冬蟲夏草發生發育的生態響應

雷桅　稅曉容

摘要：冬蟲夏草（Ophiocordyceps sinensis）自然資源稀少且尚未實現人工培植，自然生態環境對冬蟲夏草的發生發育至關重要。從冬蟲夏草的發生發育過程、生長習性及生態響應、寄主鉤蝠蛾昆蟲的系統學與地理分布以及生長發育和食性等方面闡述了生態條件對冬蟲夏草的影響，以有利于這一珍稀自然資源的保護和可持續開發利用。

關鍵詞：冬蟲夏草（Ophiocordyceps sinensis）；發育；生態；青藏高原；鉤蝠蛾昆蟲

中圖分類號：S646；Q148 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）01-0100-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.01.026

冬蟲夏草[Ophiocordyceps sinensis（syn. Cordyceps sinensis）]是青藏高原特色名貴的中藥材，其自然資源十分稀少。自古至今，冬蟲夏草就與人參、鹿茸并稱為“中藥三寶”，具有極其重要的藥用和經濟價值。在社會發展相對落后的青海和西藏地區，冬蟲夏草已成為許多農牧民的主要經濟來源之一。然而，作為世界上極具價值的真菌之一，冬蟲夏草無法進行人工培植和規模化生產，目前所有的冬蟲夏草都依賴于野生生長[1]。因此充分了解生態因子對冬蟲夏草發生發育的影響，有利于更全面地認識冬蟲夏草的生物學特性，建立科學合理的可持續發展技術，從而對這一珍稀自然資源的種質保護和開發利用具有重要意義。為此，對冬蟲夏草發生發育的生態響應機制進行綜述。

1 冬蟲夏草的發生發育過程

冬蟲夏草是一種蟲生真菌，其生活史包括無性階段和有性階段。其無性型稱為中國被毛孢（Hirsutella sinensis），無性階段是以無性生殖方式繁衍增殖，起始于分生孢子，以土壤、植物和鉤蝠蛾昆蟲等為宿主介質，經歷菌絲、蟲菌體或其他未知形態，并可能在某些適當的條件下將寄主幼蟲轉變成僵蟲，從而過渡至有性階段。當被感染的鉤蝠蛾幼蟲發病、衰亡和僵化（僵蟲）后，進一步發育形成子實體，開始啟動冬蟲夏草的有性階段。有性階段包括子座（連接菌核）、子囊、子囊殼、子囊孢子等有性型結構，其中子座是冬蟲夏草的入藥部位，而子囊孢子則是冬蟲夏草有性生殖的種子。子囊孢子成熟后，萌發獲得分生孢子，再次進入無性生活史，接著便開始了新一輪世代循環[2，3]。

中國被毛孢對寄主鉤蝠蛾幼蟲的侵染機理一直是令學術界困惑的難題，也是冬蟲夏草研究領域的熱點。近期高靈敏度和特異性的中國被毛孢實時定量檢測技術（Real-time qPCR）首次被建立，將其應用于檢測寄主鉤蝠蛾幼蟲、建群種植物各組織和棲息地土壤中該菌的定殖量，結果顯示幼蟲、植物和土壤中均生長著大量的中國被毛孢[2，3]。

近年已有文獻報道中國被毛孢參與侵染寄主的兩個絲氨酸蛋白酶基因（csp1和csp2）被成功克隆，其編碼的蛋白酶是S8A亞家族的新成員。通過畢赤酵母異源表達系統獲得這兩個基因的表達產物CSP1和CSP2，其最適pH均為7.0，最適溫度分別是40 ℃（CSP1）和50 ℃（CSP2）（其實這個溫度在冬蟲夏草適生地的高寒生境中完全不可能出現）。體外實驗的生物測定進一步揭示，CSP1和CSP2能有效降解鉤蝠蛾屬幼蟲的角皮蛋白，證明這兩種酶是中國被毛孢侵染寄主幼蟲的重要致病因子。從而從一個側面證明中國被毛孢是有可能通過突破昆蟲體壁侵入體腔的，同時也有助于未來構建高毒力工程菌株[4]。雖然前人僅開展絲氨酸蛋白酶對昆蟲體壁的分解作用，但其作為一種廣譜性蛋白溶解酶，或許其對昆蟲腸壁同樣具有降解功能。

真菌的有性生殖可通過同宗或異宗配合的方式來完成[5，6]。中國被毛孢菌絲的人工培養和發酵技術均已順利攻克，并進行了產業化推廣，但一直難以形成子座，其原因之一可能就是人們對冬蟲夏草有性生殖的方式了解甚少。惟一可見的報道來自于中國科學院微生物研究所的劉杏忠課題組，他們克隆到冬蟲夏草菌的交配型基因MAT1-2-1，該基因全長857 bp，編碼249個氨基酸殘基的蛋白。在該基因序列下游約3 kb處發現存在一段DNA lyase的編碼區，但在上下游各約4 kb的范圍內均未找到MAT1-1基因的同源性片段。對66個組織分離菌株和132個單子囊孢子進行測試，全部含有MAT1-2-1基因，沒有檢測到MAT1-1交配型的菌株。研究結果暗示冬蟲夏草菌以同宗配合方式進行有性生殖，同宗配合對于冬蟲夏草適應高寒、缺氧、貧瘠的極端環境有著特殊的意義[7]。

在青海玉樹與西藏那曲地區，5月中下旬冬蟲夏草子座露出土表，6～7月進入生長旺盛期，7月冬蟲夏草子座上部膨大，8月開始噴射子囊孢子，8月中下旬是冬蟲夏草的衰退期，大部分子座干枯、倒伏，最后腐爛[8，9]。冬蟲夏草子座的生長發育受溫度、光照、濕度和降水等氣候條件的影響較大。日平均氣溫3 ℃以上、空氣相對濕度70%以上、光照充足時，子座生長迅速；若空氣相對濕度低于50%，子座易干枯萎縮，子囊孢子不能形成，無法完成有性階段的生長發育。

重慶中藥研究院和青海畜牧獸醫學院的研究人員進行了野外和室內環境下的冬蟲夏草子囊孢子發育觀察，發現子囊孢子的噴射過程會受到光照條件的顯著影響。不同產地冬蟲夏草子囊孢子的噴射期有所差異，在四川康定地區為每年6月中旬至7月中旬，西藏那曲地區為7月上旬至8月中旬，青海玉樹地區為6月下旬至7月中旬。單株冬蟲夏草子囊孢子的噴射期為15 d左右，噴射數量最大時約40萬個/d。子囊孢子的噴射還需要足夠的光照時間和適宜的溫濕度條件[10，11]。

2 冬蟲夏草的生長習性與生態響應

青藏高原號稱與南北極并列的“地球第三極”，環境極端惡劣，特別是冬蟲夏草產區，垂直分布于海拔3 500～5 000 m，但最適分布區在不同地區也有一定差異，如青海玉樹自治州的冬蟲夏草多分布于海拔4 300～4 800 m[12]，西藏那曲地區是海拔4 100～5 000 m[9]，林芝地區是海拔3 900～4 700 m，四川甘孜州的冬蟲夏草一般主產于海拔3 700～4 700 m的地區[13]，而云南的冬蟲夏草則主要分布在4 000～4 600 m的范圍內[14]。隨著全球氣候變暖，雪線上升，冬蟲夏草的適生地海拔下限也逐漸升高，這就造成了冬蟲夏草生境的萎縮和產量的持續下降[15，16]。endprint

在青藏高原高寒生境的冬蟲夏草發生地，其生長和分布與區域的植被類型密切相關，因此其棲息地分為北部高原的高寒草甸區、中部的草甸灌叢區和南部的喬木灌叢草甸區。其中，高山草甸、亞高山草甸和高山灌叢草甸類型植被是冬蟲夏草適宜生長區；高山草原和亞高山樹林區域有少量冬蟲夏草分布，是次適宜生長區；高山荒漠草原、溫性草原和低谷濕地等其他植被地帶不適于冬蟲夏草的生長，是非冬蟲夏草分布區（圖1）[17]。高寒、缺氧和低氣壓是這些地區的主要氣候特征，年平均氣溫在5 ℃以下，最低可達-30 ℃以下，氧氣含量為內陸地區的40%～50%，大氣壓則僅為平原地區的60%～70%[18]。而且早晚溫濕度差異極大，具有明顯的雨季和旱季。作為一種長期自然選擇和適應性進化的結果，冬蟲夏草與高原生態系統中的生物和非生物環境因子相互作用、相互依存并維持著動態的平衡關系，廣泛地棲息在青藏高原不同的產區。

高海拔是冬蟲夏草發生地分布區域的最顯著特點。雖然不同產區的冬蟲夏草為同一菌種，但由于不同地區甚至同一地區不同生境的生態條件差異較大，導致冬蟲夏草寄主鉤蝠蛾屬昆蟲存在不同的種類，而且不同產區的冬蟲夏草海拔分布也有較明顯的差異，即核心分布區的西藏那曲和青海玉樹的冬蟲夏草產量和質量均高于邊緣分布區的四川、云南和甘肅。而且近年來隨著全球氣候變暖，青藏高原冰川消融和雪線上升，這些分布區的海拔下限也逐漸升高，區域面積也日益減少。當然，冬蟲夏草的海拔分布及其變更，與其他環境因子包括大氣溫度、土壤濕度、大氣濕度和土壤濕度等多種環境條件都密切相關，也深受人類生產生活活動的干擾和影響（表1）[19]。

低溫是高海拔所導致的一個重要結果。在冬蟲夏草產區，1月平均氣溫最低，極端最低氣溫大部分低于-20 ℃，在海拔4 507 m的那曲甚至有-41.2 ℃的超低溫記錄，7月的平均溫度最高。盡管不同產區在同一月份的平均溫度有所差異，但周年月平均溫度的變化趨勢基本一致[19]。根據冬蟲夏草重要主產區——玉樹自治州的氣象信息，在冬蟲夏草開始生長的5月，平均溫度4.8 ℃，最低-6 ℃；在冬蟲夏草生長盛期的5月中旬至6月下旬，約60%的子座露出地表，此時月平均氣溫10.7 ℃，最低-1.0 ℃；而在旺盛期的7月中上旬，78%的子座發育形成，氣溫為12.2 ℃，最低至1.1 ℃。因此，大氣平均溫度2.6 ℃時冬蟲夏草開始生長，最適溫度是7～12 ℃[20]。

冬蟲夏草的主要成分是水，其含水量高達80%，因此生長過程中對環境水分的依賴性很強。冬蟲夏草生長發育的最適大氣相對濕度為80%～95%，此時子座生長快速而肥大；反之，低于70%的環境則不利于冬蟲夏草的生長，子座生長極慢甚至干枯，無法完成正常的有性階段[9，20-22]。據報道，在西藏那曲東部地區的聶榮縣和那曲縣年降雨量200 mm左右，索縣、比如、巴青和嘉黎等縣西部250～500 mm，同西部非冬蟲夏草產區的各縣相比，產區降水量明顯較高。另外，產區降水量隨季節也有差異，多集中于下半年，特別是冬蟲夏草快速生長發育的6～9月，若早春降雪量少，則當年的冬蟲夏草產量低，若冬蟲夏草發育期的降水少，則子實體易被曬蔫，無法完成正常發育[9]。

光照是影響冬蟲夏草生長發育的另一個重要因素，高原中東部冬蟲夏草產區的年日照時數和年日照量分別為2 500 h和60%左右[18]。李黎等[23]詳細描述了光照對冬蟲夏草發育的影響：一是光照不足會抑制子座和子囊的正常發育。避光條件下，冬蟲夏草子座露土后以日均0.4 mm的速度生長，36 d后降到0.06 mm，一般經70 d后便停止生長，也不產生子囊和子囊孢子；二是光照時間和強度會影響冬蟲夏草子座外部形態和生長發育。光照強，時間長，子座生長緩慢但形體粗壯，反之則子座陡長而細長；三是強紫外線輻射能抑制子座陡長，提高子囊孢子的萌發率。在海拔4 000 m高山的較強紫外線照射下，冬蟲夏草子座平均高度為40.1 mm，而濾去部分紫外線后子座的高度增加至42.5 mm；四是經紫外線照射后子囊孢子的的萌發率顯著提高。

3 寄主鉤蝠蛾屬昆蟲的系統分類與地理分布

近期，中山大學張古忍等以蝠蛾屬昆蟲的雄性生殖器抱器瓣結構為依據，對國內蝠蛾屬原分類系統進行了修訂和重新劃分，現行蝠蛾屬60個種分別歸入擬蝠蛾屬（Parahepialus）、無鉤蝠蛾屬（Ahamus）、蝠蛾屬（Hepialus）及鉤蝠蛾屬（Thitarodes）等4個屬中，其中擬蝠蛾屬1種、無鉤蝠蛾屬18種、蝠蛾屬1種和鉤蝠蛾屬40種[24，25]。

中國已發現的鉤蝠蛾屬達40種，主要分布于青藏高原的高寒灌叢草甸和高寒草甸區域。青藏高原復雜的地形地貌和獨特的生態條件為鉤蝠蛾昆蟲提供了豐富的棲息環境，也在客觀上為鉤蝠蛾種質形成和種群分化創造了重要條件；同時，鉤蝠蛾飛翔遷移能力較弱，限制了種群之間的基因交流和融合。因此，鉤蝠蛾種群在長期的進化進程中因生境地的片段化和特殊性而逐步分化，促進了多樣化的新種形成。據此推測，分布在青藏高原的鉤蝠蛾種類應該遠多于已知的40種，只是因為高原上環境極端惡劣、人跡罕至，尚未被發現和鑒定。

4 鉤蝠蛾屬昆蟲的發育生物學習性

鉤蝠蛾屬昆蟲的世代發育包括卵、幼蟲、蛹和成蟲4個階段，完成一個世代通常需要3～4年或5年以上，依不同區域而有差異，并具有明顯的世代交替現象。在氣候溫和的中低海拔地區和高原南部地區，需要3～4年時間；而在氣候寒冷的高海拔地區和高原北部，鉤蝠蛾發育周期較長，達5以上。成蟲6～7齡產卵，一般每只雌蛾產卵500粒左右，孵化率約為80%，與當地當時的氣候環境有關。幼蟲6～8齡，需2～4年才能化蛹，具體時間因種而異，如貢嘎鉤蝠蛾875～1 040 d、康定鉤蝠蛾約1 000 d、玉樹鉤蝠蛾約996 d、蒲氏鉤蝠蛾約970 d，且終年均可在冬蟲夏草產區內挖到不同齡期的幼蟲。每年5月下旬部分幼蟲形成蛹，6～8月羽化為成蟲，成蟲多在17：00～20：00羽化，交配在天黑時分進行，經歷2～3 h，交配后的雌蛾立即邊撲動邊將卵散產于附近幾平方米的草叢中[26]。endprint

幼蟲期是鉤蝠蛾屬昆蟲歷時最長的一個發育階段，共有6～8個齡期，根據鉤蝠蛾屬昆蟲種類的不同，歷期3～5年不等。幼蟲土棲，聚集分布，分散活動，營地下隧道式穴居生活，雜食性，以植物嫩根為主要食物[2]。初孵幼蟲體長一般不超過2 mm，具有吐絲習性，在5～25 cm深的土層中活動，以15 cm時密度最大。幼蟲適宜的土壤溫度為5～10 ℃，濕度為40%～50%，并會隨環境溫濕度的改變而上下遷移，但橫向活動的范圍有限[26]。

5 鉤蝠蛾屬昆蟲的食性及食料植物

幼蟲是鉤蝠蛾屬昆蟲世代中惟一取食的發育階段，而關于其食性的研究很早就引起人們的重視。首先是陳泰魯等[27]在康定鴨腳根的山坡上挖到一塊有幼蟲啃食痕跡的珠芽蓼地下莖，并通過室內飼養，第一次證實蟲草鉤蝠蛾采食珠芽蓼，并揭示了蟲草鉤蝠蛾幼蟲系植食性。

鉤蝠蛾幼蟲一般偏好當年生的植物嫩根，較少取食多年生老根，并且取食的植物種類隨海拔和植被差異而不同[28]。而鉤蝠蛾幼蟲取食的植物種類也與其蟲齡存在一定關系，例如鉤蝠蛾初孵幼蟲主要取食根莖入土較淺的植物種類，隨齡期增大，幼蟲的活動范圍逐漸加深，隨之取食入土較深的植物[29]。

其中，關于蒲氏鉤蝠蛾的食性研究較為系統全面，中山大學的研究人員經過近3年的原位跟蹤研究，獲得了以下結論：①蒲氏鉤蝠蛾為植食性昆蟲，且取食植物種類多樣，以嫩根為主；②可取食青藏高原蒲氏鉤蝠蛾適生地高寒灌叢區幾乎所有草本植物和灌木的地下嫩根，隸屬于15科23屬；③蒲氏鉤蝠蛾幼蟲對食料植物具有偏好性，喜食植物主要有高原毛茛、大萼藍鐘花、甘川燈心草、拉薩長果婆婆納等；④棲息環境影響蒲氏鉤蝠蛾幼蟲對食物的選擇，蒲氏鉤蝠蛾幼蟲的齡期對取食偏好影響較小；⑤在蒲氏鉤蝠蛾腸道內含物中檢測到中國被毛孢，表明蒲氏鉤蝠蛾的食性與冬蟲夏草的發生機理之間或許存在某種關聯性[26]。

青藏高原中、東部地區高寒牧區是冬蟲夏草的核心分布區，該區域自然條件極端惡劣，自然災害頻繁，農牧民生產生活條件十分艱苦，收入水平低，是集中連片的貧困地區，采挖冬蟲夏草是該地區農牧民收入的主要來源之一，近十年來，全球氣候變暖、掠奪式采挖及其他各種因子的綜合影響，已嚴重破壞高寒牧區冬蟲夏草適生地的植被和鉤蝠蛾屬昆蟲的生存環境，導致高寒草甸荒漠化加劇、冬蟲夏草及其寄主昆蟲的適生地范圍萎縮、冬蟲夏草資源蘊藏量急劇下降[30，31]，因此認識和保護高原生態環境對促進冬蟲夏草資源的可持續利用具有十分重要的作用。然而，由于青藏高原自然環境惡劣，人跡罕至，極大地阻礙了科學考察和生態調查工作的開展，導致冬蟲夏草的生理生態學研究相對滯后和缺乏連續性，這也應該成為今后冬蟲夏草研究的重點。

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