昆蟲與植物的協(xié)同進(jìn)化

1、科技前沿昆蟲與植物的協(xié)同進(jìn)化:寄主植物-鈴夜蛾-寄生蜂相互作用3王琛柱33欽俊德(中國科學(xué)院動(dòng)物研究所農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100080I nsect 2plant co 2evolution :multitrophic interactions concerning Helicoverpa species .W ANG Chen 2Zhu 33,QI N Jun 2De (State K ey Laboratory o f Integrated Management o f Pest Insects and Rodents ,Institute o f Zoology ,

2、Chinese Academy o f Sciences ,Beijing 100080,China Abstract In the field of insect 2plant interactions ,the theory of co 2ev olution proposed by Ehrlich and Raven in 1964and the theory of sequential ev olution by Jermy in 1976have stimulated many studies over recent decades.C oncerning the tw o theo

3、ries ,several major questions are brought forward :(1H ow insect herbiv ores select host plants ?(2D o secondary com pounds protect plants from attacking of insect herbiv ores ?(3D o insect herbiv ores adapt to plant chemical defenses ?(4What pattern is the ev olution of host range in insect herbiv

4、ores ,specialization or generalization?F ocused on the above questions ,the results in the studies of tritrophic interactions concerning Helicoverpa species were discussed.Based on the co 2ev olution and sequential ev olution theories and the considerable advances made in tritrophic interactions rec

5、ently ,a new hypothesis called multitrophic co 2ev olution is proposed.The multitropic co 2ev olution hypothesis accepts that plant secondary com pounds play an im portant role in chemical defense of plants and host selection of insect herbiv ores ,but expands the interacting insect 2plant system to

6、 the multitrophic system ,in which the im pact of the third trophic level and host shift on the ev olution of insect host range are em phasized.K ey w ords co 2ev olution ,sequential ev olution ,Helicoverpa ,multitrophic co 2ev olution hypothesis摘要近數(shù)10年內(nèi),Ehrlich 和Raven 于1964年提出的協(xié)同進(jìn)化理論及Jermy 于1976年提出

7、的順序進(jìn)化理論極大地促進(jìn)了對(duì)昆蟲與植物相互作用的研究。文章首先簡要介紹有關(guān)理論,對(duì)植食性昆蟲與植物關(guān)系研究的若干核心問題進(jìn)行評(píng)述。主要問題包括(1植食性昆蟲如何選擇寄主植物?(2植物次生物質(zhì)是否作為植物防御昆蟲取食的重要屏障?(3昆蟲能否適應(yīng)植物的化學(xué)防御?(4植食性昆蟲寄主范圍是否是從廣到專演化的?隨之,作者結(jié)合對(duì)鈴夜蛾Helicoverpa 系統(tǒng)研究取得的結(jié)果,對(duì)上述問題做了進(jìn)一步的論證和闡述。最后,在繼承協(xié)同進(jìn)化、順序進(jìn)化等理論精髓的基礎(chǔ)上,根據(jù)當(dāng)今三營養(yǎng)級(jí)相互作用領(lǐng)域的研究新進(jìn)展,提出一個(gè)新的假說,即多營養(yǎng)級(jí)協(xié)同進(jìn)化假說。該假說肯定植物次生物質(zhì)在植物防御和昆蟲識(shí)別寄主植物上的重要作用,

8、同時(shí)把其他營養(yǎng)級(jí)并列放入交互作用的系統(tǒng),特別強(qiáng)調(diào)第三營養(yǎng)級(jí)在昆蟲與植物關(guān)系演化過程中的參與和寄主轉(zhuǎn)移與昆蟲食性?；蛷V化的聯(lián)系。關(guān)鍵詞協(xié)同進(jìn)化,順序進(jìn)化,鈴夜蛾屬,多營養(yǎng)級(jí)協(xié)同進(jìn)化假說3國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(30330100和創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目(30621003;本文為昆蟲知識(shí)編委會(huì)特邀稿件。33E 2mail :czwang 收稿日期:2007204204,接受日期:2007204220生物間在漫長進(jìn)化過程中形成的相互作用關(guān)系,是物種賴以生存的根本,是環(huán)境穩(wěn)定的基礎(chǔ)。認(rèn)識(shí)和掌握物種間的相互關(guān)系及其協(xié)同進(jìn)化規(guī)律,是生物科學(xué)交叉研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容,也是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。過去,人

9、類113200744(3昆蟲知識(shí)Chinese Bulletin of Entom ology 由于對(duì)這種內(nèi)在相互作用關(guān)系的無知和漠視,采取不適當(dāng)?shù)拇胧┤缁瘜W(xué)農(nóng)藥的濫用,導(dǎo)致害蟲抗性增強(qiáng)、天敵被殺傷、新害蟲暴發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)損壞,造成人類的糧食、資源、環(huán)境等危機(jī)愈加嚴(yán)重。植物和昆蟲是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成。植物是最基本的生物組成,通過光合作用生產(chǎn)維持生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì);昆蟲作為動(dòng)物界種類最多的類群,其中約12取食植物,據(jù)估計(jì)可消耗110的植物產(chǎn)量;植物面對(duì)巨大的自然選擇壓力,演化了豐富多樣、極其微妙的防御機(jī)制。植物與昆蟲在種類與生活的多樣化,成為研究生物間并行演化的重要基礎(chǔ)1。為此,生物進(jìn)化理論在

10、昆蟲與植物關(guān)系研究領(lǐng)域得到了空前的發(fā)展。具有里程碑式意義的協(xié)同進(jìn)化(co 2ev olution 理論是Ehrlich 和Raven 對(duì)粉蝶與其寄主植物關(guān)系的研究后首次提出的2。這一理論影響深遠(yuǎn),并滲透到生物學(xué)的其它各個(gè)領(lǐng)域。此后,隨著昆蟲與植物關(guān)系研究的拓展和深入,協(xié)同進(jìn)化理論得到不斷發(fā)展和補(bǔ)充,如Jermy 提出的順序進(jìn)化(sequential ev olution 3,van Valen 、F ox 和Thom ps on 等提出的彌散協(xié)同進(jìn)化(diffuse co 2ev olution 及協(xié)同進(jìn)化的地理馬賽克理論(geographic m osaic theory of co 2ev

11、 olution 等47。昆蟲與植物的關(guān)系及其演化反映了許多重要的進(jìn)化生物學(xué)問題,其中的規(guī)律對(duì)生物多樣性保護(hù)、有效合理地控制害蟲,實(shí)現(xiàn)農(nóng)林牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要現(xiàn)實(shí)意義。1理論背景Ehrlich 和Raven 根據(jù)對(duì)粉蝶與其寄主十字花科植物關(guān)系的研究,首次提出協(xié)同進(jìn)化理論2。他們認(rèn)為,種子植物通過偶然的遺傳突變與基因重組,產(chǎn)生一系列的次生物質(zhì),使植物不為昆蟲所嗜食,因此進(jìn)入新的適應(yīng)域;相應(yīng)地,昆蟲種群通過基因突變或基因重組,產(chǎn)生新的適應(yīng)性而進(jìn)入新的適應(yīng)域,并開始種系分化;成對(duì)的交互作用的結(jié)果造成昆蟲食性的?；⑿纬蓜?dòng)植物生態(tài)關(guān)系多樣性(圖1。協(xié)同進(jìn)化理論強(qiáng)調(diào)植物次生物質(zhì)在植食性昆蟲與植物的相互

12、作用關(guān)系中的重要性,得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,并大大促進(jìn)了昆蟲與植物關(guān)系領(lǐng)域研究的進(jìn)展 。圖1Ehrlich 和Raven 2提出的昆蟲與植物協(xié)同進(jìn)化模式(序號(hào)表示進(jìn)化的步驟對(duì)于Ehrlich 和Raven 的協(xié)同進(jìn)化理念,學(xué)術(shù)界多數(shù)人能接受,植食性昆蟲與植物都影響著對(duì)方的進(jìn)化。但是在一個(gè)給定的系統(tǒng)中,這種影響是否為交互適應(yīng)從而形成成對(duì)的進(jìn)化關(guān)系?到目前為止,從嚴(yán)格意義上支持這種成對(duì)協(xié)同進(jìn)化的例證很少。顯而易見,協(xié)同進(jìn)化理論需要在不斷的研究中得到補(bǔ)充和發(fā)展。匈牙利著名昆蟲學(xué)家Jermy 在從事多年葉甲與茄科植物關(guān)系的研究后,認(rèn)為昆蟲與植物對(duì)對(duì)方進(jìn)化施加的影響并不對(duì)等,植物的進(jìn)化是包括昆蟲、微生物在

13、內(nèi)的很多生物的脅迫的結(jié)果,單就植食性昆蟲對(duì)植物的進(jìn)化的影響似乎不明顯,相反昆蟲的進(jìn)化是跟隨著植物的進(jìn)化而進(jìn)行的,由此他提出了順序進(jìn)化理論(圖23。這一理論強(qiáng)調(diào)昆蟲對(duì)寄主植物選擇機(jī)制的重要性,特別是昆蟲對(duì)寄主植物次生物質(zhì)的識(shí)別。對(duì)Ehrlich 和Raven 協(xié)同進(jìn)化理論的一個(gè)重要發(fā)展,是基于這樣一個(gè)問題,即一種昆蟲與其寄主植物成對(duì)的相互作用,是否也會(huì)波及群落中其它的昆蟲與植物,由此產(chǎn)生彌散性的影響,而不限于某些昆蟲與其寄主植物成對(duì)的關(guān)系,于是彌散協(xié)同進(jìn)化的理論被提出4。該理論認(rèn)為群落中的不同種類的相互作用非常密切,其213昆蟲知識(shí)Chinese Bulletin of Entom ology

14、200744(3 質(zhì)如印楝素、川楝素、番茄苷、煙堿、棉酚、根皮苷、黑芥子苷酸鉀、丁布等在昆蟲與植物關(guān)系中作用的研究時(shí)有報(bào)道1521。植物在演化過程中,對(duì)化學(xué)防御的投入從經(jīng)濟(jì)有效出發(fā),有的形成了誘導(dǎo)性防御,即只有在昆蟲前來取食時(shí)才產(chǎn)生防御物質(zhì)。植物如何“感知”昆蟲的危害并能主動(dòng)地啟動(dòng)誘導(dǎo)防御系統(tǒng),成為當(dāng)今昆蟲與植物關(guān)系研究的熱點(diǎn)問題。G reen 等在研究馬鈴薯與馬鈴薯甲蟲Leptinotar sa decemlineata 的關(guān)系中發(fā)現(xiàn),植物能被蟲害誘導(dǎo)產(chǎn)生新的化學(xué)防御22。隨著生化和分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,誘導(dǎo)反應(yīng)的整個(gè)機(jī)制日益明確。當(dāng)昆蟲取食時(shí),水解植物細(xì)胞壁后得到的寡聚的半乳糖醛酸片段,激

15、發(fā)受傷組織周圍的蛋白酶抑制素基因;與此同時(shí),內(nèi)源產(chǎn)生的一種systemin 的多肽運(yùn)輸于整個(gè)植株,并激活依賴于茉莉酸的信號(hào)傳遞級(jí)聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng),啟動(dòng)遠(yuǎn)離傷口組織的蛋白酶抑制素基因的表達(dá),使得蛋白酶抑制素在植物體內(nèi)的含量在短期內(nèi)迅速上升,阻止昆蟲的進(jìn)一步侵害23。這方面的研究為當(dāng)今轉(zhuǎn)蛋白酶抑制素基因抗蟲植物的成功奠定了重要基礎(chǔ)24。此外,還發(fā)現(xiàn),煙草天蛾Manduca sexta 可誘導(dǎo)煙草體內(nèi)煙堿等次生物質(zhì)的含量增加,昆蟲唾液及反吐液中的脂肪酸衍生物(fatty acid 2amino acidcongrugate ,FAC 是誘導(dǎo)植物防御的必要因子,其誘導(dǎo)機(jī)制與依賴于茉莉酸的信號(hào)傳導(dǎo)途徑也有關(guān)2

16、5,26;植物甚至可以被蟲害誘導(dǎo)產(chǎn)生警告和求救信號(hào)物質(zhì),不僅能“告知”鄰近的植物產(chǎn)生防御,而且可招引昆蟲天敵的造訪27。植物防御物質(zhì)的作用機(jī)制及其防御上的時(shí)空動(dòng)態(tài)成為昆蟲與植物協(xié)同進(jìn)化研究的前沿課題。213昆蟲能否適應(yīng)植物的化學(xué)防御?怎樣適應(yīng)?植食性昆蟲能否對(duì)植物次生物質(zhì)產(chǎn)生適應(yīng)?回答是肯定的。十字花科植物內(nèi)含有有毒次生物質(zhì)葡糖黑芥子苷鹽(glucosinates ,但取食該類植物的昆蟲不僅不受毒害,反而把它作為引誘刺激取食的線索。昆蟲能在行為上對(duì)植物體內(nèi)變動(dòng)的次生化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行躲避,而更多見的是在生理生化上增強(qiáng)解毒作用2830。昆蟲對(duì)植物的誘導(dǎo)防御也能產(chǎn)生適應(yīng)。Musser 等發(fā)現(xiàn),美洲棉鈴蟲

17、Helicoverpa zea 唾液中有一種葡萄糖氧化酶,當(dāng)昆蟲取食時(shí)該酶能抑制煙草(Nicotine tabacum 啟動(dòng)其誘導(dǎo)防御系統(tǒng),這種功能是通過直接抑制茉莉酸信號(hào)的生成或作用于其它信號(hào)途徑而實(shí)現(xiàn)的31;不僅如此,昆蟲在取食時(shí)可探測到引起植物防御反應(yīng)的信號(hào)(茉莉酸和水楊酸鹽,這些信號(hào)物質(zhì)可活化美洲棉鈴蟲的4種細(xì)胞色素P450的基因,增強(qiáng)自身的解毒能力32。在我們研究大豆蛋白酶抑制素對(duì)昆蟲的作用機(jī)制時(shí),發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲中腸蛋白酶活性不僅不下降,反而有顯著升高,這是否是一種適應(yīng),詳細(xì)的機(jī)制亟待研究16。214植食性昆蟲寄主范圍是否是從廣到專演化的?在植食性昆蟲中,大多數(shù)是專食性的,它們只取食植物

18、的某一科中有限的一種或數(shù)種植物,而取食不同科多種植物的廣食性昆蟲僅占很小比例。因此,不少生物學(xué)家認(rèn)為昆蟲是從廣食性向?qū)Ｊ承匝莼摹Ｊ鞘裁丛驅(qū)е逻@種格局?這是當(dāng)今昆蟲與植物協(xié)同進(jìn)化領(lǐng)域研究的中心問題之一。根據(jù)Ehrlich 和Raven 的協(xié)同進(jìn)化理論,決定昆蟲食性的主要是植物化學(xué)成分,其中主要是次生物質(zhì),因此廣食性的昆蟲,須在行為和生理上適應(yīng)植物多樣的化學(xué)防御,而這種投入應(yīng)是高代價(jià)的;而專食性的昆蟲則正好相反,寄主專一性應(yīng)給昆蟲帶來生理和生態(tài)上的補(bǔ)償。Bernays 研究表明,昆蟲食性?；蓽p少被天敵捕食和寄生的機(jī)會(huì),天敵對(duì)昆蟲食物廣度的演化有重要作用33。廣食性和專食性昆蟲所接觸的次生物質(zhì)

19、,在種類和數(shù)量上有明顯的差異,是否在進(jìn)化過程中對(duì)次生物質(zhì)采取了不同的適應(yīng)對(duì)策?廣食性昆蟲的適應(yīng)機(jī)制是否多樣化?專食性昆蟲的適應(yīng)方式是否更為特化?天敵在植食性昆蟲食性專化上起怎樣的作用?回答這些命題,選擇合適的研究系統(tǒng)至關(guān)重要。413昆蟲知識(shí)Chinese Bulletin of Entom ology 200744(33鈴夜蛾屬昆蟲與寄主植物和寄生蜂間的相互作用在協(xié)同進(jìn)化研究中,多數(shù)選擇的研究對(duì)象是寄生關(guān)系專化的種類,而對(duì)那些寄主范圍較廣的種類則避而遠(yuǎn)之,事實(shí)上廣食性的種類在進(jìn)化過程可能采取不同的策略,因此在協(xié)同進(jìn)化研究中,選擇系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系相近但寄主范圍差異明顯的物種進(jìn)行比較研究,有可能對(duì)協(xié)同

20、進(jìn)化理論的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。在我國發(fā)生的鈴夜蛾屬Helicoverpa2種昆蟲,為研究植物的化學(xué)防御與昆蟲的適應(yīng)機(jī)理、昆蟲食性的遺傳和演化提供了理想的研究素材。這2種昆蟲,一種是棉鈴蟲Helicoverpa armigera,另一種是煙青蟲Helicoverpa assulta。它們親緣關(guān)系極近,取食行為也很相似,均嗜食草本植物的花與果實(shí),但寄主范圍卻截然不同。煙青蟲的寄主范圍窄,只取食1個(gè)科茄科的少數(shù)幾種植物如煙草和辣椒;棉鈴蟲的寄主范圍則甚廣,取食至少30科200余種植物。2種昆蟲都是我國的農(nóng)業(yè)大害蟲,尤其是棉鈴蟲, 1992年在我國暴發(fā)造成直接經(jīng)濟(jì)損失逾百億元。棉鈴蟲齒唇姬蜂Campol

21、etis chlorideae是棉鈴蟲和煙青蟲的重要天敵。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系中,昆蟲之所以成災(zāi),與其對(duì)栽培作物的適應(yīng)有很大關(guān)系,這種適應(yīng)是動(dòng)態(tài)的,并符合協(xié)同進(jìn)化規(guī)律。在國家自然科學(xué)基金的支持下,我們多年來對(duì)棉鈴蟲和煙青蟲與寄主植物的關(guān)系進(jìn)行了比較研究,為前面提出的若干問題尋找答案,目前已取得一些階段性研究結(jié)果。311鈴夜蛾對(duì)寄主植物的選擇和適應(yīng)2種昆蟲在棉花、番茄、煙草和辣椒上的產(chǎn)卵和取食選擇差異很大,嗜好程度分別為:棉鈴蟲,棉花=番茄=煙草>>辣椒;煙青蟲,煙草>辣椒>>棉花=番茄。經(jīng)測試2種昆蟲對(duì)36種植物揮發(fā)性物質(zhì)的E AG反應(yīng),發(fā)現(xiàn)煙青蟲對(duì)其中35種的反應(yīng)活性高

22、于棉鈴蟲;劑量與活性回歸分析表明,煙青蟲在低濃度下對(duì)葉青醇的嗅覺敏感性顯著高于棉鈴蟲。用蔗糖、肌醇、單寧、棉酚、番茄苷、煙堿、辣椒素、印楝素刺激幼蟲下顎外顎葉上2對(duì)栓錐感器,結(jié)果表明:2種昆蟲均有對(duì)蔗糖、肌醇、印楝素敏感的細(xì)胞,且分布位置相同。棉酚、單寧、煙堿、番茄甙、辣椒素等植物次生物質(zhì),對(duì)2種昆蟲刺激取食素引發(fā)神經(jīng)脈沖的抑制表現(xiàn)出很大差異;對(duì)于棉鈴蟲,辣椒素的抑制作用很強(qiáng),棉酚的抑制作用很弱,而對(duì)于煙青蟲,單寧和棉酚的抑制作用很強(qiáng),煙堿和辣椒素的抑制作用很弱,反映出二者分別對(duì)各自寄主植物體內(nèi)的次生物質(zhì)在味覺上有很好的適應(yīng)性10。用分別添加棉酚、煙堿、番茄苷和辣椒素的人工飼料飼養(yǎng)煙青蟲和棉鈴

23、蟲5齡幼蟲48h,結(jié)果表明,在一定濃度下,棉酚顯著降低煙青蟲的相對(duì)消化率,但對(duì)棉鈴蟲卻有助食作用。番茄苷抑制煙青蟲的取食和生長,對(duì)其近似消化率和食物利用率也有顯著的抑制作用,但對(duì)棉鈴蟲的各營養(yǎng)指標(biāo)無顯著影響;煙堿對(duì)煙青蟲和棉鈴蟲的相對(duì)生長率均無影響;辣椒素使煙青蟲的取食量有大幅度的提高,對(duì)棉鈴蟲的取食量無影響,但引起相對(duì)消化率的提高。由此可見,棉鈴蟲對(duì)4種次生物質(zhì)有普遍的適應(yīng)性,而煙青蟲只對(duì)寄主植物所含的煙堿和辣椒素有較好的適應(yīng)性34。棉鈴蟲和煙青蟲取食都能夠強(qiáng)烈地誘導(dǎo)煙草葉片煙堿和茉莉酸含量的升高,脂氧合酶、多酚氧化酶、蛋白酶抑制素和過氧化物酶的活性增加,但其增加量不同。其中最為顯著的是:棉

24、鈴蟲取食后的煙草其煙堿含量顯著低于煙青蟲取食后的含量35。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),棉鈴蟲和煙青蟲下唇腺提取液中也存在葡萄糖氧化酶,該酶與抑制煙草葉片煙堿的誘導(dǎo)合成密切相關(guān),棉鈴蟲下唇腺中該酶的活性顯著高于煙青蟲的36。這種酶是一種糖蛋白,主要存在于下唇腺,酶反應(yīng)的最適pH值為710,最適反應(yīng)溫度是35,D-葡萄糖是它的最適底物。2000年我們成功地對(duì)棉鈴蟲與煙青蟲進(jìn)行正反雜交并獲得子一代;子一代與棉鈴蟲回交,獲得回交后代37。研究表明,雌性棉鈴蟲與雄性煙青蟲的雜交子一代包括可育的雄性和生殖器畸形的個(gè)體,但沒有雌性。雌性煙青蟲513200744(3昆蟲知識(shí)Chinese Bulletin of Ento

25、m ology316 昆蟲知識(shí) Chinese Bulletin of Entomology 2007 44 (3 與雄性棉鈴蟲的反交子一代既有雄性也有雌 38 性 ,并可獲得回交代和 F2 代 。種間雜交的 突破為研究它們?cè)诩闹髦参镞x擇上差異的遺傳 39 基礎(chǔ)奠定了方法學(xué)的基礎(chǔ) 。通過比較棉鈴 蟲、 煙青蟲 、1 代 、2 代和回交代幼蟲對(duì)棉花和 F F 辣椒葉片的取食選擇行為 , 發(fā)現(xiàn)其選擇取食行 為呈常染色體遺傳 ,并顯示有部分母體效應(yīng) ,不 40 受性染色體控制 。 312 寄主植物對(duì)鈴夜蛾的化學(xué)防御 植物對(duì)昆蟲的化學(xué)防御機(jī)制是普遍存在 的 ,對(duì)鈴夜蛾昆蟲也不例外 。棉花中主要存在 2

26、 種次生物質(zhì) ,棉酚和單寧 , 達(dá)到一定的濃度均 對(duì)幼蟲生長產(chǎn)生抑制作用 , 而且兩因子的抗蟲 作用是累加的 , 但在品種內(nèi)兩因子的含量呈負(fù) 相關(guān) 。這些次生物質(zhì)在棉花花蕾和鈴的外圍組 織如苞葉 、 花萼 、 花瓣 、 鈴皮中的含量相對(duì)較 30 高 。而在煙草中的化學(xué)防御是可誘導(dǎo)的 , 當(dāng) 遭到昆蟲取食 ,根部啟動(dòng)對(duì)煙堿的合成 ,整個(gè)植 35 株在之后煙堿的含量會(huì)顯著增高 。 植物不僅有直接防御 , 而且能產(chǎn)生間接防 御 ,通過釋放求救信號(hào)招引昆蟲的天敵 。我們 的研究結(jié)果證明了棉鈴蟲的寄主植物中這種間 接防御機(jī)制的存在 , 發(fā)現(xiàn)被棉鈴蟲取食后的煙 草和玉米比未受損害的植物更能吸引姬蜂 , 但

27、 姬蜂對(duì)昆蟲取食和機(jī)械損害的植物的選擇沒有 41 ,42 偏向 ,機(jī)械損傷也能吸引姬蜂 。2 種植物 被損傷后都能夠釋放出大量的綠葉氣味 , 這些 氣味的組成和含量盡管因不同的昆蟲危害而有 差別 ,但多數(shù)組分間的比例較一致 ,因此推斷該 寄生蜂主要利用這些共有的氣味化合物及其比 例來尋找寄主昆蟲 。 化合物不能誘導(dǎo) DMNT 的釋放 ,不飽和的 C6 醇中只有雙鍵位置在第 2 和第 3 ,或第 3 和第 4 個(gè)碳原子之間的化合物能夠誘導(dǎo) DMNT 的釋 放 。有 5 或 6 個(gè)碳原子的飽和或不飽和醛都能 誘導(dǎo)玉米釋放出 DMNT , 但 C7 的飽和醛卻不 能 。烷基部分含有雙鍵的順 - 3

28、- 己烯基乙酸 酯也能誘導(dǎo) DMNT 的活性 。 313 棉鈴蟲齒唇姬蜂對(duì)寄主棉鈴蟲的分子適 應(yīng) 寄生 幼 蟲 的 內(nèi) 寄 生 蜂 一 般 屬 容 生 型 (koinobionts , 即寄主幼蟲被寄生后 , 將繼續(xù)取 食、 生長一段時(shí)間 ,隨后才在某一蟲態(tài)死亡 。與 抑生型 ( idiobionts 寄生蜂相比 , 容生型寄生蜂 昆蟲學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn) 。 我們利用棉鈴蟲齒唇姬蜂 - 棉鈴蟲系統(tǒng) , 經(jīng)負(fù)染電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在棉鈴蟲齒唇姬蜂雌蜂卵 巢內(nèi)亦含有多分 DNA 病毒 ( CcIV ,這是我國在 46 這方面的首例報(bào)道 。CcIV 基因組含有 20 21 個(gè) DNA 分子 ,大小 326

29、 kb 不等 , 這些 DNA 分子以非等摩爾數(shù)存在 。寄生后第 1 天和第 2 天 CcIV 在寄主血細(xì)胞中大量表達(dá) ,之后表達(dá)量 減少 。CcIV 的表達(dá)產(chǎn)物大小從 016 kb 到 7 kb , 同寄主在免疫和生理上的關(guān)系更為密切 , 是進(jìn) 行寄主與寄生蜂相互作用研究的理想材料 。容 生型寄生關(guān)系的建立是寄生蜂在行為 、 免疫和 生理上對(duì)寄主適應(yīng)的統(tǒng)一 , 其中寄生蜂能否有 效抑制寄主的免疫反應(yīng)是寄生成敗的重要環(huán) 節(jié) 。寄生蜂卵以及隨后孵化的幼蜂進(jìn)入寄主體 3 內(nèi) ,將面臨來自寄主免疫系統(tǒng)的攻擊 。寄主 昆蟲的免疫系統(tǒng)包括細(xì)胞免疫 ( 血細(xì)胞的包囊 反應(yīng) 和體液免疫 ( 酚氧化酶原級(jí)聯(lián)系

30、統(tǒng) 。當(dāng) 較大的異物進(jìn)入寄主的血腔后 , 血細(xì)胞中的顆 粒細(xì)胞和漿細(xì)胞即粘附于異物的表面 , 形成由 多層血細(xì)胞包被的包囊 ( capsule 結(jié)構(gòu) ; 同時(shí)酚 氧化酶原級(jí)聯(lián)系統(tǒng)被激活 , 催化 L - 酪氨酸生 成黑 色 素 , 對(duì) 異 物 的 表 面 進(jìn) 行 黑 化 作 用 ( melanization 44 ,45 。內(nèi)寄生蜂能夠寄生寄主 , 必然通過某些方式有效地抑制寄主的這 2 種免 疫反應(yīng) 。在寄生蜂體內(nèi)一種免疫抑制因子 多分 DNA 病毒的存在 , 成為 20 世紀(jì)后半葉在 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn) , 一些傷誘導(dǎo)的植物綠葉 氣味還在植物與鄰近的相同和不同植物之間的 43 通訊聯(lián)系中充當(dāng)信

31、使 。 用傷誘導(dǎo)的植物綠葉 氣味化合物處理玉米 , 可以誘發(fā)玉米釋放出乙 酸酯和萜類化合物 4 ,8 - 二甲基 - 1 ,3 ,7 - 壬 三烯 (DMNT 。用單個(gè)的醇 、 醛化合物處理玉 米 ,可導(dǎo)致玉米釋放出對(duì)應(yīng)的乙酸酯化合物 。 用順 - 3 - 己烯基乙酸酯和乙酸己酯處理玉米 , 可從玉米中回收到這 2 種化合物 。飽和的醇類 2007 44 (3 昆蟲知識(shí) Chinese Bulletin of Entomology 317 2 基因在整個(gè)寄生過程中都能表達(dá) , 且主要在 究棉鈴蟲和煙青蟲的性信息素生物合成途徑時(shí) 獲得的結(jié)果 , 給我們認(rèn)識(shí) 2 種昆蟲的演化關(guān)系 提供了線索 。我

32、們發(fā)現(xiàn) , 棉鈴蟲以飽和十六酸 為底物 ,經(jīng) 11 脫飽和化及其后的還原和末端 氧化反應(yīng)合成其性信息素主要組分 Z11 - 16 Ald ;同時(shí)以飽和十八酸為底物 , 經(jīng) 11 脫飽和 化和一輪碳鏈縮短反應(yīng) , 以及其后的還原和末 端氧化形成次要組分 Z9 - 16 。因此 ,11 Ald 脫飽和酶是棉鈴蟲性信息素生物合成系統(tǒng)唯一 的脫飽和酶 。煙青蟲以飽和十六酸為底物 , 分 別通過 9 和 11 脫飽和化 , 及其后的還原和 血細(xì)胞中表達(dá) 。二者有 2 個(gè)表達(dá)峰 , 在寄生后 30 min 時(shí)表達(dá)量最高 , 拷貝數(shù)分別達(dá)到 6128 × 10 和 1151 × , 在寄

33、生后 2 天還有一個(gè)表達(dá) 10 4 5 峰 ,但基因的表達(dá)量要低一個(gè)數(shù)量級(jí) 。這一結(jié) 果暗示 ,CcIV 對(duì)寄主幼蟲的免疫抑制可能在寄 48 生的早期階段就已經(jīng)在起作用 。 314 廣食性棉鈴蟲與專食性煙青蟲的演化關(guān) 系 昆蟲寄主范圍的演化是由廣到專還是由專 到廣 , 一直是昆蟲與植物關(guān)系研究領(lǐng)域的爭論 焦 點(diǎn) 。一 般 認(rèn) 為 , 昆 蟲 寄 主 植 物 的 專 化 ( specialization 是演化的趨勢 。然而 , 我們?cè)谘?末端氧化反應(yīng)合成其性信息素主要組分 Z9 16 和次要主分 Z11 - 16 ; 同時(shí) , 作用于 Ald Ald Z11 - 18 Acid 的碳鏈縮短反應(yīng)

34、也可少量發(fā)生 , 用來 形 成 少 量 的 Z9 - 16 。可 見 , 9 和 Ald 共 11 條帶 , 其中以大約 110 kb 的基因表達(dá)量 最為豐富 。取寄生后 24 h 的寄主血細(xì)胞 ,提取 RNA ,通過一系列過程構(gòu)建了 CcIV 的表達(dá)文 庫 ,以 TripLEx2 插入子為引物做 PCR 然后進(jìn)行 Southern 雜交 ,篩選到了一個(gè)表達(dá)量最為豐富的 基因 ,CcIV 110 。根據(jù)該基因序列推斷 ,其編 碼的蛋白有一個(gè)半胱氨酸富含區(qū) , 應(yīng)屬 cys 基 因家族 。近期 , 我們通過 RACE 擴(kuò)增又得到 2 個(gè) vankyrin 基因 ,分別命名為 CcIV vanky

35、rin 1 和 vankryin 2 ,其開放閱讀框分別為 507 bp 和 468 47 11 脫飽和酶共存于煙青蟲性信息素生物合成 系統(tǒng) ,但以 9 脫飽和酶為主 。根據(jù)脂肪酰輔 酶 A 脫飽和酶分子生物學(xué)方面的證據(jù) , 煙青蟲 中存在的 9 脫飽和酶基因族在一定程度上代 表了原始祖先的特性 , 而棉鈴蟲中存在的 11 脫飽和酶基因族則是在此基礎(chǔ)上演化的 。我們 推測 , 阿根廷的 Helicoverpa gelotopoeon 應(yīng) 只 有 9 脫飽和酶 , 是這個(gè)屬最古老的種 ; 其次應(yīng)是 煙青蟲 ,其 9 和 11 脫飽和酶并存 , 但以 9 脫飽和酶為主 ; 接下來為美洲棉鈴蟲 ,9

36、 和 11 脫飽和酶并存 , 但以 11 脫飽和酶為主 ; 最進(jìn)化的是棉鈴蟲 , 因?yàn)?11 脫飽和酶是其性 信息素合成唯一的脫飽和酶 49 bp ,分別編碼 168 和 155 個(gè)氨基酸 。通過實(shí)時(shí) 熒光定量 PCR 檢測 ,CcIV vankyrin 1 和 vankyrin 。 4 多營養(yǎng)級(jí)協(xié)同進(jìn)化假說的提出 早在 1980 年 , Price 等就指出 ,不考慮第三 營養(yǎng)級(jí) ,即昆蟲天敵的作用 ,昆蟲與植物關(guān)系的 50 研究是不完整的 ?？紤]到近年來在三營養(yǎng) 級(jí)相互作用研究方面取得的成果 , 我們認(rèn)為有 必要在協(xié)同進(jìn)化理論中包含其他營養(yǎng)級(jí) , 特別 是第三營養(yǎng)級(jí)的參與 。在綜合 Ehr

37、lich 和 Raven 的協(xié)同進(jìn)化理論及 Jermy 的順序進(jìn)化理論的基 礎(chǔ)上 , 嘗試從多營養(yǎng)級(jí)互作的角度提出這樣一 個(gè)新 的 假 說 , 稱 之 為 多 營 養(yǎng) 級(jí) 協(xié) 同 進(jìn) 化 (multitrophic co2evolution 假說 。該假說的主要 設(shè)想陳述如下 ( 圖 3 。 在多營養(yǎng)級(jí)系統(tǒng)內(nèi) ,植物 昆蟲 天敵的關(guān) 系是核心架構(gòu)。其中 ,多營養(yǎng)級(jí)間的交互作用是 生物協(xié)同進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力。昆蟲與植物關(guān)系的進(jìn) 化模式分以下步驟 : (1 昆蟲 ( 棉鈴蟲 選擇寄主 植物 ,主要依賴高度進(jìn)化的嗅覺和味覺系統(tǒng)來識(shí) 別寄主植物 ,并在生理上加以適應(yīng)。( 2 寄主植 物 (棉花 ,煙草 ,玉

38、米等 因昆蟲和其他的選擇壓 力而產(chǎn)生遺傳改變 , 一方面產(chǎn)生直接化學(xué)防御 (組成型防御 ,如棉酚 ; 誘導(dǎo)型防御 , 如煙堿 , 抑 制昆蟲的進(jìn)一步取食 ; 另一方面產(chǎn)生間接防御 , 釋放求救信號(hào) ,招引昆蟲天敵 ( 如棉鈴蟲齒唇姬 蜂 來訪 ,這種信號(hào)甚至還可在鄰近的植物間傳 遞 ,這樣使植物進(jìn)入一個(gè)新的適應(yīng)域。(3 對(duì)于 植物的直接防御和間接防御 ,昆蟲可通過基因重 318 昆蟲知識(shí) Chinese Bulletin of Entomology 2007 44 (3 組或突變產(chǎn)生新的適應(yīng) ,如棉鈴蟲用下唇腺中的 葡萄糖氧化酶抑制寄主植物煙草體內(nèi)煙堿的合 成 ,對(duì)天敵則產(chǎn)生行為適應(yīng)和免疫反應(yīng)

39、 ; 昆蟲也 有可能為躲避寄主植物和天敵的脅迫而轉(zhuǎn)移到 新的寄主植物上。(4 植物和天敵對(duì)昆蟲產(chǎn)生新 的適應(yīng)對(duì)策 ,如煙草對(duì)于昆蟲的取食 ,把重要能 源糖類轉(zhuǎn)運(yùn)到根部加以貯藏 , 等到急需時(shí)之 51 用 ;寄生蜂則利用多分 DNA 病毒等因子 ,有效 抑制棉鈴蟲的免疫反應(yīng) ,但寄生蜂同樣也可發(fā)生 寄主的轉(zhuǎn)移。(5 多個(gè)營養(yǎng)級(jí)間如此反復(fù)地進(jìn)行 交互作用 ,驅(qū)動(dòng)著昆蟲與植物關(guān)系的演化。( 6 演化的過程伴隨著昆蟲的寄主轉(zhuǎn)移 ,結(jié)果導(dǎo)致有 的昆蟲的寄主范圍變廣 ,而有的變窄。在多數(shù)情 況下 ,昆蟲食性的?；茄莼闹匾呗?,但在 不穩(wěn)定的環(huán)境條件下 ,一些昆蟲 (如棉鈴蟲 食性 的廣化也不失是一種

40、正確的演化策略 ,這樣可以 減小依賴于專一的寄主作為自身生態(tài)和進(jìn)化命 運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)。 多 ,主要包括 : ( 1 昆蟲在與植物建立寄生關(guān)系過程中 ,其 行為識(shí)別與生理適應(yīng) ,何者在先 ? (2 昆蟲對(duì)寄主植物的關(guān)鍵信息物質(zhì)如何 進(jìn)行嗅覺和味覺編碼 ? 廣食性昆蟲與專食性昆 蟲有何差異 ? 遺傳基礎(chǔ)是什么 ? (3 植物可誘導(dǎo)的化學(xué)防御是通過怎樣的 信號(hào)途徑產(chǎn)生的 ? (4 植物的間接防御在自然條件下對(duì)植物 的防衛(wèi)效果究竟怎樣 ? (5 植物次生物質(zhì)和天敵如何決定昆蟲的 食物廣度 ? 在食性演化過程中 2 種因素何者更 為重要 ? (6 昆蟲食性的?；驈V化對(duì)昆蟲的生存 和繁衍帶來怎樣的利與弊 ?

41、在同域物種形成中 起什么作用 ? 對(duì)這些問題的進(jìn)一步回答 , 無疑將使我們 進(jìn)一步了解昆蟲與植物相互作用機(jī)制 , 檢驗(yàn)三 營養(yǎng)級(jí)協(xié)同進(jìn)化假說 , 并為有效合理地對(duì)害蟲 進(jìn)行綜合治理提供新的思路和方法 。 參 考 文 獻(xiàn) 欽俊德 , 王琛柱 . 昆蟲學(xué)報(bào) , 2001 , 44 (3 : 360365. Ehrlich P. R. , Raven P. H. Evolution , 1964 ,18 : 586608. Jermy T. Symp . Biol . Hung . , 1976 , 16 : 109113. L. R. Ecology , 1988 ,69 : 906907. Fo

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45、 序號(hào)表示進(jìn)化的步驟 ,圖中注解同圖 1 5 進(jìn)一步研究的問題 多營養(yǎng)級(jí)構(gòu)成的食物鏈?zhǔn)且粋€(gè)極其復(fù)雜的 系統(tǒng) ,研究沒有止境 。在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi) ,植物 昆 蟲 天敵的相互作用依然是研究的重點(diǎn) 。在三 營養(yǎng)級(jí)研究系統(tǒng)中 , 值得進(jìn)一步研究的問題很 2007 44 (3 昆蟲知識(shí) Chinese Bulletin of Entomology 319 20 陽冬梅 , 羅林兒 , 閻鳳鳴 , 程會(huì)文 , 周培愛 . 科學(xué)通報(bào) , 1997 , 42 (1 : 8184. 21 李紹文 . 生態(tài)生物化學(xué) . 北京 : 北京大學(xué)出版社 . 2001. 22 Green T. R. , Ryan C. A.

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