物種間競爭是一種自然界普遍存在的現(xiàn)象。然而，近日發(fā)表于《自然—通訊》的一項(xiàng)論文成果證實(shí)，昆蟲也懂“合作共贏”。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所(以下簡稱植保所)研究員李云河團(tuán)隊(duì)揭示，以水稻為寄主的兩大害蟲——二化螟和褐飛虱，能夠協(xié)力應(yīng)對水稻抗蟲防御機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)“互利共存”的生態(tài)策略。

不只是競爭

物種競爭，主要指不同物種利用同一相對短缺資源或空間時出現(xiàn)的生存斗爭現(xiàn)象，其結(jié)果是不同個體間相互施加不利影響。

論文通訊作者李云河告訴《中國科學(xué)報(bào)》，從達(dá)爾文時代起，競爭就一直是生態(tài)學(xué)和進(jìn)化研究的焦點(diǎn)。

“基于物種競爭理論，一般認(rèn)為，在同一寄主植物上取食的不同昆蟲種間普遍存在‘競爭排斥’關(guān)系。一種昆蟲為害植物，可誘導(dǎo)植物產(chǎn)生防御反應(yīng)，例如產(chǎn)生抗蟲代謝物質(zhì)，這種代謝物質(zhì)往往對同種昆蟲及其他種昆蟲均產(chǎn)生負(fù)面影響。”李云河說。

隨著研究深入，傳統(tǒng)物種競爭理論受到挑戰(zhàn)。

論文第一作者、植保所已畢業(yè)博士劉清松介紹，近年來少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，共享同一食物資源的物種可能進(jìn)化為“協(xié)作互利”關(guān)系，但這種關(guān)系多存在于微生物之間。

李云河認(rèn)為，昆蟲作為動物界最大、環(huán)境適應(yīng)能力最強(qiáng)的一個類群，理論上共享同一寄主植物的不同昆蟲種間同樣能進(jìn)化為“互利”關(guān)系。但長期以來一直沒有相關(guān)報(bào)道。

李云河團(tuán)隊(duì)長期從事水稻—害蟲相互作用研究工作。近年來，他們圍繞水稻防御和害蟲反防御兩方面，系統(tǒng)研究了水稻介導(dǎo)的兩大害蟲二化螟和褐飛虱及其天敵的多重種間關(guān)系。

前期研究中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，褐飛虱偏愛在二化螟為害的稻株上取食和產(chǎn)卵。這是因?yàn)槎鵀楹Φ乃窘M織中游離氨基酸含量顯著提高，而一些不利于褐飛虱生長發(fā)育的甾醇類物質(zhì)含量顯著降低，顯著促進(jìn)褐飛虱生長發(fā)育。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，二化螟為害水稻后還為褐飛虱卵提供了規(guī)避寄生蜂的庇護(hù)所。二化螟誘導(dǎo)水稻釋放的揮發(fā)物對褐飛虱卵寄生天敵稻虱纓小蜂具有顯著的排斥作用。褐飛虱通過與二化螟共享寄主，可顯著降低其卵被稻虱纓小蜂寄生的風(fēng)險(被寄生率降低50%~80%)。

“這些結(jié)果促使我們進(jìn)一步探究褐飛虱是否也能協(xié)助二化螟實(shí)現(xiàn)對水稻的反防御，使二者形成種間‘互利’關(guān)系。”李云河說。

兩大害蟲的互利共贏

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了水稻介導(dǎo)的褐飛虱、二化螟及天敵稻螟赤眼蜂的多重種間關(guān)系及機(jī)制。論文共同第一作者、植保所博士生胡曉云介紹，他們首先開展了室內(nèi)生物測定試驗(yàn)，通過設(shè)置不同的蟲害處理組合，研究蟲害誘導(dǎo)的水稻對二化螟或褐飛虱各自生長發(fā)育的影響。

而對于二化螟的產(chǎn)卵試驗(yàn)，他們也開展了田間試驗(yàn)來模擬驗(yàn)證溫室產(chǎn)卵試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明二者具有一致性。

“這些試驗(yàn)均從生態(tài)學(xué)的角度解釋了二化螟與褐飛虱之間的互作關(guān)系。同時，基于兩種昆蟲的取食特點(diǎn)，結(jié)合生態(tài)位理論，可以很好地從生態(tài)學(xué)角度闡釋兩種昆蟲互利關(guān)系的生態(tài)基礎(chǔ)。”胡曉云解釋說，二化螟為鉆蛀性害蟲，在水稻莖稈內(nèi)取食;而褐飛虱主要刺吸水稻莖葉汁液。二者雖然在同一稻株上取食，但所利用資源不同，生態(tài)位分異。這是導(dǎo)致兩種昆蟲間不存在競爭，反而進(jìn)化了互利關(guān)系的生態(tài)基礎(chǔ)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)二化螟單獨(dú)為害水稻時，水稻迅速啟動防御反應(yīng)，相關(guān)防御基因(茉莉酸和蛋白酶抑制劑等)顯著上調(diào)，重要抗蟲防御物質(zhì)蛋白酶抑制劑迅速累積，對二化螟幼蟲的生長發(fā)育產(chǎn)生顯著負(fù)面影響。

然而，當(dāng)褐飛虱與二化螟共同為害水稻時，可顯著抑制二化螟為害誘導(dǎo)的水稻防御反應(yīng)，相關(guān)防御基因下調(diào)，蛋白酶抑制劑含量也顯著下降，完全消除對后來二化螟幼蟲適合度的負(fù)面影響。

同時，他們發(fā)現(xiàn)，二化螟雌成蟲進(jìn)化了積極利用這一適合度利益的產(chǎn)卵策略，即當(dāng)無褐飛虱存在情況下，二化螟雌成蟲躲避其幼蟲為害的稻株，傾向?qū)⒙旬a(chǎn)在健康稻株上;而當(dāng)褐飛虱存在情況下，二化螟成蟲更偏愛在褐飛虱單獨(dú)為害或二者共同為害的稻株上產(chǎn)卵。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，二化螟幼蟲為害及其成蟲產(chǎn)卵可誘導(dǎo)水稻釋放大量信息揮發(fā)物，吸引稻螟赤眼蜂;而褐飛虱的加入為害，可改變水稻揮發(fā)物的組分及含量，降低對稻螟赤眼蜂的吸引作用，甚至逆轉(zhuǎn)為排斥作用，使二化螟卵被寄生率分別降低45%和32%。

“這些結(jié)果表明，褐飛虱和二化螟共同為害水稻，不僅削弱了水稻的直接抗蟲防御反應(yīng)，也影響了水稻的間接防御反應(yīng)。”李云河說。

提供害蟲防治新思路

李云河表示，二化螟和褐飛虱均為植食性害蟲，水稻作為其共同的食物資源而介導(dǎo)了二者之間的相互作用。一般來說，同種昆蟲之間可以通過多種方式進(jìn)行相互識別和交流，而異種昆蟲間鮮有直接相互識別的例子。

“該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步豐富了我們對蟲害誘導(dǎo)揮發(fā)物功能的認(rèn)知。該研究在理論方面有助于深入理解植物介導(dǎo)的昆蟲種間協(xié)同進(jìn)化機(jī)制，在實(shí)踐方面對害蟲防控也有重要意義。比如，我們可以鑒定出影響褐飛虱產(chǎn)卵的揮發(fā)性物質(zhì)，開發(fā)褐飛虱產(chǎn)卵引誘劑和排斥劑，用于防治褐飛虱。”李云河說。

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)稻縱卷葉螟和二化螟、稻縱卷葉螟和褐飛虱之間不存在互利關(guān)系。“究其原因，應(yīng)該是不同昆蟲間生態(tài)位重疊度不同。”劉清松說。

二化螟和褐飛虱進(jìn)化了協(xié)作調(diào)控水稻防御反應(yīng)，提升稻株?duì)I養(yǎng)成分，抑制防御物質(zhì)產(chǎn)生，互助提升生存適合度，從而實(shí)現(xiàn)種間“互利共存”。

“這一發(fā)現(xiàn)打破了人們對共享寄主昆蟲種間競爭排斥關(guān)系的普遍認(rèn)知。同時，拓展了物種‘生態(tài)位分異理論’的內(nèi)涵，為科學(xué)制定害蟲生態(tài)防控新策略和新技術(shù)奠定了重要理論基礎(chǔ)。”李云河說。(記者 李晨)

關(guān)鍵詞： 水稻兩大害蟲為何能互利共存 水稻抗蟲防御機(jī)制 水稻兩大害蟲 昆蟲