土壤镉污染对杨树雌雄植株抗地上和地下害虫的影响

2021-11-04林恬恬唐嘉瑶陈良华

四川农业大学学报 2021年5期

林恬恬，唐嘉瑶，何方，陈良华，3，4*

（1.四川农业大学林学院，成都 611130；2.长江上游森林资源保育与生态安全国家林业和草原局重点实验室，成都 611130；3.四川农业大学生态林业研究所，成都 611130；4.长江上游林业生态工程四川省重点实验室，成都 611130）

随着城市化、工业化、汽车尾气排放以及农业的集约化经营，土壤的重金属污染日益严重。部分重金属被植物通过根系吸收并富集在植物体内，会对植物产生毒害作用，扰乱植物体内的生理代谢过程，直接影响植物的生长发育，甚至造成植株死亡[1]。在学者们深入探讨重金属元素对植物生长发育所产生的负面效应的同时，有研究发现重金属元素的富集对昆虫具有一定的生物学毒性[2]。取食富含重金属元素的植物会通过降低昆虫血淋巴中贮能物质的含量、破坏细胞和组织的结构和完整性、抑制细胞免疫和体液免疫等方式，造成昆虫的生长率下降、发育周期延长、产卵量和卵孵化率降低、死亡率升高等不良影响[3]。在此基础上，学者们提出了元素防御假说（elemental defense hypothesis）。该假说认为重金属元素作为一种外源化学物质，被植物从环境中吸收并富集到体内后，可以被其作为一种特别的化学防御方式而利用，以增强植物的抗虫性[2，4]。S.Robert等[5]认为，由于重金属元素无法被昆虫降解，植物采用该方式抵御虫害比主动合成有机化学物质的防御方式更为节能和高效。

利用植物修复重金属污染土壤是重要的环境修复手段之一，目前发现的超富集植物大多为草本植物（镍的超富集植物种类最多），普遍存在生长缓慢和经济价值低等缺点，很难推广和应用于大面积的低镉污染区。与大多数重金属超富集草本植物相比（例如，Thlaspi caerulescenes，Sedum alfredii，Arabis paniculata），以杨属（Populus）植物为代表的速生木本植物具有生长迅速、生物量大、根系发达等优点，抗逆性强，能积累较大总量的重金属，这类植物的重金属抽提和修复能力日益受到重视。目前，“元素防御假说”的研究对象主要集中在草本植物上，针对木本植物的研究较少。由于木本植物体内重金属的吸收、转运、积累和解毒机制与草本植物存在差异[6]，“元素防御假说”在木本植物上的适用性需要得到进一步检验。在前期研究中，我们以滇杨（Populus yunnanensis Dode）为对象，深入研究了土壤镉污染处理对滇杨抗虫性的影响，发现镉元素即使以较低的浓度富集在滇杨叶片内，也会显著抑制专食性和普食性两种类型食叶性害虫的生长发育和取食选择[7]，这一结果首次验证了“元素防御假说”在低富集木本植物上的适用性，以“Testing the elemental defense hypothesis with a woody plant species:Cadmium accumulation protects Populus yunnanensis from leaf herbivory and pathogen infection”为题于 2020年5月发表在环境生态学权威期刊《Chemosphere》上。

雌雄异株植物是陆地生态系统的重要组成部分，这类植物约占被子植物的6%～10%。雌株承担着孕育果实的任务，通常被认为具有比雄株更高的生殖投入，因而具有较高的资源需求。由于性别间生殖成本和资源需求的差异，在长期适应进化的过程中，雌雄异株植物的不同性别植株在生长、存活、生殖格局、空间分布等方面表现出明显的差异[8-10]。我们的前期研究发现，杨树不同性别植株对重金属的耐受程度和富集能力存在差异[11-12]，但这种差异是否会显著影响木本植物雌雄植株的抗虫性?为了探究这一科学问题，我们采用美洲黑杨雌雄植株作为供试材料，进行盆栽控制实验，研究土壤镉污染条件下，取食不同性别杨树器官时4种食叶害虫（包括两种专食性昆虫和两种广食性昆虫）和一种地下害虫（蛴螬）幼虫生长发育和取食选择的差异，探究镉胁迫下不同性别杨树植株间的抗虫性差异及相关机制。

研究人员于初春季节在重金属污染样地内采集美洲黑杨雌雄植株的1 a生枝条，扦插于在沙质苗床上进行育苗。实验共4个处理（对照+雌，对照+雄，镉+雌，镉+雄），为消除随机采样的误差，每个处理设定10株幼苗作为重复。镉处理浓度为60 mg/kg干土（提前将相应浓度的CdCl2·2.5H2O拌入7 kg匀质的土壤中，平衡一个月后移栽长势一致的杨树幼苗）。实验处理期为5个月，在温室大棚内进行，期间控制环境温度、湿度和土壤水分等环境因子。处理期结束后，我们对比了不同处理下杨树雌雄植株的株高、地径和叶片叶绿素、氮、镉含量的差异性。结果表明，对照条件下，雄株的株高和地径显著高于雌株，但是二者叶片中叶绿素及氮、镉含量无显著差异。另一方面，我们发现土壤镉污染显著降低了两种性别植株的生长量和叶片叶绿素及氮含量，雌株受到的负面影响较大，对重金属胁迫更敏感，这与前人的研究结论相似[13]。同时，我们还发现雄株叶片内的镉浓度显著高于雌株，而雌株根系中镉浓度则显著高于雄株，两种性别植株不同器官对镉的富集效率存在差异。

随后，研究人员分别对两种专食性昆虫，即杨黄卷叶螟（Botyodes diniasalis Walker）和杨扇舟蛾（Clostera anachoreta Fabricius），两种普食性昆虫，即棉大卷叶螟（Sylepta derogata Fabricius）和斜纹夜蛾（Spodoptera litura Fabricius），以及一种普食性地下害虫蛴螬（Holotrichia diomphalia Bates）开展了昆虫生物测试，探究不同处理对5种昆虫生长发育和取食选择的影响。结果表明，未污染条件下，杨树雌株比雄株对普食性昆虫的抗性更强，能够显著趋避昆虫的取食选择，抑制棉大卷叶螟、斜纹夜蛾和蛴螬的生长发育，与J.Ågren等[14-15]的结果相似。我们进一步测定了杨树叶片和根系内单宁、总酚和黄酮等3种化学防御物质的含量。结果表明，与雄株相比，雌株叶片内含有较高水平的单宁，而根系内则含有更多的总酚，不同器官中化学防御物质含量的差异是影响普食性昆虫生长和发育的重要原因。另一方面，我们发现，镉污染处理显著抑制了5种害虫的生长发育和取食选择偏好性，杨树雌雄植株的抗虫性表现出显著差异。雄株无论是对4种食叶害虫生长发育的抑制程度还是对其取食选择的趋避作用都比雌株更强，而雌株对蛴螬的生长抑制程度更高。这说明土壤镉污染处理能够显著增强杨树雌雄植株的抗虫性，对其抗性的影响因害虫类型的差异（地下和地下两类）而有所不同。相关性分析表明，杨树组织的镉含量与不同昆虫的生长量呈显著负相关，说明镉污染条件下杨树雌雄植株的抗虫性差异受到组织中镉浓度的显著影响。随后，研究人员通过荧光定量PCR技术检测了杨树叶片和根系内16个参与镉积累、转运和解毒相关基因的表达量，发现在镉污染条件下雄株叶片和雌株根系中的上调基因数量较多。这一结果解释了美洲黑杨雄株叶片和雌株根系能够比另一性别植株所富集的镉含量更多的原因。

综上所述，本研究首次发现了镉污染处理导致的杨树雌雄植株的抗虫性差异。这些研究结果（图1）不仅可以为在重金属污染地区利用速生木本植物进行土壤修复时的性别选择提供科学依据，也可为土壤镉污染日益严重的背景下雌雄异株植物在种群结构、性别比例、空间分布、生殖格局以及虫害发生规律等方面的预测提供理论依据。