松材线虫入侵扩张趋势分析

理永霞,张星耀

(中国林业科学研究院林业新技术研究所，森林病原整合生物学研究室，北京 100091)

伴随着全球一体化的进程，生物入侵仍然是世界各国面临的严峻问题，其中，松材线虫病是国际重大检疫性病害，是我国目前最为严重的自然灾害之一。松材线虫Bursaphelenchusxylophilus(Steiner & Buhrer) Nickle作为松材线虫病的病原，除了与寄主松树、媒介昆虫密切互作外，还与伴生细菌、真菌有密切关系，而且它的流行更受经济物流和环境因子的影响。松材线虫侵染松树，破坏其水分输导过程，导致松树迅速枯萎死亡。松树的蛀干害虫是该病害短距离自然传播的媒介，人类的经济和物流等活动是松材线虫长距离传播扩散的主要因素[1]。

1 松材线虫在我国的发生危害状况

我国1982年发现松材线虫病，短短几十年时间，灾害从南京迅猛发展，蔓延至山东、江苏、浙江、广东、辽宁等地，在热带和亚热带地域迅速扩散造成严重危害后，近年来又逐步入侵暖温带，突破年均温10 ℃线，扩张至辽宁等中温带和秦岭等高海拔地域，直接威胁到全国3 000多万公顷的松林。据国家林业局2018年第1号公告，松材线虫病疫情已扩散至辽宁、江苏、浙江、安徽、福建、江西、山东、河南、湖北、湖南、广东、广西、重庆、四川、贵州和陕西16个省(区、市)的316个县级行政区[2]。疫情发生区从2016年的大连向北推移超过400 km，辽宁丹东、抚顺等多地发现疫情并发现新的寄主植物和媒介昆虫；重点生态区位防控形势十分严峻，三峡库区疫情尚未得到根本扭转，库区腹地、秦巴山区多处出现新疫情；重点名胜地生态安全告急，疫情已逼近黄山和庐山核心风景区，松材线虫病一旦发生，将会造成林业经济与生态的巨大损失。

2 松材线虫入侵扩张的遗传学基础

入侵我国的松材线虫种群之所以能够形成向高海拔和高纬度低温地域扩张的格局，除人为物流经济活动长距离运输的外界环境原因之外，还有松材线虫本身具有内在的遗传机制和低温适应的遗传学基础。

松材线虫的祖先是自由生活的线虫族Xylophilus，起源于欧亚大陆较寒冷的东部，曾栖息于阔叶树[3]。之后，其祖先分化出寄生于针叶树的拟松材线虫Bursaphelenchusmucronatus并传播至欧亚大陆其它地区以及美洲地区。最后在北美洲的Quebec，松材线虫作为独立的物种从拟松材线虫种群中分化而出，并逐渐广泛分布于北美洲，北至加拿大的Yukon Territory、Northwest Territories和Quebec等多个地区，中在美国的Pennsylvania、Kansas、West virginia和Florida等多个地区，南至墨西哥等国家均有分布，纵跨年均温等温线-20～20 ℃的国家和地区[4]，而我国位于年均温-10～20 ℃之间的等温线区域。因此，可以推测松材线虫可以适生于我国的所有地区，包括年均温0 ℃以下的北部地区和东北部地区。

松材线虫的耐低温和耐高温研究表明，其具有很强的耐寒性和耐热性。耐高温实验表明，松材线虫可以在45 ℃高温胁迫下存活时间长达210 min，能够很好地适应极端高温气候[5]。松材线虫在0 ℃以上，具有很强的适应能力，而对于0 ℃以下则表现出较低的适应性。但是通过低温驯化，松材线虫的耐寒性会显著提高。在中国，南北方松材线虫已经形成差异进化。面对低温，陕西省和山东省等北方松材线虫种群表现出较强的耐寒性，而广东省和广西省等南方种群的耐寒性相对较低。同时繁殖力测定也表现出南北方种群的差异，北方松材线虫种群在25 ℃下繁殖力要高于南方种群，而在较高温区(28～30 ℃)，南方种群具有较高的繁殖力。此结果说明松材线虫已经在繁殖力和耐寒性方面形成了南北方的种群差异，发生了适应性的进化。另一方面，对松材线虫进行温度测试，结果表明，随着低温驯化时间的延长，松材线虫的耐寒能力会显著提高，并且松材线虫体内甘油、葡萄糖及海藻糖的含量也显著提高[6]。

松材线虫种群的多样性研究表明，入侵地中国松材线虫种群的多样性高于原产地美国。根据遗传距离构建系统发育树，中国种群与日本种群的亲缘关系比与美国种群的关系更为接近[5]。对不同致病性、繁殖力的种群基因组、转录组的研究表明，不同种群之间的基因组多态性有很大的差异，在不同毒力种群比较中，存在238个转录本和84 个外显子的显著性变化[7-8]，并且松材线虫的入侵地种群繁殖能力显著性地高于原产地种群繁殖能力，入侵地种群的种群年龄组成更偏向于较多的低龄幼虫，从而使年龄构成更趋向于正三角，更加有利于种群的繁殖[9]。

关于松材线虫耐寒性机制，研究较多的是热激蛋白(Hsp)、硬脂酰辅酶A去饱和酶(SCD)以及滞育形成基因(daf)等。热激蛋白是松材线虫抵抗如高温、低温等逆境的应激蛋白。将松材线虫Hsp-1基因导入原核细胞表达后，此原核细胞耐受高温的能力显著高于对照组，同时发现无论是冷刺激还是热刺激，Hsp-1基因的表达量均随时间呈上升趋势，表明松材线虫Hsp-1基因在松材线虫抵抗温度逆境中起到了一定的作用[10]。松材线虫在低温条件下，会进行脂肪的积累和形态的改变，进而抵抗不利环境并进行传播扩散。对松材线虫SCD基因的研究表明，在低温条件下，SCD基因会大量表达。同时，松材线虫体内的脂肪含量也会显著性升高，说明松材线虫SCD基因有助于其在低温条件下进入滞育状态并存活[11]。当松材线虫在不利条件下，进入滞育过程，上游信号通路Insulin和TGF-β信号通路参与调控。在低温条件下，daf-3,daf-12,daf-16-1呈现上调表达趋势，而daf-9和daf-16-2呈现下调表达趋势。研究表明，daf-3，daf-9，daf-12，daf-16-1和daf-16-2对于松材线虫的脂肪积累具有负调控作用[12]。

另外，松材线虫不仅具有低温自然选择下的适应性基因变异，而且也具有适应低温的中性变异基因储备及应对低温等恶劣环境的基因表达能力和繁殖策略[13]。松材线虫所具有的适应和进化能力源自于在松材线虫基因组中存在更多可供表观遗传修饰的位点，这些位点受外界环境的影响发生表观遗传修饰，调控相关适应性基因的开启和关闭，从而为松材线虫提供较强的主动适应外界环境的能力，并且这种对环境的适应能力可以遗传给其后代[14-16]。不同的外界环境胁迫会导致不同的基因位点发生表观遗传修饰[17]。当松材线虫持续应对同一外界环境胁迫时，同一位点会频繁地发生表观遗传修饰。表观遗传修饰的过程会导致其所调控的适应性基因发生中性突变的概率高于其它位点基因，从而加速以自然选择为基础的适应性进化过程，使得松材线虫获得快速适应环境胁迫的变异和进化能力。

因此，可以推测松材线虫具有抵抗高低温的遗传基础，能够适应北美洲和亚洲等全球的低、中、高温。当松材线虫进入新的温区后，能够调动其表型可塑性，适应当地的气候条件，在长期的表型可塑性刺激下，形成了可稳定遗传的变异，完全适应新的环境，可以在几个小时之内被人类从炎热的热带携带传播至寒冷的中温带后迅速地适应低温环境而生存繁殖，迅速扩张，暴发成灾。

3 松材线虫扩散流行的生物学基础

松材线虫被人类携带至一个新的地区，能够快速扩散流行并造成危害，是因为存在松材线虫扩散流行的生物学基础，即寄主植物和媒介昆虫种类多且分布广。据报道，松材线虫可以侵染106种植物，其中大部分为松属Pinus植物，也可侵染落叶松属Larix、雪松属Cedrus、云杉属Picea和黄杉属Pseudotsuga以及冷杉属Abies植物。在这106种可寄生的树种中，自然感病的60种，人工接种感病的46种[18]。松材线虫入侵我国后，热带和亚热带的马尾松P.massoniana、思茅松P.kesiyavar.langbianensis，暖温带的黑松P.thunbergii、油松P.tabulaeformis及华山松P.armandii，中温带的红松P.koraiensis、油松先后被自然侵染发生病害流行。这些自然感病的松树种类基本代表了我国的主要松树。同时，研究表明，来源于这些自然感病松树的不同松材线虫种群存在着因寄主松树不同的基因变异[19-21]。因此，可以认为，我国的所有松树种类几乎均可被松材线虫侵染，并在适宜的生态条件下发生病害的流行。我国松科Pinaceae植物由南至北的分布为云南松P.yunnanensis、马尾松、黄山松P.taiwanensis、白皮松P.bungeana、华山松、黑松、赤松P.densiflora、油松、红松、樟子松P.sylvestrisvar.mongolica和落叶松Larixgmelinii等[22]，这些松树中，在感染地区分布的均已感染，正在感染的有红松等，受到严重威胁的有樟子松和落叶松等。已有研究表明，樟子松和日本落叶松L.kaempferi人工接种可以感病，且在自然条件下，欧洲落叶松L.decidua和美加落叶松L.americana均可感病[23]。因此，在我国华北、东北和内蒙古等多地广泛分布的樟子松和落叶松将受到严重威胁。

松材线虫的媒介昆虫种类多样化。全球目前已知能够携带松材线虫的昆虫有46种，其中天牛科37种(墨天牛属Monochamus17种，其他属20种)[18]。在中国，能够携带松材线虫的昆虫有14种，分别是松褐天牛Monochamusalternatus、云杉花墨天牛M.Saltuarius、云杉小墨天牛M.Sutor、小灰长角天牛Acanthocinusgriseus、台湾长角天牛A.gundaiensis、墨幽天牛Arhopalusrusticus、桃红颈天牛Aromiabungii、条纹幽天牛Asemumstriatum、黑角散花天牛Corymbiasuccedanea、短角幽天牛Spondylisbuprestoides、双斑泥色天牛Uraechabimaculata、角胫象Shirahoshizosp.、松纵坑切梢小蠹Tomicuspiniperda、黑翅土白蚁Odontotermesformosanus，其中作为传播媒介的有3种，分别是松褐天牛、云杉花墨天牛和云杉小墨天牛[24-25]。近年来，继在秦岭高海拔低温疫点发现非墨天牛属的疑似媒介昆虫松刺脊天牛Dystomorphusnotatus后[21]，在南亚季风控制的亚热带以及暖温带和中温带，一些新的媒介昆虫和疑似媒介昆虫不断被发现。

松褐天牛广泛分布在我国的热带和亚热带以及温带地域[26]，几乎覆盖了我国所有地域，主要危害马尾松、冷杉A.fabri、云杉P.asperata、落叶松、油松、雪松Cedrusdeodara、红松和黑松等[27]。云杉花墨天牛分布在我国的山东、甘肃、河北、辽宁、吉林、黑龙江等地，主要危害云杉等[28-29]；云杉小墨天牛主要分布在我国的山东、青海、内蒙古、辽宁、吉林和黑龙江等地，主要危害云杉、冷杉、兴安落叶松、赤松、红松和樟子松等。我国绝大部分地区均有1～3种松材线虫传播媒介，其中山东、辽宁和吉林均有3种主要传播媒介。这些寄主、媒介昆虫的多样性和广泛分布形成了松材线虫广泛扩散流行的生物学基础。

综上所述，基于①热带和亚热带部分地区成为疫区后，松材线虫逐步入侵暖温带，近年突破年均温10 ℃线扩张至辽宁等中温带和秦岭等高海拔区域；②松材线虫祖先起源于欧亚大陆较寒冷的东部，作为独立种在北美洲的Quebec分化而出，广泛分布于北美寒冷地域；③松材线虫存在适应低温的中性变异基因储备，也具有低温自然选择下的适应性基因变异和应对低温等恶劣环境的基因表达能力和繁殖策略；④松材线虫具有适应外界环境气候变化的生态响应能力和表观遗传修饰能力；⑤松材线虫的寄主植物和媒介昆虫在中国广泛丰富存在；⑥在全球范围内，以我国为中心的物流通径增加、通量增大和速度加快等因素分析，松材线虫入侵扩张的趋势是几乎所有气候带的绝大多数松林生态系统都有可能被松材线虫侵染，包括我国的河北、内蒙古、辽宁、吉林和黑龙江等地，尤其是辽宁、吉林和内蒙古面临松材线虫入侵扩张的高风险，北京和天津处在包围之中，中温带是当前防控的前线，形势危急严峻。建议加强监测预警和迅速开展应急防控技术研究。