向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條組織結構的比較

惠 羽,楊雪梅,楊筱慧

(湖南師范大學生命科學學院,中國湖南 長沙 410081)

癭是致癭生物誘導寄主植物異常生長形成的特殊植物組織[1]。常見的致癭生物包括病毒、細菌、真菌、線蟲、螨類和昆蟲[2]。其中,致癭昆蟲的主要類群包括癭蚊科(Cecidomyiidae)、癭綿蚜科(Pemphigidae)和癭蜂科(Cynipidae)等[3]。致癭昆蟲通過物理和化學刺激誘導寄主植物形成的癭稱為蟲癭。蟲癭是致癭昆蟲和寄主植物共同作用的產物,也是致癭昆蟲表型的延伸[4]。

當前,昆蟲致癭的具體機制主要有4種觀點:基因轉移致癭、共生菌(病毒)致癭、化學物質誘導致癭和植物激素調控致癭。基因轉移致癭觀點認為,昆蟲通過質粒DNA將自身基因整合到寄主植物的基因組中成功表達而致癭,和農桿菌(Agrobacterium spp.)形成冠癭的機制相似[5]。共生菌致癭觀點認為,致癭昆蟲共生的細菌或病毒誘導寄主植物形成蟲癭。例如:寄生蜂(Leptopilina heterotoma)的共生病毒破壞寄主植物細胞的免疫性,誘導蟲癭的形成[6]。化學物質誘導致癭觀點認為,致癭昆蟲通過產卵和取食等行為的分泌物釋放某種化學物質,誘導植物胞內反應,促使植物細胞代謝異常而形成蟲癭[7]。例如:葡萄根瘤蚜(Viteus vitifolii)唾液腺分泌物富含谷氨酸、色氨酸和組氨酸等氨基酸,將谷氨酸、色氨酸和組氨酸組合注射到植物組織,可誘導植物組織異常生長形成類似蟲癭的結構[8]。植物激素調控致癭觀點認為,昆蟲分泌植物激素誘導蟲癭快速發育,如:Nysterakis等[9]在昆蟲的唾液中發現了吲哚乙酸;Yamaguchi等[10]使用液相色譜-質譜聯用技術證實,一種葉蜂(Pontania sp.)幼蟲體內和其蟲癭吲哚乙酸的含量高于寄主植物白柳的正常組織。

蟲癭對致癭昆蟲具有重要意義。營養假說認為,蟲癭較寄主植物的成癭部位含有較多的營養物質,為致癭昆蟲提供更加豐富且充分的營養[11～13]。微環境假說認為,蟲癭能緩解環境溫度的波動,為致癭昆蟲提供適宜生存的小環境[14]。天敵假說認為,蟲癭能保護致癭昆蟲使其避免天敵的傷害[15～17]。

不同蟲癭的形態和結構存在差異。蟲癭按形狀可分為囊狀、子彈狀、球狀、柱狀花狀、根狀等多種類型,其表面光滑或者布滿細毛和小刺[18]。例如:鵝掌柴滑管薊馬(Liothrips sp.)為害鵝掌柴(Schefflera),致使葉片在背面形成角狀突起狀蟲癭[19];刺桐姬小蜂(Quadrastichus erythrinae)為害刺桐屬(Erythrina spp.),使植物葉脈兩側產生瘤狀蟲癭[20]。研究表明,菊癭蜂(Aulacidea sp.)在山柳菊(Hieracium umbellatum)上形成蟲癭的組織類型包括維管組織、薄壁營養組織和營養組織[17,21]。另外,玫瑰犁癭蜂(Diplolepis rosae)刺激苦水玫瑰(Rosa rugosa)形成的蟲癭[21～23]和栗癭蜂(Dryocosmus kuriphilus)在板栗(Castanea mollissima)枝條上形成的蟲癭的結構均包括表皮層、保護層、營養層和蟲室[6]。

癭蜂科為癭蜂總科(Cynipoidea)的植食性類群,包括古癭蜂亞科(Hodiernocynipinae)和癭蜂亞科(Cynipinae),已知約 1 400 種[24～25]。癭蜂亞科可劃分為6個族,分別是草癭蜂族(Aylacini)、薔薇癭蜂族(Diplolepidini)、豆癭蜂族(Eschatocerini)、槭癭蜂族(Pediaspidini)、客癭蜂族(Synergini)和櫟癭蜂族(Cynipini)[25～26]。其中,櫟癭蜂族是癭蜂亞科中種類最為豐富的類群,包含27屬1 000余種[27]。向川安癭蜂(Andricus mukaigawae)屬癭蜂亞科櫟癭蜂族,在白櫟(Quercus fabri)上產卵并于枝條上形成蟲癭。向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條的組織結構差異尚不清楚。本實驗通過制作石蠟切片比較二者組織結構的差異,為進一步研究營養物質和次生代謝產物在向川安癭蜂蟲癭的組織分布提供基礎。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

蟲癭和無蟲癭枝條樣本于2017年10月采集自湖南新邵縣雀塘鎮(111°34′48″E、27°19′12″N;245 m),寄主植物為白櫟。

1.2 石蠟切片

先將向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條分離,用紗布擦凈蟲癭和枝條上的灰塵。隨后,參考楊捷頻的方法[28]并適當修改,進行石蠟切片的制作,具體步驟如下:將蟲癭和無蟲癭枝條置于FAA固定液中固定5 h,然后置于乙醇中脫水,再以二甲苯透明,浸蠟并包埋后用石蠟切片機切片,切片厚度為10 μm,烘片后以番紅、固綠染色,最后用中性樹膠封固制成石蠟切片。番紅可使植物的細胞核、木質化細胞壁呈鮮紅色,木栓化細胞壁呈紅褐色;固綠使細胞質和含有纖維素的細胞壁呈藍綠色[29]。

1.3 顯微觀察

用OLYMPUS BX51顯微鏡(Olympus公司,日本)觀察石蠟切片,用佳能710D相機(Canon公司,日本)拍攝形態外觀特征。

2 結果

2.1 向川安癭蜂蟲癭和成癭枝的組織結構

向川安癭蜂在白櫟枝條上形成球狀蟲癭(圖1)。成熟期蟲癭從外到里依次是表皮層、保護層、營養層和蟲室(圖2C)。其中,表皮層由一層扁平的細胞構成,其上生有表皮毛(圖2B)。保護層可以分為兩層,外層是薄壁組織,由薄壁細胞組成;內層分布許多散生的維管束(圖2E),石細胞成群分布(圖2A),包圍著維管束,在顯微鏡下能夠明顯觀察到高度木質化的次生壁,壁上有明顯的紋孔道,此處機械組織發達,十分堅硬。營養層是蟲癭最內層,由3～5層細胞核很大的營養細胞組成,圖2D中被染成紅色的部位即為營養細胞的細胞核。蟲室是向川安癭蜂幼蟲生長發育的空間。

圖1 向川安癭蜂蟲癭的形態和著生位置Fig.1 The morphology and localization of an A.mukaigawae gall

圖2 向川安癭蜂蟲癭的組織切片(A)石細胞群;(B)表皮層;(C)蟲癭整體觀;(D)營養層;(E)保護層內的維管束。SC:石細胞群;Ep:表皮層;EH:表皮毛;Pr:保護層;Nu:營養層;Lc:蟲室;La:幼蟲;NC:營養細胞;VB:維管束。Fig.2 The tissue sections of A.mukaigawae galls(A)Stone cells;(B)Epidermis layer;(C)An overall view of the gall structure;(D)Nutritive layer;(E)Vascular bundles in the protective layer.SC:Stone cells;Ep:Epidermis layer;EH:Epidermal hair;Pr:Protective layer;Nu:Nutritive layer;Lc:Insect chamber;La:Larva;NC:Nutritive cells;VB:Vascular bundle.

白櫟無蟲癭枝條具有次生生長的結構特征,從外到內依次為周皮、皮層、次生韌皮部、維管形成層、次生木質部和髓(圖3)。周皮是由木栓形成層、栓內層和木栓層組成的次生保護組織;皮層由薄壁組織組成,細胞排列疏松;維管形成層由具有潛在分生能力的組織構成,其向外、向內不斷分裂分化形成次生韌皮部和次生木質部。

圖3 白櫟無蟲癭枝條的組織切片Pd:周皮;Co:皮層;SPh:次生韌皮部;VCa:維管形成層;SX:次生木質部;Pi:髓;Le:皮孔。Fig.3 The tissue sections of Q.fabri non-galled branchesPd:Periderm;Co:Cortex;SPh:Secondary phloem;VCa:Vascular cambium;SX:Secondary xylem;Pi:pith;Le:Lenticel.

2.2 向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條的結構特征比較

向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條的組織結構存在差異。首先,無蟲癭枝條具維管形成層和周皮(圖 4B、D),而蟲癭具有表皮(圖 4A)和維管束(圖4C)等結構。其次,二者外層的組織不同(圖4A～B),蟲癭的外層為表皮,由具表皮毛的扁平細胞構成,而無蟲癭枝條外層為具皮孔的周皮。再次,二者中間的組織不同(圖4C～D),蟲癭的中間組織是保護層,包括薄壁細胞群、石細胞群和散生的維管束;而無蟲癭枝條的中間組織由次生結構組成,包括維管形成層、次生韌皮部和次生木質部,未觀察到散生的維管束和石細胞。另外,蟲癭的內層為營養層,其細胞的細胞核較大(圖2D),而無蟲癭枝條的內層是由薄壁細胞組成的髓。

圖4 向川安癭蜂蟲癭和白櫟無蟲癭枝條組織切片的比較(A)向川安癭蜂蟲癭的表皮層;(B)白櫟無蟲癭枝條的周皮;(C)向川安癭蜂蟲癭的中間結構;(D)白櫟無蟲癭枝條的中間結構。EH:表皮毛;Ep:表皮層;Pd:周皮;Co:皮層;Le:皮孔;VB:維管束;SC:石細胞群;SPh:次生韌皮部;VCa:維管形成層;SX:次生木質部;Pi:髓。Fig.4 Comparison of tissue structure between A.mukaigawa galls and Q.fabri non-galled branches(A)The epidermis layer of A.mukaigawa galls;(B)The periderm of Q.fabri non-galled branches;(C)The intermediate structure of A.mukaigawa galls;(D)The intermediate structure of Q.fabri non-galled branches.EH:Epidermal hair;Ep:Epidermis layer;Pd:Periderm;Co:Cortex;Le:Lenticel;VB:Vascular bundle;SC:Stone cells;SPh:Secondary phloem;VCa:Vascular cambium;SX:Secondary xylem;Pi:Pith.

3 討論

向川安癭蜂蟲癭和無蟲癭枝條的組織結構存在差異。白櫟上的無蟲癭枝條屬于莖的次生結構[30],由周皮、皮層、次生韌皮部、維管形成層、次生木質部和髓構成,通過輸導組織將水、無機鹽和有機物運輸到蟲癭中,供蟲癭中的昆蟲生長發育。向川安癭蜂蟲癭由表皮層、保護層、營養層和蟲室組成,這與玫瑰犁癭蜂在苦水玫瑰形成的蟲癭[22]及刺桐姬小蜂在刺桐屬葉片上形成的蟲癭[31]結構相似。根據天敵假說和營養假說,內部結構的差異可能和防御及營養物質的供給相關[32]。

向川安癭蜂蟲癭的表皮為排列緊密的扁平細胞,且具有表皮毛,有保護和防止水分散失的功能[30];向川安癭蜂蟲癭的營養層為向川安癭蜂幼蟲的食物來源,由3～5層細胞核比較大的營養細胞構成,這與栗癭蜂蟲癭的營養層結構報道[33]一致。癭蜂蟲癭的營養層細胞具分裂能力,為癭蜂的生長發育提供營養[34]。保護層的維管束發生了重新排列且大量存在,石細胞的次生壁高度木質化,因此,蟲癭的機械強度和木質化程度都比無蟲癭枝條高,能增加蟲癭硬度。研究表明,蟲癭硬度的增加能夠起到有效的防御作用[32],我們推測,向川安癭蜂保護層高度木質化,能阻礙寄生者使用產卵器將卵產于蟲癭組織內,以保護向川安癭蜂幼蟲。保護層高度木質化的機制尚不清楚,值得進一步探索。

致謝:感謝美國東伊利諾伊大學劉志偉教授為癭蜂鑒定提供幫助。