Hap4型棉蚜取食西葫芦后的寄主适应性变化

李超侠, 杨心怡, 苏宏华, 周福才, 景田兴, 杨益众, 张 帅

(扬州大学植物保护学院, 扬州 225009)

棉蚜AphisgossypiiGlover又称瓜蚜,是广泛分布的世界性害虫之一,寄主主要包括葫芦科、锦葵科以及茄科植物[1]。棉蚜通过口器刺吸植物叶片汁液并分泌蜜露,影响植物正常的光合作用和造成叶片卷缩。传播植物病毒病是棉蚜对农业生产造成损失的一个重要因素,据统计棉蚜可传播55种病毒病[2-3]。葫芦科作物苗期感染小西葫芦黄花叶病毒(zucchini yellow mosaic virus, ZYMV)将会造成作物95%～100%的损失[4]。车海彦等[5]通过调查海南省8个市县的黄瓜样品发现黄瓜花叶病毒(cucumber mosaic virus, CMV)和烟草花叶病毒(tobacco mosaic virus, TMV)感染率分别为32.79%和9.61%。根据1998年-2005年库尔勒市8年来的灾情调查发现,棉蚜为害造成棉花减产8%～10%,受害严重的棉田减产高达40%～50%[6]。2016年新疆地区棉蚜为害棉田达到3.89万hm2[7];2018年棉田受害面积增加了近9倍,有33.3万hm2棉田受害[8]。2020年新疆巴音郭楞蒙古自治州棉蚜为害累计发生面积为5.23万hm2[9]。

棉蚜寄主广泛,种内分化明显,对不同寄主的适应能力存在明显差异。已有大量国内外研究者通过寄主转接试验提出棉蚜取食存在专化性;在非最佳寄主上死亡率极高,产仔率极低且很难建立种群,因此将棉蚜进行了分类。根据传统生物测定方法将棉蚜分为木槿型、木豆型、菊花型、黄瓜型、芋头型、茄子型、棉花型和马铃薯型[10-13]。

随着昆虫分类研究的发展,昆虫分类方法逐渐细致化。新兴的分子生物学技术为蚜虫分类提供了新的方法,相比于传统的生物学分析与形态鉴定,更加准确[14]。Vanlerberghe-Masutti等[15]利用微卫星标记将21个棉蚜群体分为16个基因型。Carletto等[16]利用Cytb基因序列将近似物种棉蚜和鼠李蚜Aphisfrangulae鉴别出来。Zhang等[17-18]利用棉蚜线粒体基因组序列分析了我国河北、河南和山东3省不同时期的9种寄主上1 046头棉蚜个体的线粒体序列,结合采集寄主和生物测定结果,确定了一段具有特异性和稳定性的线粒体序列,将华北地区棉蚜分为57个单倍型。Hap1型、Hap3型和Hap4型是主要的单倍型,占华北棉蚜总数的86%;Hap1型和Hap4型为棉花上主要的单倍型,Hap3型是瓜类上主要的单倍型,上述3种单倍型都可以很好地利用西葫芦作为寄主,其中3种单倍型的区分均基于完整线粒体序列中的单核苷酸多态性位点的不同。

昆虫对寄主的适应能力主要通过遗传获得,但昆虫取食某一种寄主后,其繁殖和对寄主的适应能力在一定程度上会发生改变[19]。取食过甘蓝的大菜粉蝶Pierisbrassicae幼虫和取食过白菜的烟草天蛾Manducasexta1龄幼虫再转接到旱金莲Tropaeolummajus上,昆虫都出现拒食直至死亡的现象[20-22]。取食蚕豆的南美斑潜蝇Liriomyzahuidobrensis幼虫在甜菜上饲养后对甜菜的寄主适应性增加[23]。木槿上的棉蚜不能直接转接到黄瓜上,但在甜瓜连续取食3代后,对黄瓜的适应性明显增加,能够正常存活和产生后代[24]。长期在黄瓜上饲养的二斑叶螨Tetranychusurticaebarinus转接到非最佳寄主辣椒和番茄上,二斑叶螨在15代内对辣椒和番茄的适应性就会增强[25]。寄主植物适应能力明显分化的棉花型棉蚜和黄瓜型棉蚜不能直接互换寄主,但棉花型棉蚜取食西葫芦3代后对黄瓜的寄主适应性有所增强[24],取食西葫芦5代后就能诱导棉花型棉蚜获得取食黄瓜能力,并能建立种群[25-28]。除了西葫芦具有改变专化型棉蚜对寄主的适应能力外,豇豆也具有相同的作用。多数研究者通过寄主转接试验发现黄瓜型棉蚜取食豇豆后对棉花的寄主适应性增强[26,29-30]。

昆虫的生长发育中,取食经历直接影响后代的寄主适应能力,一些寄主可以作为中间寄主扩大后代的寄主范围。特别是寄主广泛但有具有专化性的棉蚜,中间寄主的存在无疑对棉蚜的进化和为害的扩大有着重要意义。多数研究者通过试验发现西葫芦能诱导棉花型棉蚜获得取食黄瓜的能力,并能建立种群[24,26-28]。此外,梁新利和胡道武等[29-30]通过寄主转接试验发现豇豆可以诱导黄瓜型棉蚜获得取食棉花的能力。尽管关于棉蚜的取食经历已见报道,但棉蚜生物型众多,针对特定生物型棉蚜取食西葫芦的寄主适应性变化依然未知。因此,本研究以西葫芦诱导Hap4型棉蚜,通过寄主转接建立生命表的方法分析Hap4型棉蚜对其他寄主的适应性变化情况。

1 材料与方法

1.1 供试植物与昆虫

寄主植物为室内培养植株,选用的品种分别为棉花‘SGK321’,西葫芦‘格林王’,黄瓜‘富阳2号’。

棉蚜采自扬州大学农牧场棉花试验田,置于实验室恒温光照培养箱内的棉花子叶上饲养,条件设置为温度(26±1)℃,光周期L∥D=14 h∥10 h,相对湿度(60±10)%。采用分子鉴定技术确定其为Hap4型棉蚜[18-19],由单头棉蚜扩繁,在棉花子叶上饲养了20多代。

1.2 取食西葫芦的各代Hap4型棉蚜在棉花、黄瓜和西葫芦上存活率的测定

试验在人工智能光照培养箱[温度(26±1)℃,相对湿度(60±10)%,光周期L∥D=14 h∥10 h]内进行。将不同寄主植物叶片贴于含有1.8%琼脂的培养皿中,适时更换新鲜的叶片。将一直在棉花寄主上繁殖的多头无翅棉蚜成虫先转接到棉花上产仔,12 h后移去成蚜,保留仔蚜,记为T0代(原始种群,CK)。将T0代成蚜转移到西葫芦上取食,T0代所产仔蚜记为T1代,T1代继续取食西葫芦所产仔蚜记为T2代，以此类推。生命表参数测定过程中,选择T1代成蚜,分别转接到棉花、黄瓜和西葫芦叶片上进行产仔。12 h后移去成蚜,每处理保留35头仔蚜,即35个重复,即T1代若蚜作为起始观察虫态。每隔24 h观察并记录各处理棉蚜的存活虫量和产仔量,直至起始蚜虫全部死亡。发育为成蚜后,使用Motic SMZ-171图像测量系统测量成蚜的体长,记录数据。T2代试验时,选择一直使用西葫芦叶片饲养的T1代成蚜,分别转接到棉花、黄瓜和西葫芦叶片上进行产仔。12 h后移去成蚜,每处理保留35头仔蚜,即T2代若蚜作为起始观察虫态。每隔24 h观察并记录各处理棉蚜的存活虫量和产仔量,直至起始蚜虫全部死亡。以此类推,并重复上述试验,直至T10代转接后发育成成虫,并全部自然死亡。

1.3 数据处理及分析

数据处理方法参考王丽等[31]的计算方法:

R0=∑lxmx；

T=∑(xlxmx)/∑(lxmx)；

rm=lnR0/T。

其中x为按天划分的单位时间期限;lx为日龄x时棉蚜的存活率;mx为在x期限内存活的棉蚜平均每头所产的后代数量;R0为净增殖率,即昆虫种群经过一个世代后的增殖倍数;T为棉蚜1个世代的平均天数;rm为内禀增长率。

不同处理间的差异显著性比较采用单因素方差分析,涉及多重比较时使用IBM SPSS Statistics 27.0中的Tukey’s法。

2 结果与分析

2.1 取食西葫芦后Hap4型棉蚜在3种寄主上的存活及发育

蚜虫在寄主上的存活情况是直接反映其对寄主适应性的指标。将用棉花叶片饲养的Hap4型棉蚜转接到西葫芦叶片不同世代后,T2～T7代在棉花、黄瓜和西葫芦上的寿命基本处于比较平稳的状态,在T2代时在3种寄主上的寿命相较于其他世代都明显增加。总的来说,取食西葫芦之后,Hap4型棉蚜在黄瓜上的寿命最长,在西葫芦上的寿命次之,在棉花上的寿命最短。用西葫芦饲养不同世代的Hap4型棉蚜,在西葫芦叶片上的寿命除T2代之外,其他世代间都无显著差异,而T2和T7代之间差异达到显著水平(P=0.008)。取食西葫芦叶片不同世代后,重新转接到棉花叶片上,诱导1～9代的Hap4型棉蚜寿命比不经诱导的原始种群的寿命高1.0～4.1 d(P>0.05),但诱导10代后,寿命却显著下降,比不经诱导的原始种群的寿命缩短4.6 d(F=30.04,P<0.000 1)。取食西葫芦叶片不同世代后,转接到同为葫芦科的黄瓜上,T2和T8代的寿命明显长于其他代别;在T9和T10代时寿命明显缩短,分别与T2和T8代寿命达到显著差异水平(P<0.05)(表1)。

对比取食西葫芦叶片不同世代后转接3种寄主第5、10 天和第15天时的存活情况发现,在第5天和第10天时,转接到黄瓜和西葫芦上的Hap4型棉蚜的存活率和取食西葫芦的世代数间无明显的相关性,T1～T10代的存活率处于较为稳定的状态。而转接到棉花上之后第5天和第10 天的存活率在T1～T10代间浮动较大,主要表现为在T9和T10代时存活率急剧下降,如在T10代转接后第10 天的存活率仅为11.43%(图1)。

图1 Hap4型棉蚜取食西葫芦不同代别后在3种寄主上的存活率

生长发育情况能够反映出棉蚜对寄主的利用能力,其中涉及寄主的营养以及棉蚜对寄主次生物质的解毒代谢能力。测量取食西葫芦叶片不同世代后转接3种寄主后成蚜的体长,来推测Hap4型棉蚜在3种寄主上的发育情况。总体来说,T1～T10代在棉花、黄瓜和西葫芦上的体长基本处于比较平稳的状态,转接到棉花上的Hap4型棉蚜体长显著低于转接到西葫芦和黄瓜上的体长(P<0.000 1)(表1)。

表1 Hap4型棉蚜取食西葫芦不同代别后在3种寄主上的寿命及体长1)

2.2 取食西葫芦后Hap4型棉蚜在棉花、黄瓜和西葫芦3种寄主上的生命表参数

尽管Hap4型棉蚜采自棉花并一直用棉花叶片饲养，但其取食西葫芦后的T1～T10代在黄瓜和西葫芦上的净增殖率基本上显著高于棉花(T2代除外)；而在黄瓜上的净增殖率除T1、T4和T9外均高于或显著高于同世代棉蚜在西葫芦上的净增殖率。转接到西葫芦后繁殖的T1代Hap4型棉蚜的繁殖能力提升，其在棉花上的净增殖率达到35.43，显著高于T0代在棉花上的净增殖率(14.17)，但显著低于同世代棉蚜在西葫芦上的净增殖率。Hap4型棉蚜取食西葫芦后在西葫芦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)的棉蚜在西葫芦上的平均世代周期与棉花基本相同，少数世代(T7和T9)的棉蚜则有所缩短；而在黄瓜上的平均世代周期与西葫芦上没有显著差异。就内禀增长率而言，在西葫芦上的内禀增长率除T2代与棉花相比显著降低外，部分世代(T1和T3～T5)内禀增长率均与棉花上相当；部分世代(T6～T10)显著高于棉花上的内禀增长率。各世代在黄瓜上的内禀增长率与其在西葫芦上基本一致，个别世代(T2、T7和T10)显著高于在西葫芦上的内禀增长率(表2)。

表2 Hap4型棉蚜取食西葫芦不同代别后在3种寄主上的生命表参数1)

综上，Hap4型棉蚜在Hap4型棉蚜取食西葫芦一代后就能取食黄瓜并有较强的繁殖能力，并且，随着取食西葫芦代数的增加，呈现较为稳定的趋势，而在原寄主棉花上的繁殖能力呈现下降趋势。Hap4型棉蚜在西葫芦上的繁殖能力随着其在西葫芦上取食代数的增加而降低，但强于在原寄主棉花上的繁殖能力。

3 结论与讨论

在长期的进化过程中,棉蚜在取食选择过程中已经形成了对某一种或几种近缘物种寄主植物的专化性[32]。Wool[33]认为棉蚜在同种植物之间转接比同科植物之间表现出更好的寄主适应性且更容易建立种群。2009年Carletto等[16]利用微卫星和寄主转接试验将棉蚜分为葫芦科、棉花、茄子、马铃薯和辣椒(或甜椒)等5个明显的寄主宗。2013年Satar 等[34]将土耳其棉花上的棉蚜转接到柑橘、黄瓜、茄子、黄秋葵和甜辣椒等非原寄主上,发现棉花上的棉蚜在这些非原寄主上1龄若虫死亡率高达100%,且很难建立种群;同样黄瓜和甜椒上的棉蚜转接到棉花上也不能很好地建立种群,其内禀增长率低于棉花上棉蚜取食棉花的内禀增长率,相反柑橘、茄子上的棉蚜转接到棉花上能建立种群,明显表现出棉蚜具有寄主专化性现象。2004年王咏妙等[35]将棉花上和甜瓜上棉蚜进行互接,发现棉蚜很难在非原寄主上建立种群。2015年王丽等[31]利用寄主转接将棉花上的棉蚜和黄瓜上的棉蚜进行寄主互接,结果发现互换寄主后棉蚜均体重减轻,成蚜和仔蚜的存活率降低且繁殖率下降,很难建立种群,于是将河南安阳的棉蚜分为棉花型和黄瓜型;除此之外还发现黄瓜上的棉蚜转接到西葫芦可以建立种群。由此可知,不同地区的棉蚜遗传结构并不单一,而是由多种对寄主利用存在差异的不同专化型组成。

长期以来,对棉蚜的生物型鉴定都是依据采集寄主或生物学测定来确定的,但棉蚜的分化程度较高,依据采集寄主和寄主适应性很难建立可溯源的生物型分类体系。随着技术的发展,依靠分子生物学技术来对昆虫生物型进行区分成为可能。Hap4型棉蚜是除Hap1型和Hap3型之外,另一类数量较多的单倍型类型,与Hap1和Hap3分别对应棉花型棉蚜和黄瓜型棉蚜不同,本研究结果表明，Hap4型棉蚜不能严格的与棉花型棉蚜或黄瓜型棉蚜对应,因为其在棉花和黄瓜上都能很好地存活和建立种群。虽然Hap4型棉蚜采于棉花,并一直用棉花植株来保存种群,但相对于棉花,其在西葫芦和黄瓜上却表现出较好的适应性。

对于植食性昆虫来说,寄主植物对昆虫的生长发育及进化等有着十分重要的意义。Bemays等[19]提出昆虫对非原寄主的取食在一定程度上改变其对原寄主的利用程度。将取食选择更偏好旱金莲的蚕豆蚜Aphisfabae转接到蚕豆上饲养,随着饲养代次的增加,其对旱金莲的选择偏好逐渐降低,对蚕豆的取食选择升高;将取食偏好蚕豆的蚕豆蚜转接到旱金莲上,长期用旱金莲饲养，其对蚕豆的取食偏好降低,对旱金莲取食偏好增加[36]。Hap4型棉蚜在转移到西葫芦上饲养的前两代,生殖能力显著提高,可能是由于棉蚜具有寄主间转移取食的习性,通过爬行进行短距离的寄主间迁移。这是其为快速建立种群而进化出的环境适应能力。本研究使用无翅棉蚜进行研究,有翅棉蚜的寄主间迁移是否存在此现象需进一步开展研究。

目前作物间的混作、轮作等种植模式,不仅可以提高土地复种指数,增加单位土地收益,还缓解连作障碍等,带来了巨大的经济效益[37-38]。但作物的混作为棉蚜迁移提供了便利条件,可能造成危害范围的扩大。目前已经很多研究提出专化型棉蚜在取食某一植物后能够扩大寄主范围。例如,棉花型棉蚜取食西葫芦后,不仅获得了在黄瓜上建立种群的能力,还保留取食棉花的能力[24,27]。同样,黄瓜型棉蚜取食豇豆后,不仅获得了在棉花上建立种群的能力,还保留了取食黄瓜的能力[26,29-30]。因此,在农业生产特别是作物的混作,应避免西葫芦、豇豆与黄瓜类作物混作,避免由于中间寄主的作用增加了棉蚜的为害范围。除此之外,棉花、西葫芦和甜瓜可以让木槿上的棉蚜获得取食黄瓜的能力[35]。本研究结果与此前的研究结果不一致的方面是,Hap4型棉蚜不经过西葫芦的诱导即可取食黄瓜(未发表数据),且经西葫芦诱导后生殖能力显著提高,暗示作物间的混作,特别是与西葫芦混作会显著提高Hap4型棉蚜的发生水平。

源自于棉花的Hap4型棉蚜能够很好地取食西葫芦和黄瓜,且对西葫芦和黄瓜的适合度高于棉花,不能用黄瓜型和棉花型等寄主转化型来区分其种群分化,需借助依托分子生物学技术建立的生物型鉴定系统区分其种群分化。经过西葫芦的诱导,Hap4型棉蚜的生殖能力显著提高,生产中应避免西葫芦与其他棉蚜寄主作物混作,减轻棉蚜的发生为害。