惠 羽,杨雪梅,杨筱慧

(湖南师范大学生命科学学院,中国湖南 长沙 410081)

瘿是致瘿生物诱导寄主植物异常生长形成的特殊植物组织[1]。常见的致瘿生物包括病毒、细菌、真菌、线虫、螨类和昆虫[2]。其中,致瘿昆虫的主要类群包括瘿蚊科(Cecidomyiidae)、瘿绵蚜科(Pemphigidae)和瘿蜂科(Cynipidae)等[3]。致瘿昆虫通过物理和化学刺激诱导寄主植物形成的瘿称为虫瘿。虫瘿是致瘿昆虫和寄主植物共同作用的产物,也是致瘿昆虫表型的延伸[4]。

当前,昆虫致瘿的具体机制主要有4种观点:基因转移致瘿、共生菌(病毒)致瘿、化学物质诱导致瘿和植物激素调控致瘿。基因转移致瘿观点认为,昆虫通过质粒DNA将自身基因整合到寄主植物的基因组中成功表达而致瘿,和农杆菌(Agrobacterium spp.)形成冠瘿的机制相似[5]。共生菌致瘿观点认为,致瘿昆虫共生的细菌或病毒诱导寄主植物形成虫瘿。例如:寄生蜂(Leptopilina heterotoma)的共生病毒破坏寄主植物细胞的免疫性,诱导虫瘿的形成[6]。化学物质诱导致瘿观点认为,致瘿昆虫通过产卵和取食等行为的分泌物释放某种化学物质,诱导植物胞内反应,促使植物细胞代谢异常而形成虫瘿[7]。例如:葡萄根瘤蚜(Viteus vitifolii)唾液腺分泌物富含谷氨酸、色氨酸和组氨酸等氨基酸,将谷氨酸、色氨酸和组氨酸组合注射到植物组织,可诱导植物组织异常生长形成类似虫瘿的结构[8]。植物激素调控致瘿观点认为,昆虫分泌植物激素诱导虫瘿快速发育,如:Nysterakis等[9]在昆虫的唾液中发现了吲哚乙酸;Yamaguchi等[10]使用液相色谱-质谱联用技术证实,一种叶蜂(Pontania sp.)幼虫体内和其虫瘿吲哚乙酸的含量高于寄主植物白柳的正常组织。

虫瘿对致瘿昆虫具有重要意义。营养假说认为,虫瘿较寄主植物的成瘿部位含有较多的营养物质,为致瘿昆虫提供更加丰富且充分的营养[11～13]。微环境假说认为,虫瘿能缓解环境温度的波动,为致瘿昆虫提供适宜生存的小环境[14]。天敌假说认为,虫瘿能保护致瘿昆虫使其避免天敌的伤害[15～17]。

不同虫瘿的形态和结构存在差异。虫瘿按形状可分为囊状、子弹状、球状、柱状花状、根状等多种类型,其表面光滑或者布满细毛和小刺[18]。例如:鹅掌柴滑管蓟马(Liothrips sp.)为害鹅掌柴(Schefflera),致使叶片在背面形成角状突起状虫瘿[19];刺桐姬小蜂(Quadrastichus erythrinae)为害刺桐属(Erythrina spp.),使植物叶脉两侧产生瘤状虫瘿[20]。研究表明,菊瘿蜂(Aulacidea sp.)在山柳菊(Hieracium umbellatum)上形成虫瘿的组织类型包括维管组织、薄壁营养组织和营养组织[17,21]。另外,玫瑰犁瘿蜂(Diplolepis rosae)刺激苦水玫瑰(Rosa rugosa)形成的虫瘿[21～23]和栗瘿蜂(Dryocosmus kuriphilus)在板栗(Castanea mollissima)枝条上形成的虫瘿的结构均包括表皮层、保护层、营养层和虫室[6]。

瘿蜂科为瘿蜂总科(Cynipoidea)的植食性类群,包括古瘿蜂亚科(Hodiernocynipinae)和瘿蜂亚科(Cynipinae),已知约 1 400 种[24～25]。瘿蜂亚科可划分为6个族,分别是草瘿蜂族(Aylacini)、蔷薇瘿蜂族(Diplolepidini)、豆瘿蜂族(Eschatocerini)、槭瘿蜂族(Pediaspidini)、客瘿蜂族(Synergini)和栎瘿蜂族(Cynipini)[25～26]。其中,栎瘿蜂族是瘿蜂亚科中种类最为丰富的类群,包含27属1 000余种[27]。向川安瘿蜂(Andricus mukaigawae)属瘿蜂亚科栎瘿蜂族,在白栎(Quercus fabri)上产卵并于枝条上形成虫瘿。向川安瘿蜂虫瘿和无虫瘿枝条的组织结构差异尚不清楚。本实验通过制作石蜡切片比较二者组织结构的差异,为进一步研究营养物质和次生代谢产物在向川安瘿蜂虫瘿的组织分布提供基础。

1 材料与方法

1.1 样本采集

虫瘿和无虫瘿枝条样本于2017年10月采集自湖南新邵县雀塘镇(111°34′48″E、27°19′12″N;245 m),寄主植物为白栎。

1.2 石蜡切片

先将向川安瘿蜂虫瘿和无虫瘿枝条分离,用纱布擦净虫瘿和枝条上的灰尘。随后,参考杨捷频的方法[28]并适当修改,进行石蜡切片的制作,具体步骤如下:将虫瘿和无虫瘿枝条置于FAA固定液中固定5 h,然后置于乙醇中脱水,再以二甲苯透明,浸蜡并包埋后用石蜡切片机切片,切片厚度为10 μm,烘片后以番红、固绿染色,最后用中性树胶封固制成石蜡切片。番红可使植物的细胞核、木质化细胞壁呈鲜红色,木栓化细胞壁呈红褐色;固绿使细胞质和含有纤维素的细胞壁呈蓝绿色[29]。

1.3 显微观察

用OLYMPUS BX51显微镜(Olympus公司,日本)观察石蜡切片,用佳能710D相机(Canon公司,日本)拍摄形态外观特征。

2 结果

2.1 向川安瘿蜂虫瘿和成瘿枝的组织结构

向川安瘿蜂在白栎枝条上形成球状虫瘿(图1)。成熟期虫瘿从外到里依次是表皮层、保护层、营养层和虫室(图2C)。其中,表皮层由一层扁平的细胞构成,其上生有表皮毛(图2B)。保护层可以分为两层,外层是薄壁组织,由薄壁细胞组成;内层分布许多散生的维管束(图2E),石细胞成群分布(图2A),包围着维管束,在显微镜下能够明显观察到高度木质化的次生壁,壁上有明显的纹孔道,此处机械组织发达,十分坚硬。营养层是虫瘿最内层,由3～5层细胞核很大的营养细胞组成,图2D中被染成红色的部位即为营养细胞的细胞核。虫室是向川安瘿蜂幼虫生长发育的空间。

图1 向川安瘿蜂虫瘿的形态和着生位置Fig.1 The morphology and localization of an A.mukaigawae gall

图2 向川安瘿蜂虫瘿的组织切片(A)石细胞群;(B)表皮层;(C)虫瘿整体观;(D)营养层;(E)保护层内的维管束。SC:石细胞群;Ep:表皮层;EH:表皮毛;Pr:保护层;Nu:营养层;Lc:虫室;La:幼虫;NC:营养细胞;VB:维管束。Fig.2 The tissue sections of A.mukaigawae galls(A)Stone cells;(B)Epidermis layer;(C)An overall view of the gall structure;(D)Nutritive layer;(E)Vascular bundles in the protective layer.SC:Stone cells;Ep:Epidermis layer;EH:Epidermal hair;Pr:Protective layer;Nu:Nutritive layer;Lc:Insect chamber;La:Larva;NC:Nutritive cells;VB:Vascular bundle.

白栎无虫瘿枝条具有次生生长的结构特征,从外到内依次为周皮、皮层、次生韧皮部、维管形成层、次生木质部和髓(图3)。周皮是由木栓形成层、栓内层和木栓层组成的次生保护组织;皮层由薄壁组织组成,细胞排列疏松;维管形成层由具有潜在分生能力的组织构成,其向外、向内不断分裂分化形成次生韧皮部和次生木质部。

图3 白栎无虫瘿枝条的组织切片Pd:周皮;Co:皮层;SPh:次生韧皮部;VCa:维管形成层;SX:次生木质部;Pi:髓;Le:皮孔。Fig.3 The tissue sections of Q.fabri non-galled branchesPd:Periderm;Co:Cortex;SPh:Secondary phloem;VCa:Vascular cambium;SX:Secondary xylem;Pi:pith;Le:Lenticel.

2.2 向川安瘿蜂虫瘿和无虫瘿枝条的结构特征比较

向川安瘿蜂虫瘿和无虫瘿枝条的组织结构存在差异。首先,无虫瘿枝条具维管形成层和周皮(图 4B、D),而虫瘿具有表皮(图 4A)和维管束(图4C)等结构。其次,二者外层的组织不同(图4A～B),虫瘿的外层为表皮,由具表皮毛的扁平细胞构成,而无虫瘿枝条外层为具皮孔的周皮。再次,二者中间的组织不同(图4C～D),虫瘿的中间组织是保护层,包括薄壁细胞群、石细胞群和散生的维管束;而无虫瘿枝条的中间组织由次生结构组成,包括维管形成层、次生韧皮部和次生木质部,未观察到散生的维管束和石细胞。另外,虫瘿的内层为营养层,其细胞的细胞核较大(图2D),而无虫瘿枝条的内层是由薄壁细胞组成的髓。

图4 向川安瘿蜂虫瘿和白栎无虫瘿枝条组织切片的比较(A)向川安瘿蜂虫瘿的表皮层;(B)白栎无虫瘿枝条的周皮;(C)向川安瘿蜂虫瘿的中间结构;(D)白栎无虫瘿枝条的中间结构。EH:表皮毛;Ep:表皮层;Pd:周皮;Co:皮层;Le:皮孔;VB:维管束;SC:石细胞群;SPh:次生韧皮部;VCa:维管形成层;SX:次生木质部;Pi:髓。Fig.4 Comparison of tissue structure between A.mukaigawa galls and Q.fabri non-galled branches(A)The epidermis layer of A.mukaigawa galls;(B)The periderm of Q.fabri non-galled branches;(C)The intermediate structure of A.mukaigawa galls;(D)The intermediate structure of Q.fabri non-galled branches.EH:Epidermal hair;Ep:Epidermis layer;Pd:Periderm;Co:Cortex;Le:Lenticel;VB:Vascular bundle;SC:Stone cells;SPh:Secondary phloem;VCa:Vascular cambium;SX:Secondary xylem;Pi:Pith.

3 讨论

向川安瘿蜂虫瘿和无虫瘿枝条的组织结构存在差异。白栎上的无虫瘿枝条属于茎的次生结构[30],由周皮、皮层、次生韧皮部、维管形成层、次生木质部和髓构成,通过输导组织将水、无机盐和有机物运输到虫瘿中,供虫瘿中的昆虫生长发育。向川安瘿蜂虫瘿由表皮层、保护层、营养层和虫室组成,这与玫瑰犁瘿蜂在苦水玫瑰形成的虫瘿[22]及刺桐姬小蜂在刺桐属叶片上形成的虫瘿[31]结构相似。根据天敌假说和营养假说,内部结构的差异可能和防御及营养物质的供给相关[32]。

向川安瘿蜂虫瘿的表皮为排列紧密的扁平细胞,且具有表皮毛,有保护和防止水分散失的功能[30];向川安瘿蜂虫瘿的营养层为向川安瘿蜂幼虫的食物来源,由3～5层细胞核比较大的营养细胞构成,这与栗瘿蜂虫瘿的营养层结构报道[33]一致。瘿蜂虫瘿的营养层细胞具分裂能力,为瘿蜂的生长发育提供营养[34]。保护层的维管束发生了重新排列且大量存在,石细胞的次生壁高度木质化,因此,虫瘿的机械强度和木质化程度都比无虫瘿枝条高,能增加虫瘿硬度。研究表明,虫瘿硬度的增加能够起到有效的防御作用[32],我们推测,向川安瘿蜂保护层高度木质化,能阻碍寄生者使用产卵器将卵产于虫瘿组织内,以保护向川安瘿蜂幼虫。保护层高度木质化的机制尚不清楚,值得进一步探索。

致谢:感谢美国东伊利诺伊大学刘志伟教授为瘿蜂鉴定提供帮助。