松墨天牛攜帶松材線蟲傳播的化學生態學機制

鄭雅楠,楊忠岐,王小藝

(1.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，國家林業局森林保護學重點實驗室，北京 100091；2.沈陽農業大學林學院，沈陽 110866)

松墨天牛攜帶松材線蟲傳播的化學生態學機制

鄭雅楠1,2,楊忠岐1*,王小藝1

(1.中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所，國家林業局森林保護學重點實驗室，北京 100091；2.沈陽農業大學林學院，沈陽 110866)

松材線蟲(Bursaphelenchusxylophilus)在中國主要借助媒介昆蟲松墨天牛(Monochamusalternatus)進行傳播。通過識別寄主樹木和媒介天牛釋放的化學物質信號，松材線蟲的4齡擴散型幼蟲(JⅣ)進出松墨天牛體內，侵染健康寄主。本文綜述了媒介昆蟲天牛攜帶松材線蟲進行傳播的化學生態學研究進展。在松材線蟲傳播的過程中，脂肪酸類物質、揮發性萜烯類物質、碳氫化合物和CO2發揮重要的調控作用；除此之外，松材線蟲體內的化學信號物質也決定其是否能夠脫離媒介昆蟲，從而成功地侵入新的健康寄主。

松材線蟲； 松墨天牛； 媒介昆蟲； 化學信號

松材線蟲[Bursaphelenchusxylophilus(SteineretBuhrer)]是引起松材線蟲病(松樹萎蔫病)的病原物。該病被稱為松樹的“癌癥”，對松林可造成毀滅性的危害。然而，松材線蟲卻不能自行傳播，必須借助媒介昆蟲天牛進行傳播擴散[1]。松材線蟲侵染感病的松樹，在其上完成生活史，4齡幼蟲能分化成繁殖型或分散型。繁殖型幼蟲用阿拉伯數字表示(如J2, J3, J4)，分散型幼蟲用羅馬字符表示(如JⅢ, JⅣ)。當食物和含水量充足時，松材線蟲蛻皮為成蟲，并通過分化成繁殖型來快速繁殖[2-3]。當被侵染的松樹死亡后，食物和含水量不足時，松材線蟲轉化成分散型；位于木質部的分散型3齡幼蟲(JⅢ)匯聚到天牛蛹室中，隨后蛻皮發育成4齡幼蟲(JⅣ)[4-5]。媒介昆蟲天牛體內含有的特殊化學物質能促使松材線蟲蛻皮發育成JⅣ，而這些化學物質與天牛成蟲在蛹室內羽化的過程相偶聯[6]。不取食的JⅣ通過外露在天牛體上的氣門進入并附著在新羽化天牛成蟲的氣管中，松材線蟲通過天牛成蟲在健康松樹上補充營養時咬食的傷口、或是在被害木上產卵時由成蟲咬嚙的產卵刻槽傷口處進入松樹體內，從而隨天牛進行傳播[5]。可以說沒有天牛的攜帶，松材線蟲無法從一棵松樹傳播到另一棵松樹上[1]。

在林間，多種害蟲與松材線蟲在寄主樹木上共同為害，但松材線蟲的媒介昆蟲基本集中在墨天牛屬Monochamus的天牛種類上[3,7]。除了墨天牛屬外，天牛科中還有12個種能夠攜帶JⅣ傳播[5]，但這些天牛攜帶松材線蟲的數量要遠少于墨天牛屬攜帶的數量。在亞洲松林，攜帶傳播松材線蟲的媒介主要為松墨天牛(MonochamusalternatusHope)，其次是云杉花墨天牛(M.saltuariusGebler)和閃光墨天牛(M.nitensBates)；在歐洲主要是歐洲赤松墨天牛[M.galloprovincialis(Olivier)]；在北美主要是卡羅來納墨天牛[M.carolinensis(Oliver)]等11個種的墨天牛。目前認為能夠有效傳播松材線蟲的媒介昆蟲在亞洲主要是松墨天牛，在北美主要是卡羅來納墨天牛[8]。除松材線蟲之外，墨天牛屬的昆蟲還攜帶傳播擬松材線蟲(B.mucronatusMamiyaetEnda)[3,9]。

目前，松墨天牛攜帶松材線蟲傳播的機制尚不明確，但發現一些重要的化學物質在攜帶傳播的過程中起重要作用。特別是松材線蟲危害嚴重的日本，早年研究者開展了大量的工作，報道了化學物質對松材線蟲的吸引和刺激其聚集的作用。我國中國科學院動物所也發現松材線蟲對寄主樹木產生的揮發性物質產生趨性[10]。除了寄主植物和媒介天牛產生的化學物質外，美國學者曾提出，松材線蟲體內化學物質含量在其進入和脫離媒介天牛過程中起著重要的作用。兩者生活史精確的偶聯，使松材線蟲成功地侵入新寄主，普遍認為這種攜帶行為有賴于信息化學物質。然而，還不清楚聯系松墨天牛和松材線蟲的化學生態學本質。鑒于松材線蟲危害的嚴重性，加之其傳播的特殊性，從化學生態學角度揭示松墨天牛攜帶松材線蟲的傳播機制，對明確兩者的依存關系和防治新技術的開發利用具有十分重要的科學意義。本文從松材線蟲進入媒介天牛體內的化學生態和松材線蟲脫離天牛侵染新寄主樹木的化學生態學兩個方面闡述了松墨天牛攜帶松材線蟲傳播的化學生態學研究進展，旨在為深入研究二者間協同關系提供參考和啟示。

1 松材線蟲進入媒介天牛體內的化學生態學

許多學者經研究都證實，松樹和媒介昆蟲天牛蛹都能夠產生吸引松材線蟲的化學物質[11-15]。這些物質成分主要有三大類：脂肪酸類、碳氫化合物和CO2；其中不飽和脂肪酸類物質既存在于松樹也存在于天牛體內，碳氫化合物存在于天牛成蟲表皮上，CO2是天牛呼吸產生的。

脂肪酸類物質對松材線蟲的影響主要體現在刺激線蟲產生聚集作用，而對線蟲的引誘作用是次要的，當聚集量到達一定程度時，線蟲數量會越來越少并中止向這些物質移動，且這類物質只在局部起作用[16]。松墨天牛成蟲、蛹和4齡幼蟲提取物的主要成分是棕櫚酸、棕櫚油酸、硬脂酸、油酸和亞油酸等不飽和脂肪酸。其中棕櫚油酸、油酸和亞油酸對松材線蟲的聚集有顯著刺激作用，而化學結構上含有兩個雙鍵的亞油酸對線蟲匯聚的刺激作用大于只有一個雙鍵結構的棕櫚油酸和油酸[17-18]，在天牛化蛹前后和成蟲羽化前，3齡擴散型松材線蟲就向天牛蛹室周圍聚集，這種聚集行為就是由不飽和脂肪酸所吸引[12]。在松樹產生的脂肪酸及其衍生物中，亞油酸和1-油酸單甘油酯對線蟲的引誘力是最強的[12,17-18]。亞油酸是松樹中最常見的一種脂肪酸，并且在天牛蛹室內也含有大量的亞油酸[17,19]；1-油酸單甘油酯是一種油酸甘油酯，是松樹中普通的一類脂肪酸，與亞油酸很相近。松墨天牛在春天化蛹時，蛹室內的亞油酸含量明顯高于木質部其他部位的含量，這也是松材線蟲蛻皮和天牛成蟲羽化同步的物質基礎[6]。

碳氫化合物中的甲苯對繁殖型和分散型線蟲均有引誘作用[20]。天牛呼吸產生的CO2能夠吸引線蟲進入它們的氣管中，在線蟲持久型幼蟲從天牛蛹室向天牛體內移動的過程中起重要作用。并且，CO2的濃度也影響松材線蟲進入天牛體內的行為，天牛蛹變態發育過程中釋放的CO2容積達到吸引線蟲的最佳濃度[21]。此外，含水量和真菌等環境因子對媒介天牛攜帶松材線蟲的過程也產生影響[22]，當環境極度干燥或是采伐木含水量很低時，松墨天牛攜帶的松材線蟲數量很少[23]，再者天牛蛹室中真菌的種類可以影響其攜帶線蟲的過程[24]。

2 松材線蟲脫離天牛侵染新寄主樹木的化學生態學

2.1 化學物質對松材線蟲脫離行為的作用

松材線蟲脫離天牛成蟲侵入健康松樹的途徑有兩種：1)天牛成蟲在健康松枝上補充營養時嚙咬樹皮造成傷口，JⅣ通過傷口侵入寄主，這是松材線蟲病傳播的主要途徑[19,25]；2)隨天牛雌成蟲產卵時在樹皮上所形成的產卵刻槽傷口進入樹木。那么，松材線蟲依靠什么機制脫離天牛后侵染松樹的？Ishikawa等人測定了揮發性化合物對松材線蟲的引誘作用[26]。此后，研究者鑒定出能夠吸引松材線蟲的多種萜烯類化合物[27-28]。通過測試發現健康松樹釋放的單萜烯如β-香葉烯和α-蒎烯對松材線蟲的吸引作用最強，這些物質在松材線蟲脫離媒介天牛侵入健康寄主樹木，以及侵染后在松樹內的移動過程中發揮重要作用[13-14,26]。

此外，不同類型的松材線蟲可以感受和識別來自健康寄主樹木和媒介天牛不同比例的揮發性混合物。松墨天牛老熟幼蟲釋放的α-蒎烯、β-蒎烯和長葉烯這3種萜烯類物質的比例為1∶2.7∶1.1時能夠強烈吸引JⅢ，JⅢ通過識別該比例的化學信號聚集到天牛蛹室周圍，隨后進入天牛體內；而繁殖型松材線蟲隨羽化的天牛成蟲擴散遷移，通過識別健康松樹木質部釋放的3種萜烯類混合物(比例為α-蒎烯∶β-蒎烯∶長葉烯=1∶0.1∶0.01)，而脫離媒介天牛，從而侵染新的寄主樹木。由寄主樹木產生的揮發性物質是松材線蟲與其媒介昆蟲之間協同關系的化學生態學基礎[10]。

2.2 松材線蟲體內化學信號對松材線蟲行為的調控作用

對不取食的JⅣ來說，體內儲藏的主要食物為中性脂肪類物質和糖原[29]。Stamps等人研究表明，線蟲體內的中性脂肪類貯存物質含量高低是決定線蟲是否脫離媒介昆蟲天牛的化學開關[30]。中性脂類物質可能引發JⅣ從天牛體上脫落，或通過改變松材線蟲對環境中化學信號物質的響應，從而成功地脫落。

線蟲體內中性脂肪類貯存物質含量較高時，JⅣ被天牛體表釋放的甲苯吸引；當含量較低時，被松樹釋放的β-香葉烯吸引。該假設為線蟲進入和脫離天牛體內的行為提供了解釋。如果線蟲進入天牛的氣管太早，將導致線蟲在天牛蛹蛻皮變為成蟲時隨表皮內層而脫落；而進入天牛氣管太晚，將錯過天牛成蟲期，松材線蟲留在垂死的原寄主樹木上，陷入食物短缺的困境。如果線蟲從天牛氣管中逸出太早，由于天牛成蟲還未在健康松樹上嚙咬出傷口，可能導致線蟲進入不了健康的松樹體內；而逸出太晚，又將導致線蟲在天牛氣管內可能遇到干燥的危險[31]。因此，松材線蟲4齡幼蟲進入和逸出天牛氣管的行為必須與天牛的羽化、補充營養取食和產卵行為相吻合，這樣才能使線蟲保持最大的侵染傳播能力。研究認為，松材線蟲與松墨天牛生活史的偶聯是與化學信號物質對松材線蟲行為的調控有關。

3 展望

我國松材線蟲的主要媒介昆蟲是松墨天牛，在兩者協同侵染寄主松樹的過程中，形成了松材線蟲進出松墨天牛體內的時間與天牛生活史相互吻合的適應關系。目前，普遍認為松墨天牛攜帶松材線蟲傳播的行為有賴于信息化學物質信號在松材線蟲—寄主樹木—松墨天牛三者間的傳遞和識別。早在20世紀50—70年代，通過發現線蟲對CO2、氨基酸、糖類、脂肪酸、環狀AMP以及無機鹽類均具有趨性[26]，證實了不同種類的植物寄生線蟲都能響應化學物質提供的信號。松墨天牛攜帶松材線蟲傳播的化學生態學研究取得一定的進展，但多數研究尚處于現象的發現階段，雖然10余年前Stamps也提出了松材線蟲進出天牛體內化學機制的相關理論，但由于方法和技術上難以突破，近年來這方面的研究報道較少。

松材線蟲進入松墨天牛氣管并隨其轉移到健康寄主上，這一系列行為是復雜的生物和化學過程，在媒介昆蟲介導的松材線蟲傳播的化學生態學機制方面，尚有更多的科學問題有待研究與揭示。研究松材線蟲傳播的化學生態學，有助于闡明松墨天牛攜帶松材線蟲傳播的機制，對開辟安全有效的松材線蟲病防治新技術具有重大意義。由于松材線蟲生活史中的大部分時間位于樹木內活動，只有在天牛從寄主樹木羽化出孔到補充營養取食的這段時間，JⅣ才隨之在樹木外活動，此時是防治該病害的關鍵時期。因此，深入研究松材線蟲從媒介天牛體上脫落的化學信號調控是揭示松墨天牛攜帶松材線蟲傳播的化學生態學機制的重點，以干擾松材線蟲脫離天牛作為切入點有望開發出有效阻斷松材線蟲傳播的新技術。

另外，松材線蟲是世界范圍內的檢疫對象和危險性有害生物，對其傳播的化學生態學研究，有助于開發新的檢疫和調查方法，在不破壞樹木生長的前提下提高檢疫和調查的效率和準確性。在這方面，已有利用吸引松材線蟲的化學物質實現快速檢測的研究可以借鑒[32]。

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MechanismofchemicalecologyofBursaphelenchusxylophilusvectoredbyMonochamusalternatus

Zheng Yanan1,2,Yang Zhongqi1,Wang Xiaoyi1

(1.KeyLaboratoryofForestProtection,ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,StateForestryAdministrationofChina,Beijing100091,China; 2.CollegeofForestry,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China)

The pinewood nematodeBursaphelenchusxylophilus, the most important invasive species in pine forests of China, is transported to new pine hosts by beetle vector ofMonochamusalternatus.The fourth stage dispersal juvenile (JⅣ) ofB.xylophilusis a specialized life stage that must alter its response to a variety of chemical cues releasing by host trees and beetles over time to properly enter and exit its beetle vector.The research progress on chemical ecology ofB.xylophilustravelling and entering new hosts were reviewed in this paper.Chemicals, such as fatty acids, volatile terpenes, carbon dioxide (CO2) and hydrocarbons may play important roles in nematode entrance and exit behavior fromM.alternatus.Besides, the intrinsic chemical cues play an important role in the transmigration ofB.xylophilusfrom beetle vectors to the healthy trees.

Bursaphelenchusxylophilus;Monochamusalternatus; vector; chemicals cues

2013-02-27

： 2013-03-25

國家自然科學基金重點項目(31230015)

S 763.7

： ADOI： 10.3969/j.issn.0529-1542.2014.01.002

* 通信作者 Tel:010-62889502; E-mail:yangzhq@126.com