Hap4型棉蚜取食西葫蘆后的寄主適應性變化

李超俠, 楊心怡, 蘇宏華, 周福才, 景田興, 楊益眾, 張 帥

(揚州大學植物保護學院, 揚州 225009)

棉蚜AphisgossypiiGlover又稱瓜蚜,是廣泛分布的世界性害蟲之一,寄主主要包括葫蘆科、錦葵科以及茄科植物[1]。棉蚜通過口器刺吸植物葉片汁液并分泌蜜露,影響植物正常的光合作用和造成葉片卷縮。傳播植物病毒病是棉蚜對農業生產造成損失的一個重要因素,據統計棉蚜可傳播55種病毒病[2-3]。葫蘆科作物苗期感染小西葫蘆黃花葉病毒(zucchini yellow mosaic virus, ZYMV)將會造成作物95%～100%的損失[4]。車海彥等[5]通過調查海南省8個市縣的黃瓜樣品發現黃瓜花葉病毒(cucumber mosaic virus, CMV)和煙草花葉病毒(tobacco mosaic virus, TMV)感染率分別為32.79%和9.61%。根據1998年-2005年庫爾勒市8年來的災情調查發現,棉蚜為害造成棉花減產8%～10%,受害嚴重的棉田減產高達40%～50%[6]。2016年新疆地區棉蚜為害棉田達到3.89萬hm2[7];2018年棉田受害面積增加了近9倍,有33.3萬hm2棉田受害[8]。2020年新疆巴音郭楞蒙古自治州棉蚜為害累計發生面積為5.23萬hm2[9]。

棉蚜寄主廣泛,種內分化明顯,對不同寄主的適應能力存在明顯差異。已有大量國內外研究者通過寄主轉接試驗提出棉蚜取食存在?；?在非最佳寄主上死亡率極高,產仔率極低且很難建立種群,因此將棉蚜進行了分類。根據傳統生物測定方法將棉蚜分為木槿型、木豆型、菊花型、黃瓜型、芋頭型、茄子型、棉花型和馬鈴薯型[10-13]。

隨著昆蟲分類研究的發展,昆蟲分類方法逐漸細致化。新興的分子生物學技術為蚜蟲分類提供了新的方法,相比于傳統的生物學分析與形態鑒定,更加準確[14]。Vanlerberghe-Masutti等[15]利用微衛星標記將21個棉蚜群體分為16個基因型。Carletto等[16]利用Cytb基因序列將近似物種棉蚜和鼠李蚜Aphisfrangulae鑒別出來。Zhang等[17-18]利用棉蚜線粒體基因組序列分析了我國河北、河南和山東3省不同時期的9種寄主上1 046頭棉蚜個體的線粒體序列,結合采集寄主和生物測定結果,確定了一段具有特異性和穩定性的線粒體序列,將華北地區棉蚜分為57個單倍型。Hap1型、Hap3型和Hap4型是主要的單倍型,占華北棉蚜總數的86%;Hap1型和Hap4型為棉花上主要的單倍型,Hap3型是瓜類上主要的單倍型,上述3種單倍型都可以很好地利用西葫蘆作為寄主,其中3種單倍型的區分均基于完整線粒體序列中的單核苷酸多態性位點的不同。

昆蟲對寄主的適應能力主要通過遺傳獲得,但昆蟲取食某一種寄主后,其繁殖和對寄主的適應能力在一定程度上會發生改變[19]。取食過甘藍的大菜粉蝶Pierisbrassicae幼蟲和取食過白菜的煙草天蛾Manducasexta1齡幼蟲再轉接到旱金蓮Tropaeolummajus上,昆蟲都出現拒食直至死亡的現象[20-22]。取食蠶豆的南美斑潛蠅Liriomyzahuidobrensis幼蟲在甜菜上飼養后對甜菜的寄主適應性增加[23]。木槿上的棉蚜不能直接轉接到黃瓜上,但在甜瓜連續取食3代后,對黃瓜的適應性明顯增加,能夠正常存活和產生后代[24]。長期在黃瓜上飼養的二斑葉螨Tetranychusurticaebarinus轉接到非最佳寄主辣椒和番茄上,二斑葉螨在15代內對辣椒和番茄的適應性就會增強[25]。寄主植物適應能力明顯分化的棉花型棉蚜和黃瓜型棉蚜不能直接互換寄主,但棉花型棉蚜取食西葫蘆3代后對黃瓜的寄主適應性有所增強[24],取食西葫蘆5代后就能誘導棉花型棉蚜獲得取食黃瓜能力,并能建立種群[25-28]。除了西葫蘆具有改變?；兔扪翆闹鞯倪m應能力外,豇豆也具有相同的作用。多數研究者通過寄主轉接試驗發現黃瓜型棉蚜取食豇豆后對棉花的寄主適應性增強[26,29-30]。

昆蟲的生長發育中,取食經歷直接影響后代的寄主適應能力,一些寄主可以作為中間寄主擴大后代的寄主范圍。特別是寄主廣泛但有具有?；缘拿扪?中間寄主的存在無疑對棉蚜的進化和為害的擴大有著重要意義。多數研究者通過試驗發現西葫蘆能誘導棉花型棉蚜獲得取食黃瓜的能力,并能建立種群[24,26-28]。此外,梁新利和胡道武等[29-30]通過寄主轉接試驗發現豇豆可以誘導黃瓜型棉蚜獲得取食棉花的能力。盡管關于棉蚜的取食經歷已見報道,但棉蚜生物型眾多,針對特定生物型棉蚜取食西葫蘆的寄主適應性變化依然未知。因此,本研究以西葫蘆誘導Hap4型棉蚜,通過寄主轉接建立生命表的方法分析Hap4型棉蚜對其他寄主的適應性變化情況。

1 材料與方法

1.1 供試植物與昆蟲

寄主植物為室內培養植株,選用的品種分別為棉花‘SGK321’,西葫蘆‘格林王’,黃瓜‘富陽2號’。

棉蚜采自揚州大學農牧場棉花試驗田,置于實驗室恒溫光照培養箱內的棉花子葉上飼養,條件設置為溫度(26±1)℃,光周期L∥D=14 h∥10 h,相對濕度(60±10)%。采用分子鑒定技術確定其為Hap4型棉蚜[18-19],由單頭棉蚜擴繁,在棉花子葉上飼養了20多代。

1.2 取食西葫蘆的各代Hap4型棉蚜在棉花、黃瓜和西葫蘆上存活率的測定

試驗在人工智能光照培養箱[溫度(26±1)℃,相對濕度(60±10)%,光周期L∥D=14 h∥10 h]內進行。將不同寄主植物葉片貼于含有1.8%瓊脂的培養皿中,適時更換新鮮的葉片。將一直在棉花寄主上繁殖的多頭無翅棉蚜成蟲先轉接到棉花上產仔,12 h后移去成蚜,保留仔蚜,記為T0代(原始種群,CK)。將T0代成蚜轉移到西葫蘆上取食,T0代所產仔蚜記為T1代,T1代繼續取食西葫蘆所產仔蚜記為T2代，以此類推。生命表參數測定過程中,選擇T1代成蚜,分別轉接到棉花、黃瓜和西葫蘆葉片上進行產仔。12 h后移去成蚜,每處理保留35頭仔蚜,即35個重復,即T1代若蚜作為起始觀察蟲態。每隔24 h觀察并記錄各處理棉蚜的存活蟲量和產仔量,直至起始蚜蟲全部死亡。發育為成蚜后,使用Motic SMZ-171圖像測量系統測量成蚜的體長,記錄數據。T2代試驗時,選擇一直使用西葫蘆葉片飼養的T1代成蚜,分別轉接到棉花、黃瓜和西葫蘆葉片上進行產仔。12 h后移去成蚜,每處理保留35頭仔蚜,即T2代若蚜作為起始觀察蟲態。每隔24 h觀察并記錄各處理棉蚜的存活蟲量和產仔量,直至起始蚜蟲全部死亡。以此類推,并重復上述試驗,直至T10代轉接后發育成成蟲,并全部自然死亡。

1.3 數據處理及分析

數據處理方法參考王麗等[31]的計算方法:

R0=∑lxmx；

T=∑(xlxmx)/∑(lxmx)；

rm=lnR0/T。

其中x為按天劃分的單位時間期限;lx為日齡x時棉蚜的存活率;mx為在x期限內存活的棉蚜平均每頭所產的后代數量;R0為凈增殖率,即昆蟲種群經過一個世代后的增殖倍數;T為棉蚜1個世代的平均天數;rm為內稟增長率。

不同處理間的差異顯著性比較采用單因素方差分析,涉及多重比較時使用IBM SPSS Statistics 27.0中的Tukey’s法。

2 結果與分析

2.1 取食西葫蘆后Hap4型棉蚜在3種寄主上的存活及發育

蚜蟲在寄主上的存活情況是直接反映其對寄主適應性的指標。將用棉花葉片飼養的Hap4型棉蚜轉接到西葫蘆葉片不同世代后,T2～T7代在棉花、黃瓜和西葫蘆上的壽命基本處于比較平穩的狀態,在T2代時在3種寄主上的壽命相較于其他世代都明顯增加?？偟膩碚f,取食西葫蘆之后,Hap4型棉蚜在黃瓜上的壽命最長,在西葫蘆上的壽命次之,在棉花上的壽命最短。用西葫蘆飼養不同世代的Hap4型棉蚜,在西葫蘆葉片上的壽命除T2代之外,其他世代間都無顯著差異,而T2和T7代之間差異達到顯著水平(P=0.008)。取食西葫蘆葉片不同世代后,重新轉接到棉花葉片上,誘導1～9代的Hap4型棉蚜壽命比不經誘導的原始種群的壽命高1.0～4.1 d(P>0.05),但誘導10代后,壽命卻顯著下降,比不經誘導的原始種群的壽命縮短4.6 d(F=30.04,P<0.000 1)。取食西葫蘆葉片不同世代后,轉接到同為葫蘆科的黃瓜上,T2和T8代的壽命明顯長于其他代別;在T9和T10代時壽命明顯縮短,分別與T2和T8代壽命達到顯著差異水平(P<0.05)(表1)。

對比取食西葫蘆葉片不同世代后轉接3種寄主第5、10 天和第15天時的存活情況發現,在第5天和第10天時,轉接到黃瓜和西葫蘆上的Hap4型棉蚜的存活率和取食西葫蘆的世代數間無明顯的相關性,T1～T10代的存活率處于較為穩定的狀態。而轉接到棉花上之后第5天和第10 天的存活率在T1～T10代間浮動較大,主要表現為在T9和T10代時存活率急劇下降,如在T10代轉接后第10 天的存活率僅為11.43%(圖1)。

圖1 Hap4型棉蚜取食西葫蘆不同代別后在3種寄主上的存活率

生長發育情況能夠反映出棉蚜對寄主的利用能力,其中涉及寄主的營養以及棉蚜對寄主次生物質的解毒代謝能力。測量取食西葫蘆葉片不同世代后轉接3種寄主后成蚜的體長,來推測Hap4型棉蚜在3種寄主上的發育情況?？傮w來說,T1～T10代在棉花、黃瓜和西葫蘆上的體長基本處于比較平穩的狀態,轉接到棉花上的Hap4型棉蚜體長顯著低于轉接到西葫蘆和黃瓜上的體長(P<0.000 1)(表1)。

表1 Hap4型棉蚜取食西葫蘆不同代別后在3種寄主上的壽命及體長1)

2.2 取食西葫蘆后Hap4型棉蚜在棉花、黃瓜和西葫蘆3種寄主上的生命表參數

盡管Hap4型棉蚜采自棉花并一直用棉花葉片飼養，但其取食西葫蘆后的T1～T10代在黃瓜和西葫蘆上的凈增殖率基本上顯著高于棉花(T2代除外)；而在黃瓜上的凈增殖率除T1、T4和T9外均高于或顯著高于同世代棉蚜在西葫蘆上的凈增殖率。轉接到西葫蘆后繁殖的T1代Hap4型棉蚜的繁殖能力提升，其在棉花上的凈增殖率達到35.43，顯著高于T0代在棉花上的凈增殖率(14.17)，但顯著低于同世代棉蚜在西葫蘆上的凈增殖率。Hap4型棉蚜取食西葫蘆后在西葫蘆上的平均世代周期除T1和T10代高于棉花外，部分世代(T2～T6和T8)的棉蚜在西葫蘆上的平均世代周期與棉花基本相同，少數世代(T7和T9)的棉蚜則有所縮短；而在黃瓜上的平均世代周期與西葫蘆上沒有顯著差異。就內稟增長率而言，在西葫蘆上的內稟增長率除T2代與棉花相比顯著降低外，部分世代(T1和T3～T5)內稟增長率均與棉花上相當；部分世代(T6～T10)顯著高于棉花上的內稟增長率。各世代在黃瓜上的內稟增長率與其在西葫蘆上基本一致，個別世代(T2、T7和T10)顯著高于在西葫蘆上的內稟增長率(表2)。

表2 Hap4型棉蚜取食西葫蘆不同代別后在3種寄主上的生命表參數1)

綜上，Hap4型棉蚜在Hap4型棉蚜取食西葫蘆一代后就能取食黃瓜并有較強的繁殖能力，并且，隨著取食西葫蘆代數的增加，呈現較為穩定的趨勢，而在原寄主棉花上的繁殖能力呈現下降趨勢。Hap4型棉蚜在西葫蘆上的繁殖能力隨著其在西葫蘆上取食代數的增加而降低，但強于在原寄主棉花上的繁殖能力。

3 結論與討論

在長期的進化過程中,棉蚜在取食選擇過程中已經形成了對某一種或幾種近緣物種寄主植物的?；訹32]。Wool[33]認為棉蚜在同種植物之間轉接比同科植物之間表現出更好的寄主適應性且更容易建立種群。2009年Carletto等[16]利用微衛星和寄主轉接試驗將棉蚜分為葫蘆科、棉花、茄子、馬鈴薯和辣椒(或甜椒)等5個明顯的寄主宗。2013年Satar 等[34]將土耳其棉花上的棉蚜轉接到柑橘、黃瓜、茄子、黃秋葵和甜辣椒等非原寄主上,發現棉花上的棉蚜在這些非原寄主上1齡若蟲死亡率高達100%,且很難建立種群;同樣黃瓜和甜椒上的棉蚜轉接到棉花上也不能很好地建立種群,其內稟增長率低于棉花上棉蚜取食棉花的內稟增長率,相反柑橘、茄子上的棉蚜轉接到棉花上能建立種群,明顯表現出棉蚜具有寄主專化性現象。2004年王詠妙等[35]將棉花上和甜瓜上棉蚜進行互接,發現棉蚜很難在非原寄主上建立種群。2015年王麗等[31]利用寄主轉接將棉花上的棉蚜和黃瓜上的棉蚜進行寄主互接,結果發現互換寄主后棉蚜均體重減輕,成蚜和仔蚜的存活率降低且繁殖率下降,很難建立種群,于是將河南安陽的棉蚜分為棉花型和黃瓜型;除此之外還發現黃瓜上的棉蚜轉接到西葫蘆可以建立種群。由此可知,不同地區的棉蚜遺傳結構并不單一,而是由多種對寄主利用存在差異的不同專化型組成。

長期以來,對棉蚜的生物型鑒定都是依據采集寄主或生物學測定來確定的,但棉蚜的分化程度較高,依據采集寄主和寄主適應性很難建立可溯源的生物型分類體系。隨著技術的發展,依靠分子生物學技術來對昆蟲生物型進行區分成為可能。Hap4型棉蚜是除Hap1型和Hap3型之外,另一類數量較多的單倍型類型,與Hap1和Hap3分別對應棉花型棉蚜和黃瓜型棉蚜不同,本研究結果表明，Hap4型棉蚜不能嚴格的與棉花型棉蚜或黃瓜型棉蚜對應,因為其在棉花和黃瓜上都能很好地存活和建立種群。雖然Hap4型棉蚜采于棉花,并一直用棉花植株來保存種群,但相對于棉花,其在西葫蘆和黃瓜上卻表現出較好的適應性。

對于植食性昆蟲來說,寄主植物對昆蟲的生長發育及進化等有著十分重要的意義。Bemays等[19]提出昆蟲對非原寄主的取食在一定程度上改變其對原寄主的利用程度。將取食選擇更偏好旱金蓮的蠶豆蚜Aphisfabae轉接到蠶豆上飼養,隨著飼養代次的增加,其對旱金蓮的選擇偏好逐漸降低,對蠶豆的取食選擇升高;將取食偏好蠶豆的蠶豆蚜轉接到旱金蓮上,長期用旱金蓮飼養，其對蠶豆的取食偏好降低,對旱金蓮取食偏好增加[36]。Hap4型棉蚜在轉移到西葫蘆上飼養的前兩代,生殖能力顯著提高,可能是由于棉蚜具有寄主間轉移取食的習性,通過爬行進行短距離的寄主間遷移。這是其為快速建立種群而進化出的環境適應能力。本研究使用無翅棉蚜進行研究,有翅棉蚜的寄主間遷移是否存在此現象需進一步開展研究。

目前作物間的混作、輪作等種植模式,不僅可以提高土地復種指數,增加單位土地收益,還緩解連作障礙等,帶來了巨大的經濟效益[37-38]。但作物的混作為棉蚜遷移提供了便利條件,可能造成危害范圍的擴大。目前已經很多研究提出?；兔扪猎谌∈衬骋恢参锖竽軌驍U大寄主范圍。例如,棉花型棉蚜取食西葫蘆后,不僅獲得了在黃瓜上建立種群的能力,還保留取食棉花的能力[24,27]。同樣,黃瓜型棉蚜取食豇豆后,不僅獲得了在棉花上建立種群的能力,還保留了取食黃瓜的能力[26,29-30]。因此,在農業生產特別是作物的混作,應避免西葫蘆、豇豆與黃瓜類作物混作,避免由于中間寄主的作用增加了棉蚜的為害范圍。除此之外,棉花、西葫蘆和甜瓜可以讓木槿上的棉蚜獲得取食黃瓜的能力[35]。本研究結果與此前的研究結果不一致的方面是,Hap4型棉蚜不經過西葫蘆的誘導即可取食黃瓜(未發表數據),且經西葫蘆誘導后生殖能力顯著提高,暗示作物間的混作,特別是與西葫蘆混作會顯著提高Hap4型棉蚜的發生水平。

源自于棉花的Hap4型棉蚜能夠很好地取食西葫蘆和黃瓜,且對西葫蘆和黃瓜的適合度高于棉花,不能用黃瓜型和棉花型等寄主轉化型來區分其種群分化,需借助依托分子生物學技術建立的生物型鑒定系統區分其種群分化。經過西葫蘆的誘導,Hap4型棉蚜的生殖能力顯著提高,生產中應避免西葫蘆與其他棉蚜寄主作物混作,減輕棉蚜的發生為害。