西花蓟马与本地近缘种对CO2浓度升高的响应及生理机制

Now the atmospheric carbon dioxide (CO2) concentration are keep on increasing and mightily impact agriculture and forestry eco-system, and with the elevated atmosphere CO2 concentration as main factor caused global climate change is the most environmental problems we faced in this century, the relationship between biological invasion and global climate change is becoming a hot spot in the study of invasion biology at the present time. This project was on the basis of the results of prior NSFC project "Study on population genetic of Frankliniella occidentalis and the displace mechanism for native thrips"(Grant No. 30860069), considering the recent years continuance drought in Yunnan province, choose the principal invasive insect pest in China, western flower thrip, Frankliniella occidentalis, as main research target pest, study responses and physiological mechanism of this insect pest and its related species such as Frankliniella intonsa to the representational key factor of global climate change, elevated CO2 concentration, at molecular, biochemical, physiological, individual and population levels comparing and analyzing the population genetic structure differentiation, growth, development, reproduction, enzyme activity, population dynamics, continuum generational potential population increase, host damage and transgenerational effect under doubled CO2 concentration, to explore the invasion trend of F. occidentalis under the background of global climate change, annotate the population expansion and host damage mechanism of invasive insect pest in the CO2 concentration doubled future, and the study results will offer theoretical basis and practical guidance for monitoring and integrated management of the invasive species, F. occidentalis.

当前大气CO2浓度正不可逆转地持续升高并强烈影响农林生态系统，以CO2浓度升高为主因所引起的全球气候变化是本世纪人类面临的最重大环境问题，全球变化与生物入侵的关系正成为入侵生物学研究的热点之一。本项目选择有重大危害性的入侵害虫西花蓟马为主要对象，在前期项目研究成果的基础上，结合云南近年来的持续干旱，研究西花蓟马及其本地近缘种对有代表性的全球气候变化因子CO2浓度升高的响应及生理机制，从害虫种群扩张、个体取食、生理生化和分子生物学等多个角度系统比较和分析CO2浓度倍增条件下西花蓟马与本地近缘种的种间抑制与竞争取代、种群结构与动态、连续多个世代潜在种群增长指数、寄主为害性及其跨世代效应、个体生长发育、繁殖、体内酶活性和种群遗传结构变化，探讨生物入侵性随环境变化的演化趋势，诠释未来高CO2浓度下入侵害虫种群扩张与寄主危害效应机制，其结果可为西花蓟马的长期预测与综合治理提供科学依据和实践指导。

本项目选择对云南省花卉和蔬菜产业具有重大危害的入侵害虫西花蓟马为主要对象，在前期田间调查的基础上，将害虫个体和种群对寄主植物的取食危害结合起来，研究了西花蓟马与本地近缘种花蓟马对有代表性的全球环境变化因子CO2浓度升高的响应及生理机制，比较分析了CO2浓度倍增条件下西花蓟马与花蓟马连续多代潜在种群增长指数、种群遗传变化及其跨世代效应，明确了CO2浓度倍增对西花蓟马主要寄主植物内源化学物质、入侵种和本地近缘种生长发育、繁殖和体内酶活性的影响。研究结果表明：云南省蔬菜和花卉作物上的蓟马种类以西花蓟马和花蓟马为主，其空间分布型以聚集分布为主。CO2浓度升高对西花蓟马主要寄主植物种子发芽率、发芽势、发芽指数均有抑制作用，并导致寄主植物粗蛋白含量下降，而总糖、组织淀粉、可溶性蛋白和游离氨基酸含量上升，进而影响西花蓟马的生长发育与繁殖。在相同CO2浓度下，西花蓟马和花蓟马非成虫虫态各发育阶段存活率由高至低的顺序相同，均为蛹期>预蛹期>2龄若虫期>1龄若虫期，但西花蓟马的非成虫虫态历期短于花蓟马；在CO2浓度倍增条件下，西花蓟马的累积存活率、雌成虫寿命、平均单雌产卵量和日均单雌产卵量均高于花蓟马。高CO2浓度（800μL/L ）处理下西花蓟马的净生殖率（R0）、内禀增长率（rm）、周限增长率（λ）均显著增加，而平均世代周期（T）、种群加倍时间（DT）明显减少；而花蓟马则相反，其种群R0、rm和λ均显著降低，T和DT均明显增加，说明西花蓟马对未来高CO2浓度大气环境的适应性强于花蓟马，CO2浓度升高有利于西花蓟马对本地蓟马的竞争取代与种群扩张。CO2浓度升高是导致西花蓟马和花蓟马成虫体内解毒酶[羧酸酯酶（CarE）、乙酰胆碱酯酶（AChE）和微粒体多功能氧化酶（MFO）]、保护酶[超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）]和消化酶（脂肪酶和胰蛋白酶）活性变化的重要原因，两种蓟马连续多代取食高CO2浓度处理下的寄主植物后种群遗传结构尚未出现变化，但体内解毒酶（CarE、MFO、AChE）、保护酶（CAT、POD）和消化酶活性均随呈现上升，且西花蓟马的上述体内酶活性增加幅度明显大于花蓟马，表明前者具有更大的生理耐受性和更加广泛的生态适应性；在高CO2浓度处理下，西花蓟马的保护酶SOD活性下降幅度大于花蓟马，说明其抗氧化能力强于后者，对逆境的适应能力更强。