根数，说明2种植物对植食性生物的响应机制不同。可能由于2种植物的营养或防御化学物质的类型和浓度差异以及对特定植食性生物的敏感性的差异[23]。有研究表明，被植食性生物危害后，空心莲子草叶片中的氮、木质素和纤维素浓度高于莲子草，而纤维素和多酚含量低于莲子草[24]。粗根数和细根数的增加也说明与莲子草相比，空心莲子草在受到植食性生物的危害后具有较强的吸收和利用有限资源来维持较高生长速率的能力。王楠楠等[25]研究也证实，一定程度的人工模拟植食性生物的取食危害反而能增加植物的生产力，使植物表现出较强的耐受能力。

本地植物和入侵植物为响应地上和地下植食性生物的危害，进化出不同的资源分配策略[20]。本研究中，莲草直胸跳甲的单独危害使得空心莲子草的总生物量降低，而对莲子草的总生物量无影响。这一结果与郭素民等[22]的发现相似：空心莲子草能通过增加对防御的投入而降低对生长的投入来应对南方菟丝子的寄生，其总生物量下降、防御性物质(单宁、总酚等)含量增加。此外，莲草直胸跳甲和根结线虫的共同危害使得空心莲子草的地下生物量增加，但总生物量的积累仍以地上部分为主，说明入侵植物为了应对植食性生物的危害可能会通过增加对地上部分(如匍匐茎)的投资来提高其获取光合资源的能力，从而提高整个植株的适应性。MAO等[26]和HU等[5]发现在地上植食性生物单独危害或与地下植食性生物共同危害下，空心莲子草会将更多的资源投入到地下来为植物提供更多的物质和能量储备，从而使其快速恢复生长。而HUANG等[8]发现在地上-地下植食性生物的危害下，入侵地乌桕(Triadicasebifera)与原产地乌桕相比，将更多生物量分配到地上部分，认为入侵种可能会采取“地上优先”的策略，将更多的资源分配到地上以增加植物对地上植食性生物的耐受性。然而，LI等[20]则发现不同来源地乌桕的生物量分配受地上-地下植食性生物种类的影响，仅在专食性昆虫癞皮夜蛾(Gadirthainexacta)和根结线虫危害下，入侵地乌桕才会增加地上生物量的分配。因此，地上-地下植食性生物互作机制很复杂，需要更多、更深入的研究。

总体说来，本研究发现莲草直胸跳甲和根结线虫的共同危害显著降低了空心莲子草的茎长，且这种抑制作用比2种植食性生物的单独作用更强，说明根结线虫能增强莲草直胸跳甲对空心莲子草的控制作用，因此，在陆生生境中，莲草直胸跳甲与根结线虫的协同作用将有助于提高植食性生物对空心莲子草的生物防治效果。此外，还发现空心莲子草在根系和生物量分配方面比莲子草具有更强的表型可塑性：在根结线虫的单独危害下，空心莲子草的粗根数和细根数均增加；而在地上-地下植食性生物的共同危害下，空心莲子草的地下生物量和分枝数也增加，因此，更强的表型可塑性也是其能成功入侵的原因之一[27]。