竞争效应对红色型豌豆蚜繁殖的影响

李 杨，杨燕芬

(遵义师范学院生物与农业科技学院，贵州 遵义 563006)

在生物进化过程中，产生了围绕食物、资源以及空间的种间竞争和种内竞争，特别在有相似生态需求的物种之间，竞争可能异常激烈[1]。竞争往往对一方有利，而另一方受抑制甚至被消灭。对一些节肢动物、植物和微生物来说，竞争是其遗传多样性和生物多样性的主要决定因素之一[2-3]。植食性昆虫的种间竞争普遍存在自然界中，在依靠吸食维管束汁液存活的昆虫当中尤为明显[4-5]。由于许多植食性昆虫无法脱离群体单独存活，同种个体间会相互影响产生种内竞争，其导致的密度效应会影响种群的增殖率及个体大小[6-7]。

克隆繁殖是一些植物、寄生蜂和蚜虫的主要繁殖方式。在克隆生物中，克隆之间的竞争影响着进化结果[8-9]。研究表明非亲缘克隆之间的竞争非常激烈，从而导致局部种群内克隆多样性极大降低[10]。克隆生物往往具有区分亲缘克隆和非亲缘克隆的能力[11]，这种现象在植物和蚜虫上被发现，当克隆植物感觉到附近有基因型不同的个体存在时，它们会在根部投入更多的资源，以提高竞争力[12-14]，部分植物能根据与邻近植物的遗传距离来控制竞争强度[15]。Li等[16]发现豌豆蚜(Acyrthosiphonpisum)具备“自我”和“非我”克隆的识别能力。春季到秋季，蚜虫附着于宿主植物上通过孤雌生殖方式进行繁衍，与其他同种或异种克隆竞争食物和空间[16-17]。各类蚜虫在面对竞争时所采取的竞争策略的也不尽相同，有学者在调查2002—2014年间雪虫(Prociphilusoriens)性比时发现，雪虫性母所产后代雌雄比已经从1985年调查时的1∶1左右，变为极端偏雌，这有利于其血缘后代在早春竞争中占据优势[18]。另外，Hazell等[19]发现竞争力弱的豌豆蚜能产生更多的有翅蚜，从而逃离竞争。

豌豆蚜隶属于半翅目(Hemiptera)蚜科(Aphididae)[20]，主要取食豆科植物，是一种重要的农业害虫，它不仅能直接对寄主造成机械损伤，还能传播病毒病[11,21]。豌豆蚜防治的研究一直是世界上许多国家的一个基础理论和实际应用并重的重大课题。目前文献记载的豌豆蚜有红色型、绿色型以及黄色型[16,22]，且不同色型豌豆蚜间生物学特性具有显著差异[16,23]，但是，当前相关研究大多以绿色型作为研究材料[11,19,24]。调查发现，在我国西北部分地区，红、绿色型豌豆蚜和豌豆修尾蚜(Megouracrassicauda)有时会共存于豆科植物上，但它们之间的竞争效应尚不明确。对于大多数蚜虫而言，竞争力是决定其能否爆发成灾的重要指标，竞争力强的克隆可以占据更多有利的资源，从而增加自身血缘后代数量[19]。Li等[16]对绿色型和黄色型豌豆蚜的竞争过程中种群动态变化进行了详细研究，但是，关于红色型豌豆蚜竞争过程及策略的相关研究还未见报道。本研究选用琼脂法，使用红色型豌豆蚜克隆作为研究对象，对其与豌豆修尾蚜的种间竞争和与绿色型豌豆蚜克隆的种内竞争过程进行详尽的观察研究，探索红色型豌豆蚜的竞争力和竞争策略，拟为豌豆蚜进化机制研究和新型防治策略的制定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试虫源

本研究使用2个不同色型(红色型和绿色型)的豌豆蚜(A.pisum)克隆和1个豌豆修尾蚜(M.crassicauda)克隆进行试验，其中，红色型豌豆蚜克隆(以下简称红色克隆)和绿色型豌豆蚜克隆(以下简称绿色克隆)采集于新疆自治区呼图壁县的紫花苜蓿(MedicagoSativa)植株上，豌豆修尾蚜克隆(以下简称豌豆修尾蚜)采集于甘肃省清水县蚕豆(Viciafaba)植株上。将采集的蚜虫带回实验室，移入光照培养箱(温度：20℃，光周期：L∶D=16∶8,光照强度：7 000～8 000Lux，湿度：50～60%)中，使用5 cm左右的蚕豆幼苗进行单克隆继代饲养，蚕豆品种‘七星长龙’。

1.2 试验设计

1.2.1试验装置 本研究试验使用琼脂法[25]进行，所用培养基为直径12 cm，高4 cm的塑料容器，叶片采集至株高15 cm左右的蚕豆植株‘七星长龙’。

1.2.2种间竞争和种内竞争下红色型豌豆蚜的繁殖力观察 试验设置以下4种试验区。

1头区：将1头4龄红色克隆若虫移入载有1片蚕豆叶的培养基中，标记为1R。再用相同的方法制作绿色克隆和豌豆修尾蚜的1头区，分别标记为1G和1MC。

2头区：分别将2头4龄红色克隆若虫移入载有2片蚕豆叶的培养基中，标记为2R。再用相同的方法制作绿色克隆和豌豆修尾蚜的2头区，绿色克隆2头区标记为2G，豌豆修尾蚜2头区标记为2MC。

种内竞争区：将1头红色克隆和1头绿色克隆4龄若虫同时移入载有2片蚕豆叶的培养基中作为种内竞争区，标记为1R+1G。

种间竞争区：将1头红色克隆和1头豌豆修尾蚜4龄若虫同时移入载有2片蚕豆叶的培养基中作为种间竞争区，标记为1R+1MC。

所有试验区放置于光照培养箱(温度：20℃，光周期：L∶D=16∶8,光照强度：7000～8000Lux，湿度：50～60%)中进行饲养，每天上午检查1次各培养基产蚜情况，初始蚜虫产蚜开始后连续观察15 d，每天使用计数器记录培养基中各克隆的活体数，计数完毕后更换干净的容器盖，每隔3天往培养基中添加一片新鲜蚕豆叶。如果初始蚜虫在产蚜后10天内死亡，则移除该培养基，并制作1个相同的新培养基重新观察。1头区和2头区分别重复9次，种内竞争区和种间竞争区分别重复10次。第15天，种内竞争区和种间竞争区中超过总个体数60%的克隆判定为“竞争胜利者”。

1.2.3高密度“自我”和“非我”种群下红色型豌豆蚜产蚜数观察 从供试虫源中选择红色克隆成虫、绿色克隆成虫及豌豆修尾蚜成虫各5头，分别放入载有2片蚕豆叶的培养基中，任其自由增殖5 d，当各培养基中的蚜虫数达到140～160头后，移除所有成虫，分别得到红色克隆高密度区、绿色克隆高密度区及豌豆修尾蚜高密度区，再分别往各高密度区中放入1头4龄红色克隆若虫，待其发育至成虫，从产蚜开始之日起连续观察3 d，统计各试验区中新加入红色克隆的3 d产蚜数，并以红色克隆1头区(1R)第3天的总个体数为对照进行比较分析，每个试验区重复10次。

1.3 数据处理

本研究所有数据均采用JMP V15进行分析，增殖率的比较使用重复测量进行，个体数的比较使用Tukey-Kramer test法进行，绘图软件是Graphpad prism V9.4，表格使用Word V2019制作。

2 结果与分析

2.1 不同竞争压力下红色型豌豆蚜的繁殖力

2.1.11头区的增殖 分别将1头区各克隆每日总个体数求平均值，得到各克隆的日均个体数变化动态曲线(图1)，3个克隆都从第10～11天开始产出第3代，所以10 d后的曲线更陡峭，通过重复测量可知1R的增殖率显著高于1G(F14,3=11.787,P=0.033)，但是1R的增殖率与1MC之间没有显著性差异(F14,3=4.368,P=0.125)。

图1 1头区的增殖

2.1.22头区的增殖 红色克隆2头区(2R)、绿色克隆2头区(2G)以及种内竞争区(1R+1G)日均个体数的变化动态如图2A所示，1R+1G试验区的增殖率显著高于2R和2G(1R+1G VS 2R:F14,4=7.389,P=0.033;1R+1G VS 2G:F14,4=14.429,P=0.009)，且2R的增殖率显著高于2G(F14,3=12.099,P=0.032)。图2B展示了红色克隆2头区(2R)、豌豆修尾蚜2头区(2MC)和种间竞争区(1R+1MC)日均个体数的变化动态，使用重复测量后发现，1R+1MC的增殖率显著高于2R和2MC(1R+1MC VS 2R:F14,4=104.787,P=0.002;1R+1MC VS 2MC:F14,4=14.230,P=0.010)，但是2MC和2R之间的增殖率没有显著性差异(F14,3=5.241,P=0.099)。

图2 2头区和竞争区的增殖，A:2头区和种内竞争区，B:2头区和种间竞争区

2.1.3种内竞争区和种间竞争区的增殖 在与绿色克隆的种内竞争中，红色克隆全胜，各克隆日均个体数变化动态如图3A所示，第15天，红色克隆平均个体数为221头，绿色克隆平均个体数为139头。而在与豌豆修尾蚜的种间竞争中，红色克隆4次失败，6次获胜。红色克隆失败组和胜利组各克隆的日均个体数变化动态分别如图3B和3C所示。第15天，红色克隆失败组中红色克隆平均个体数为131头，豌豆修尾蚜平均个体数为253头。红色克隆胜利组中红色克隆平均个体数为238头，豌豆修尾蚜平均个体数为138头。

图3 竞争区各克隆的增殖，A:种内竞争区，B：种间竞争区红色克隆失败组，C：种间竞争区红色克隆胜利组

将红色克隆2头区(2R)各重复的每日总个体数除2，得到红色克隆2头区单头组(1R in 2R)的每日总个体数。红色克隆的1头区(1R)、种间竞争区红色克隆胜利组(1R in 1R+1MC(R won))、种间竞争区红色克隆失败组(1R in 1R+1MC(R lost))、种内竞争区红色克隆胜利组(1R in 1R+1G(R won))以及红色克隆2头区单头组(1R in 2R)红色克隆的日均个体数变化动态如图4A所示。通过重复测量发现各区组间单头红色克隆的增殖率具有显著性差异(F56,48=9.551,P<0.001)，由图4A可知，在第10天，种间竞争区红色克隆胜利组(1R in 1R+1MC(R won))的曲线较其他组更为陡峭，用Tukey-Kramer test法对第10天各区组的新生蚜数进行分析后的结果如图4B所示，种间竞争区红色克隆胜利组(1R in 1R+1MC(R won))红色克隆新生蚜数为(21.167±6.178)头，显著高红色克隆1头区(4.444±2.698)头、种间竞争区红色克隆失败组(8.000±3.559)头、种内竞争区红色克隆胜利组(4.300±2.869)头和红色克隆2头区单头组(4.000±1.479)头，但后4者间无显著性差异。

图4 各试验区单头红色型豌豆蚜的增殖动态和第10天的新生蚜数，A：增殖动态，B：第10天的新生蚜数

2.2 高密度“自我”和“非我”种群下红色型豌豆蚜的产蚜数

将1头红色克隆分别放入不同高密度种群后的3 d平均产蚜数如表1所示，在豌豆修尾蚜和绿色克隆的高密度区，红色克隆3 d平均产蚜数均显著低于1头区(1R)，但将红色克隆移入同克隆高密度区后，其3 d平均产蚜数与1头区(1R)无显著性差异。

表1 不同高密度种群对红色型豌豆蚜繁殖的影响

3 讨论

本研究使用琼脂法对红色型豌豆蚜在不同竞争状态下的增殖过程进行了详尽的观察，模拟并再现了红色克隆的竞争过程和结果，该方法目前已被运用于豌豆蚜和其他昆虫的研究[16,25-27]。

在1头区，红色克隆和豌豆修尾蚜间的增殖率虽无显著差异，但均高于绿色克隆，说明1头红色克隆建立种群的速度与1头豌豆修尾蚜相当，但是快于1头绿色克隆。在本研究中，3个克隆的2头区最终种群大小均未达到各自1头区的2倍，当资源充足时，竞争导致的密度效果不会显现，而当资源有限时，密度效应便会对种群发展过程产生影响[28]。换言之，蚜虫种群发展受到资源的限制。有研究认为，蚜虫混合克隆种群的增殖率大于相同克隆组成的种群[16,29]，在种内竞争区和种间竞争区中，混合种群的增殖率均显著高于竞争克隆对应的2头区，故本研究结果支持该结论。因此，无论是种内竞争还是种间竞争，所产生的竞争效应均能增大蚜虫混合种群的规模。

各试验区之间单头红色克隆的增殖率具有差异，所以豌豆蚜在生长过程中，遭遇不同类型的竞争种后，可能会面临不同的结局。种群形成过程中存在优先效应[30]。有研究表明，具有较高繁殖力或首先侵袭宿主的克隆占据了有利的空间和资源，对竞争者具有绝对优势，竞争失败者将被迫转移[16,29-32]。在种内竞争区中，由于红色克隆的增殖率显著高于绿色克隆，在竞争初期便占据了大量资源，并由此取得所有种内竞争的胜利。这一结果支持优先效应理论。在种间竞争区，红色克隆和豌豆修尾蚜各有胜负，红色克隆种间竞争区胜利组中的红色克隆在第10天，总个体数突然大幅增加，比较当天各试验区红色克隆新生蚜数后发现，种间竞争区红色克隆胜利组显著高于红色克隆1头区，而这一现象在种间竞争区红色克隆失败组、种内竞争区红色克隆胜利组以及红色克隆2头区单头组中均未出现。虽然红色克隆和豌豆修尾蚜的增殖率无显著差异，但二者竞争结果总是一方压倒另一方，在前8天，2克隆间个体数差异并不明显，但在第9天，当红色克隆第2代的数量略微超过竞争种时，为了占据更多资源，会加速产蚜，获得繁殖“优先权”后，进一步扩大优势，最终取得种间竞争的胜利，成为胜利组。相反，红色克隆第9天的第2代数量小于竞争种时，会失去繁殖“优先权”，导致竞争失败，沦为失败组。因此，种间竞争的结果可能因初始克隆微小的差异而不同，这种差异可能来自竞争过程中克隆内增殖率的变化。由此推测，本研究中的红色克隆在遇到增殖率与自身无明显差异的异种时可能会通过加速繁殖的方式应对种间竞争。类似现象也在植物中被发现，将车前草(Plantagoasiatica)和白车轴草(Trifoliumrepens)一起播种后，二者相邻种植时车前草发芽同步率比车前草连片种植时高，这预示车前草种子之间可能存在某种交流，并且导致其发芽的同步性[15]。Fukano等[14]发现基因型相同的洋蓟(Cynarascolymus)聚集种植模式下的根系生长量低于不同基因型交替种植模式。因此，红色克隆在面对不同类型竞争时所采取的策略有所不同，导致的结果也有所差异。此外，豌豆蚜的竞争结果也可能受到环境因素的影响。Grainger等[33]指出，夹竹桃蚜(Aphisnerii)和萝藦蚜(Aphisasclepiadis)的竞争结果有很强的温度依赖性。杜军利等[23]研究发现，在20℃时，红色型豌豆蚜的生殖力大于绿色型，但在24℃和28℃时，红色型豌豆蚜的生殖力低于绿色型。另外，豌豆修尾蚜的生殖力也会随着温度变化而发生改变[34-35]。因此，红色型豌豆蚜的种间竞争和种内竞争的结果可能会随着温度变化而发生改变。马亚玲等[36]发现红色型豌豆蚜在低光照强度下的适合度优于绿色型，而且不同光照强度间豌豆蚜的生物学参数具有显著性差异。因此，环境光照强度变化也可能会导致红色型豌豆蚜竞争结果的改变。今后的工作中，将对不同温度和光照强度下豌豆蚜种群动态变化进行详尽研究。

将1头红色克隆分别放入绿色克隆或豌豆修尾蚜的高密度区后发现，其3 d产蚜数均显著降低，而在红色克隆的高密度区，新移入的红色克隆的3 d产蚜数并未受到抑制。该实验中，绿色克隆和豌豆修尾蚜首先占据有利资源，让后来引入的红色克隆繁殖受到抑制，这也符合优先效应理论。据此推测，红色克隆可能通过某种识别机制来区分和感知“自我”和“非我”个体，并根据“非我”个体的数量和分布来控制自身繁殖。换言之，竞争种的分布和数量会影响豌豆蚜的繁殖。蚜虫的体表覆盖着碳氢化合物[37]，这些碳氢化合物被蚂蚁和一些天敌当作搜寻蚜虫的线索[37-38]，同样也可能作为豌豆蚜克隆识别“自我”和“非我”个体的依据。本研究中，由于红色型豌豆蚜克隆的体色与竞争种不同，其识别机制是依靠视觉还是嗅觉尚不明确，未来还需对不同克隆豌豆蚜碳氢化合物进行研究。

4 结论

红色型豌豆蚜能通过评估竞争种和同伴的相对密度来控制繁殖，无论是种间竞争还是种内竞争均能影响其繁殖。且种间竞争还可能加速它的繁殖，因此，红色型豌豆蚜与绿色型或者豌豆修尾蚜共存于植株时，会加重对植物的危害。