競爭效應對紅色型豌豆蚜繁殖的影響

李 楊，楊燕芬

(遵義師范學院生物與農業科技學院，貴州 遵義 563006)

在生物進化過程中，產生了圍繞食物、資源以及空間的種間競爭和種內競爭，特別在有相似生態需求的物種之間，競爭可能異常激烈[1]。競爭往往對一方有利，而另一方受抑制甚至被消滅。對一些節肢動物、植物和微生物來說，競爭是其遺傳多樣性和生物多樣性的主要決定因素之一[2-3]。植食性昆蟲的種間競爭普遍存在自然界中，在依靠吸食維管束汁液存活的昆蟲當中尤為明顯[4-5]。由于許多植食性昆蟲無法脫離群體單獨存活，同種個體間會相互影響產生種內競爭，其導致的密度效應會影響種群的增殖率及個體大小[6-7]。

克隆繁殖是一些植物、寄生蜂和蚜蟲的主要繁殖方式。在克隆生物中，克隆之間的競爭影響著進化結果[8-9]。研究表明非親緣克隆之間的競爭非常激烈，從而導致局部種群內克隆多樣性極大降低[10]。克隆生物往往具有區分親緣克隆和非親緣克隆的能力[11]，這種現象在植物和蚜蟲上被發現，當克隆植物感覺到附近有基因型不同的個體存在時，它們會在根部投入更多的資源，以提高競爭力[12-14]，部分植物能根據與鄰近植物的遺傳距離來控制競爭強度[15]。Li等[16]發現豌豆蚜(Acyrthosiphonpisum)具備“自我”和“非我”克隆的識別能力。春季到秋季，蚜蟲附著于宿主植物上通過孤雌生殖方式進行繁衍，與其他同種或異種克隆競爭食物和空間[16-17]。各類蚜蟲在面對競爭時所采取的競爭策略的也不盡相同，有學者在調查2002—2014年間雪蟲(Prociphilusoriens)性比時發現，雪蟲性母所產后代雌雄比已經從1985年調查時的1∶1左右，變為極端偏雌，這有利于其血緣后代在早春競爭中占據優勢[18]。另外，Hazell等[19]發現競爭力弱的豌豆蚜能產生更多的有翅蚜，從而逃離競爭。

豌豆蚜隸屬于半翅目(Hemiptera)蚜科(Aphididae)[20]，主要取食豆科植物，是一種重要的農業害蟲，它不僅能直接對寄主造成機械損傷，還能傳播病毒病[11,21]。豌豆蚜防治的研究一直是世界上許多國家的一個基礎理論和實際應用并重的重大課題。目前文獻記載的豌豆蚜有紅色型、綠色型以及黃色型[16,22]，且不同色型豌豆蚜間生物學特性具有顯著差異[16,23]，但是，當前相關研究大多以綠色型作為研究材料[11,19,24]。調查發現，在我國西北部分地區，紅、綠色型豌豆蚜和豌豆修尾蚜(Megouracrassicauda)有時會共存于豆科植物上，但它們之間的競爭效應尚不明確。對于大多數蚜蟲而言，競爭力是決定其能否爆發成災的重要指標，競爭力強的克隆可以占據更多有利的資源，從而增加自身血緣后代數量[19]。Li等[16]對綠色型和黃色型豌豆蚜的競爭過程中種群動態變化進行了詳細研究，但是，關于紅色型豌豆蚜競爭過程及策略的相關研究還未見報道。本研究選用瓊脂法，使用紅色型豌豆蚜克隆作為研究對象，對其與豌豆修尾蚜的種間競爭和與綠色型豌豆蚜克隆的種內競爭過程進行詳盡的觀察研究，探索紅色型豌豆蚜的競爭力和競爭策略，擬為豌豆蚜進化機制研究和新型防治策略的制定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源

本研究使用2個不同色型(紅色型和綠色型)的豌豆蚜(A.pisum)克隆和1個豌豆修尾蚜(M.crassicauda)克隆進行試驗，其中，紅色型豌豆蚜克隆(以下簡稱紅色克隆)和綠色型豌豆蚜克隆(以下簡稱綠色克隆)采集于新疆自治區呼圖壁縣的紫花苜蓿(MedicagoSativa)植株上，豌豆修尾蚜克隆(以下簡稱豌豆修尾蚜)采集于甘肅省清水縣蠶豆(Viciafaba)植株上。將采集的蚜蟲帶回實驗室，移入光照培養箱(溫度：20℃，光周期：L∶D=16∶8,光照強度：7 000～8 000Lux，濕度：50～60%)中，使用5 cm左右的蠶豆幼苗進行單克隆繼代飼養，蠶豆品種‘七星長龍’。

1.2 試驗設計

1.2.1試驗裝置 本研究試驗使用瓊脂法[25]進行，所用培養基為直徑12 cm，高4 cm的塑料容器，葉片采集至株高15 cm左右的蠶豆植株‘七星長龍’。

1.2.2種間競爭和種內競爭下紅色型豌豆蚜的繁殖力觀察 試驗設置以下4種試驗區。

1頭區：將1頭4齡紅色克隆若蟲移入載有1片蠶豆葉的培養基中，標記為1R。再用相同的方法制作綠色克隆和豌豆修尾蚜的1頭區，分別標記為1G和1MC。

2頭區：分別將2頭4齡紅色克隆若蟲移入載有2片蠶豆葉的培養基中，標記為2R。再用相同的方法制作綠色克隆和豌豆修尾蚜的2頭區，綠色克隆2頭區標記為2G，豌豆修尾蚜2頭區標記為2MC。

種內競爭區：將1頭紅色克隆和1頭綠色克隆4齡若蟲同時移入載有2片蠶豆葉的培養基中作為種內競爭區，標記為1R+1G。

種間競爭區：將1頭紅色克隆和1頭豌豆修尾蚜4齡若蟲同時移入載有2片蠶豆葉的培養基中作為種間競爭區，標記為1R+1MC。

所有試驗區放置于光照培養箱(溫度：20℃，光周期：L∶D=16∶8,光照強度：7000～8000Lux，濕度：50～60%)中進行飼養，每天上午檢查1次各培養基產蚜情況，初始蚜蟲產蚜開始后連續觀察15 d，每天使用計數器記錄培養基中各克隆的活體數，計數完畢后更換干凈的容器蓋，每隔3天往培養基中添加一片新鮮蠶豆葉。如果初始蚜蟲在產蚜后10天內死亡，則移除該培養基，并制作1個相同的新培養基重新觀察。1頭區和2頭區分別重復9次，種內競爭區和種間競爭區分別重復10次。第15天，種內競爭區和種間競爭區中超過總個體數60%的克隆判定為“競爭勝利者”。

1.2.3高密度“自我”和“非我”種群下紅色型豌豆蚜產蚜數觀察 從供試蟲源中選擇紅色克隆成蟲、綠色克隆成蟲及豌豆修尾蚜成蟲各5頭，分別放入載有2片蠶豆葉的培養基中，任其自由增殖5 d，當各培養基中的蚜蟲數達到140～160頭后，移除所有成蟲，分別得到紅色克隆高密度區、綠色克隆高密度區及豌豆修尾蚜高密度區，再分別往各高密度區中放入1頭4齡紅色克隆若蟲，待其發育至成蟲，從產蚜開始之日起連續觀察3 d，統計各試驗區中新加入紅色克隆的3 d產蚜數，并以紅色克隆1頭區(1R)第3天的總個體數為對照進行比較分析，每個試驗區重復10次。

1.3 數據處理

本研究所有數據均采用JMP V15進行分析，增殖率的比較使用重復測量進行，個體數的比較使用Tukey-Kramer test法進行，繪圖軟件是Graphpad prism V9.4，表格使用Word V2019制作。

2 結果與分析

2.1 不同競爭壓力下紅色型豌豆蚜的繁殖力

2.1.11頭區的增殖 分別將1頭區各克隆每日總個體數求平均值，得到各克隆的日均個體數變化動態曲線(圖1)，3個克隆都從第10～11天開始產出第3代，所以10 d后的曲線更陡峭，通過重復測量可知1R的增殖率顯著高于1G(F14,3=11.787,P=0.033)，但是1R的增殖率與1MC之間沒有顯著性差異(F14,3=4.368,P=0.125)。

圖1 1頭區的增殖

2.1.22頭區的增殖 紅色克隆2頭區(2R)、綠色克隆2頭區(2G)以及種內競爭區(1R+1G)日均個體數的變化動態如圖2A所示，1R+1G試驗區的增殖率顯著高于2R和2G(1R+1G VS 2R:F14,4=7.389,P=0.033;1R+1G VS 2G:F14,4=14.429,P=0.009)，且2R的增殖率顯著高于2G(F14,3=12.099,P=0.032)。圖2B展示了紅色克隆2頭區(2R)、豌豆修尾蚜2頭區(2MC)和種間競爭區(1R+1MC)日均個體數的變化動態，使用重復測量后發現，1R+1MC的增殖率顯著高于2R和2MC(1R+1MC VS 2R:F14,4=104.787,P=0.002;1R+1MC VS 2MC:F14,4=14.230,P=0.010)，但是2MC和2R之間的增殖率沒有顯著性差異(F14,3=5.241,P=0.099)。

圖2 2頭區和競爭區的增殖，A:2頭區和種內競爭區，B:2頭區和種間競爭區

2.1.3種內競爭區和種間競爭區的增殖 在與綠色克隆的種內競爭中，紅色克隆全勝，各克隆日均個體數變化動態如圖3A所示，第15天，紅色克隆平均個體數為221頭，綠色克隆平均個體數為139頭。而在與豌豆修尾蚜的種間競爭中，紅色克隆4次失敗，6次獲勝。紅色克隆失敗組和勝利組各克隆的日均個體數變化動態分別如圖3B和3C所示。第15天，紅色克隆失敗組中紅色克隆平均個體數為131頭，豌豆修尾蚜平均個體數為253頭。紅色克隆勝利組中紅色克隆平均個體數為238頭，豌豆修尾蚜平均個體數為138頭。

圖3 競爭區各克隆的增殖，A:種內競爭區，B：種間競爭區紅色克隆失敗組，C：種間競爭區紅色克隆勝利組

將紅色克隆2頭區(2R)各重復的每日總個體數除2，得到紅色克隆2頭區單頭組(1R in 2R)的每日總個體數。紅色克隆的1頭區(1R)、種間競爭區紅色克隆勝利組(1R in 1R+1MC(R won))、種間競爭區紅色克隆失敗組(1R in 1R+1MC(R lost))、種內競爭區紅色克隆勝利組(1R in 1R+1G(R won))以及紅色克隆2頭區單頭組(1R in 2R)紅色克隆的日均個體數變化動態如圖4A所示。通過重復測量發現各區組間單頭紅色克隆的增殖率具有顯著性差異(F56,48=9.551,P<0.001)，由圖4A可知，在第10天，種間競爭區紅色克隆勝利組(1R in 1R+1MC(R won))的曲線較其他組更為陡峭，用Tukey-Kramer test法對第10天各區組的新生蚜數進行分析后的結果如圖4B所示，種間競爭區紅色克隆勝利組(1R in 1R+1MC(R won))紅色克隆新生蚜數為(21.167±6.178)頭，顯著高紅色克隆1頭區(4.444±2.698)頭、種間競爭區紅色克隆失敗組(8.000±3.559)頭、種內競爭區紅色克隆勝利組(4.300±2.869)頭和紅色克隆2頭區單頭組(4.000±1.479)頭，但后4者間無顯著性差異。

圖4 各試驗區單頭紅色型豌豆蚜的增殖動態和第10天的新生蚜數，A：增殖動態，B：第10天的新生蚜數

2.2 高密度“自我”和“非我”種群下紅色型豌豆蚜的產蚜數

將1頭紅色克隆分別放入不同高密度種群后的3 d平均產蚜數如表1所示，在豌豆修尾蚜和綠色克隆的高密度區，紅色克隆3 d平均產蚜數均顯著低于1頭區(1R)，但將紅色克隆移入同克隆高密度區后，其3 d平均產蚜數與1頭區(1R)無顯著性差異。

表1 不同高密度種群對紅色型豌豆蚜繁殖的影響

3 討論

本研究使用瓊脂法對紅色型豌豆蚜在不同競爭狀態下的增殖過程進行了詳盡的觀察，模擬并再現了紅色克隆的競爭過程和結果，該方法目前已被運用于豌豆蚜和其他昆蟲的研究[16,25-27]。

在1頭區，紅色克隆和豌豆修尾蚜間的增殖率雖無顯著差異，但均高于綠色克隆，說明1頭紅色克隆建立種群的速度與1頭豌豆修尾蚜相當，但是快于1頭綠色克隆。在本研究中，3個克隆的2頭區最終種群大小均未達到各自1頭區的2倍，當資源充足時，競爭導致的密度效果不會顯現，而當資源有限時，密度效應便會對種群發展過程產生影響[28]。換言之，蚜蟲種群發展受到資源的限制。有研究認為，蚜蟲混合克隆種群的增殖率大于相同克隆組成的種群[16,29]，在種內競爭區和種間競爭區中，混合種群的增殖率均顯著高于競爭克隆對應的2頭區，故本研究結果支持該結論。因此，無論是種內競爭還是種間競爭，所產生的競爭效應均能增大蚜蟲混合種群的規模。

各試驗區之間單頭紅色克隆的增殖率具有差異，所以豌豆蚜在生長過程中，遭遇不同類型的競爭種后，可能會面臨不同的結局。種群形成過程中存在優先效應[30]。有研究表明，具有較高繁殖力或首先侵襲宿主的克隆占據了有利的空間和資源，對競爭者具有絕對優勢，競爭失敗者將被迫轉移[16,29-32]。在種內競爭區中，由于紅色克隆的增殖率顯著高于綠色克隆，在競爭初期便占據了大量資源，并由此取得所有種內競爭的勝利。這一結果支持優先效應理論。在種間競爭區，紅色克隆和豌豆修尾蚜各有勝負，紅色克隆種間競爭區勝利組中的紅色克隆在第10天，總個體數突然大幅增加，比較當天各試驗區紅色克隆新生蚜數后發現，種間競爭區紅色克隆勝利組顯著高于紅色克隆1頭區，而這一現象在種間競爭區紅色克隆失敗組、種內競爭區紅色克隆勝利組以及紅色克隆2頭區單頭組中均未出現。雖然紅色克隆和豌豆修尾蚜的增殖率無顯著差異，但二者競爭結果總是一方壓倒另一方，在前8天，2克隆間個體數差異并不明顯，但在第9天，當紅色克隆第2代的數量略微超過競爭種時，為了占據更多資源，會加速產蚜，獲得繁殖“優先權”后，進一步擴大優勢，最終取得種間競爭的勝利，成為勝利組。相反，紅色克隆第9天的第2代數量小于競爭種時，會失去繁殖“優先權”，導致競爭失敗，淪為失敗組。因此，種間競爭的結果可能因初始克隆微小的差異而不同，這種差異可能來自競爭過程中克隆內增殖率的變化。由此推測，本研究中的紅色克隆在遇到增殖率與自身無明顯差異的異種時可能會通過加速繁殖的方式應對種間競爭。類似現象也在植物中被發現，將車前草(Plantagoasiatica)和白車軸草(Trifoliumrepens)一起播種后，二者相鄰種植時車前草發芽同步率比車前草連片種植時高，這預示車前草種子之間可能存在某種交流，并且導致其發芽的同步性[15]。Fukano等[14]發現基因型相同的洋薊(Cynarascolymus)聚集種植模式下的根系生長量低于不同基因型交替種植模式。因此，紅色克隆在面對不同類型競爭時所采取的策略有所不同，導致的結果也有所差異。此外，豌豆蚜的競爭結果也可能受到環境因素的影響。Grainger等[33]指出，夾竹桃蚜(Aphisnerii)和蘿藦蚜(Aphisasclepiadis)的競爭結果有很強的溫度依賴性。杜軍利等[23]研究發現，在20℃時，紅色型豌豆蚜的生殖力大于綠色型，但在24℃和28℃時，紅色型豌豆蚜的生殖力低于綠色型。另外，豌豆修尾蚜的生殖力也會隨著溫度變化而發生改變[34-35]。因此，紅色型豌豆蚜的種間競爭和種內競爭的結果可能會隨著溫度變化而發生改變。馬亞玲等[36]發現紅色型豌豆蚜在低光照強度下的適合度優于綠色型，而且不同光照強度間豌豆蚜的生物學參數具有顯著性差異。因此，環境光照強度變化也可能會導致紅色型豌豆蚜競爭結果的改變。今后的工作中，將對不同溫度和光照強度下豌豆蚜種群動態變化進行詳盡研究。

將1頭紅色克隆分別放入綠色克隆或豌豆修尾蚜的高密度區后發現，其3 d產蚜數均顯著降低，而在紅色克隆的高密度區，新移入的紅色克隆的3 d產蚜數并未受到抑制。該實驗中，綠色克隆和豌豆修尾蚜首先占據有利資源，讓后來引入的紅色克隆繁殖受到抑制，這也符合優先效應理論。據此推測，紅色克隆可能通過某種識別機制來區分和感知“自我”和“非我”個體，并根據“非我”個體的數量和分布來控制自身繁殖。換言之，競爭種的分布和數量會影響豌豆蚜的繁殖。蚜蟲的體表覆蓋著碳氫化合物[37]，這些碳氫化合物被螞蟻和一些天敵當作搜尋蚜蟲的線索[37-38]，同樣也可能作為豌豆蚜克隆識別“自我”和“非我”個體的依據。本研究中，由于紅色型豌豆蚜克隆的體色與競爭種不同，其識別機制是依靠視覺還是嗅覺尚不明確，未來還需對不同克隆豌豆蚜碳氫化合物進行研究。

4 結論

紅色型豌豆蚜能通過評估競爭種和同伴的相對密度來控制繁殖，無論是種間競爭還是種內競爭均能影響其繁殖。且種間競爭還可能加速它的繁殖，因此，紅色型豌豆蚜與綠色型或者豌豆修尾蚜共存于植株時，會加重對植物的危害。