基本信息
- 项目名称：
- 桑天牛卵啮小蜂识别已寄生寄主的化学机制研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 桑天牛卵啮小蜂是桑天牛卵的重要寄生蜂，为了揭示其识别已寄生寄主的化学机制，通过选择实验，研究了桑天牛卵啮小蜂对己寄生刻槽的识别行为。结果表明，该寄生蜂优先寄生正常刻槽，避免过寄生。经过对不同溶剂提取物的生物测定，发现CH2Cl2为提取该寄生蜂标记素的最佳溶剂；气相色谱-质谱联用仪分析表明，CH2Cl2提取物中饱和烷烃的种类最多，脂肪酸的含量最高；明确了的棕榈酸是卵啮小蜂标记信息素的重要组分。
- 详细介绍：
- 很多寄生蜂雌蜂能利用前一雌蜂产卵时遗留的标记识别已寄生寄主和健康寄主，避免过寄生。这类标记既可以是在雌蜂搜索和产卵过程中留在寄主表面或周围结构中的伤口、划痕、突起等的物理标记[5]，也可以是与其搜索、产卵相关的信息化合物，称为标记信息素。通常由雌蜂施于寄主表面或通过产卵器将其注入寄主内部。 桑天牛卵啮小蜂Aprostocetus prolixus（下简称卵啮小蜂）是桑天牛Apriona germari (Hope)重要的卵期寄生蜂，对刻槽的寄生过程按时间顺序包括6个主要环节：1）未找到刻槽前，雌蜂进行定向搜寻；2）接触到刻槽后，利用触角在刻槽表面搜索；3）产卵器刺探刻槽表面；4）产卵器检测桑天牛卵；5）产卵；6）产卵完成后，拖曳产卵器在刻槽表面涂抹。寄生蜂能否识别已寄生的桑天牛刻槽？已寄生刻槽上的标记信息素来源于寄生过程的哪个环节？标记信息的化学成分是什么？也就是说，该寄生蜂识别已寄生刻槽的化学机制是什么？这些问题未见报道。本文将对以上问题进行研究，这将对于揭示卵啮小蜂寄主识别的化学机制，以及利用该寄生蜂治理桑天牛危害具有重要的理论意义和应用价值。 1 材料与方法 1.1 供试昆虫 桑天牛：捕捉于河北农大标本园内，笼养于室内，饲喂桑枝，每天早上更换新鲜桑枝。 桑天牛卵啮小蜂：被卵啮小蜂寄生的桑天牛刻槽采集于河北农大标本园内。羽化1－3 d 后并经过交尾的雌蜂作为试材。 已寄生桑天牛刻槽：在饲养过程中，桑天牛产卵刻槽于桑枝上，选取含完整刻槽的桑枝，与雌蜂放入同一个100 mL的三角瓶中3 h，使其完成产卵寄生的全过程，此刻槽为已寄生刻槽。将此刻槽桑枝和正常刻槽桑枝剪至2 cm后备用。 已寄生但未被涂抹的刻槽：将雌蜂与正常刻槽放于三角瓶内，在雌蜂产卵后、其产卵器未在刻槽表面涂抹之前，将雌蜂取出，此为已寄生但未被涂抹的刻槽。 1.2 卵啮小蜂对不同处理刻槽的选择和识别行为反应 1.2.1 对正常刻槽和已寄生刻槽的选择和识别行为反应 将已寄生刻槽与另一正常刻槽平行排列在底部铺有滤纸的培养皿(D = 8 cm)的中心，相距2 cm，然后将另一头雌蜂放入一个顶部有小孔(D = 2 mm)的塑料盖(D = 5 mm，H = 4 mm)中，塑料盖放于两个刻槽中间的位置，最后将培养皿盖好。在培养皿正上方放置一台数码摄像机，通过此装置对寄生蜂的行为进行记录。当寄生蜂从塑料盖顶部的小孔出来时实验开始，时间为2 h。 1.2.2 对正常刻槽和已寄生但未被涂抹刻槽的选择及识别行为反应 为了证明雌蜂产卵后其产卵器在刻槽表面的涂抹过程是否为该寄生蜂涂抹标记信息素的过程，本研究设计了以下实验。 将已寄生但未被涂抹刻槽和正常刻槽平行排列在培养皿的中心，然后将另一只雌蜂放入两者之间，其测定方法同1.2.1。 1.3 卵啮小蜂体内物质的提取与测定 选用70头已交配但未产卵的小蜂，放入含有某种溶剂（CH2Cl2，正己烷或甲醇）的研磨器中研磨，经过微滤膜过滤，浓缩至2.1 mL。取上述滤液120 uL滴在正常刻槽上，放置10 min，使溶剂挥发掉。然后将其放入培养皿中，用滴有同体积溶剂的刻槽做对照。刻槽的排列方式及记录方法同1.2.1，此试验重复20次。 1.4 卵啮小蜂体内化学成分的鉴定 采用1.3的方法将雌蜂体内的物质提取出来后，利用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）对提取液中的化学物质进行鉴定，进样量为2 μL。气相色谱条件为：色谱柱DB- 5/ MS（30 m ×0.25 mm ×0.25μm），无分流方式。载气流量，1 mL/min。升温程序：初始温度50 ℃（保持3 min），以10 ℃/min的速度程序升温至150 ℃，然后以8 ℃/min的速度升至290 ℃，在此温度下保持15 min。质谱条件为：EI源，电子能量70 eV， GC/MS接口温度250 ℃，离子源温度190 ℃，灯丝电流150 μA。检测器电压350 V。 定量：采用面积归一化方法。 1.5 卵啮小蜂对标准化合物的行为反应 将各种标准化合物（棕榈酸，油酸，二十四烷和二十五烷）用CH2Cl2分别配成2 ng/μL和20 ng/μL的溶液，将50μL的某浓度的标准化合物溶液均匀滴在刻槽上（相当于100 ng或1000 ng的化合物），用滴加50 μL CH2Cl2的刻槽作对照，其生测方法同1.2.1。 1.6 数据分析 雌蜂首次找到刻槽的时间，搜索时间和刺探时间采用Wilcoxon signed ranks test，接触到两种刻槽的频次和寄生率采用卡方检验。 2 结果与分析 2.1 对已寄生刻槽和正常刻槽的选择及识别行为反应 卵啮小蜂首先接触到正常刻槽的频次明显高于已被寄生的刻槽，接触到正常刻槽所花费的时间明显少于已被寄生的刻槽，该寄生蜂在正常刻槽上的搜索时间和刺探时间都显著多于已被寄生的刻槽，分别为在已被寄生刻槽上的6倍和5倍，对正常刻槽的寄生率也明显高于已被寄生刻槽，为已被寄生刻槽的6倍。 2.2 卵啮小蜂对正常刻槽和已寄生但未被涂抹刻槽的选择及识别行为反应 当卵啮小蜂同时面对正常刻槽和已寄生但未被涂抹的刻槽时，雌蜂首先接触到两种刻槽的次数没有明显差别，接触到每种刻槽所花费的时间也无显著差异，在两种刻槽上的搜索时间、刺探时间以及寄生率等方面均无明显区别。 2.8 寄生蜂对不同溶剂提取物的行为反应 寄生蜂首次接触到正常刻槽和含正己烷或甲醇提取物的刻槽的次数间无显著差异，而首次接触到含CH2Cl2提取物的刻槽的次数明显少于正常刻槽。 寄生蜂在正常刻槽和含正己烷和甲醇提取物刻槽上的搜索时间方面无显著差异，而在正常刻槽和含CH2Cl2提取物刻槽上的搜索时间方面存在显著差异（图2）。 2.9 寄生蜂CH2Cl2提取物的成分分析 经GC-MS分析发现，在寄生蜂的CH2Cl2提取物中含有30种含量较高的化合物，主要包括饱和烷烃、醛类、脂肪酸和脂类等4类化合物。饱和烷烃的含量为40.55%，且种类最多，有18种，碳数在10-28之间；醛类物质只有三种，含9-10个碳原子，且含量最低，为0.32%；含有7种脂肪酸，含量最高，为55.14%，链长在8-18个碳原子之间，16和18个碳原子的长链脂肪酸含量最高，其中油酸在所有化合物中的含量最高，为43.38%；脂类化合物为2种，含量为3.7%（表3）。 2.10 寄生蜂对不同浓度标准化合物的行为反应 卵啮小蜂首次接触到含100 ng棕榈酸刻槽和正常刻槽的次数间无显著差异，接触到含100 ng棕榈酸刻槽和正常刻槽的时间，以及在这两种刻槽上的搜索时间等方面无明显区别；首次接触到含1000 ng棕榈酸刻槽的次数明显少于正常刻槽，接触到含1000 ng棕榈酸刻槽的时间也明显晚于正常刻槽，在含棕榈酸刻槽上的搜索时间也明显少于正常刻槽。 卵啮小蜂首先接触到正常刻槽和含有油酸（100 ng 或1000 ng）刻槽的次数和找到这两种刻槽的时间无显著差异，在正刻槽和含油酸 卵啮小蜂首先接触到正常刻槽和含二十四烷或二十五烷（100 ng 或1000 ng）刻槽的次数和接触到这两种刻槽的时间，以及在两种刻槽上搜索的时间均无显著差异。 3讨论 大量研究表明，寄生蜂在寄主充足时优先寄生正常寄主，而避免在已寄生寄主上产卵[1,2,7]。本研究也得出了类似的结论，在正常刻槽与已寄生刻槽同时存在的条件下，卵啮小蜂优先选择正常刻槽，且在正常刻槽上的停留时间和寄生率都明显高于已寄生刻槽 (表1)，表明雌蜂在寄生后对刻槽进行了标记，该标记在卵啮小蜂未接触到刻槽之前就能被识别。通过识别该标记，使寄生蜂优先寄生正常刻槽，远离已寄生刻槽。 在卵啮小蜂的寄生过程中，除了定向搜寻不与刻槽接触外，其它5个主要环节（触角搜索、产卵器刺探、桑天牛卵的检测、产卵和产卵器在刻槽表面涂抹）都与刻槽接触，都有可能对刻槽进行标记。但本研究发现，卵啮小蜂不能区分正常刻槽和产卵但未被涂抹的刻槽，表明产卵但未被涂抹的刻槽上没有被雌蜂识别的标记，同时也说明雌蜂的触角搜索、产卵器刺探、桑天牛卵的检测、产卵等环节均未对桑天牛刻槽进行标记，只有经雌蜂产卵器涂抹后的刻槽才对寄生蜂产生驱避作用，而此环节不会改变刻槽表面物理结构的改变，所以该标记不可能是物理标记，应为标记信息素。雌蜂拖曳产卵器在寄主表面涂抹标记信息素，是多种寄生蜂对寄主进行化学标记的典型行为[8,9]。 因此，已寄生刻槽上的标记信息素只存在于刻槽表面，而且该标记信息素为低挥发性化合物，可在近距离内被雌蜂感知。很多寄生蜂（如稻绿蝽沟卵蜂Trissolcus basalis和胡蜂Diachasma alloeum）将标记信息素施于寄主或寄主周围结构的表面[4,10]。 对雌蜂提取物的生测实验表明，只有含CH2Cl2提取物的刻槽才对寄生蜂有驱避作用，说明CH2Cl2提取物中含有该寄生蜂的标记信息素，CH2Cl2为提取该标记信息素的最佳溶剂，而甲醇和正己烷则不能将其提取出来。 经GC-MS分析表明，卵啮小蜂体内存在饱和烷烃、醛类、脂肪酸和酯类物质。烃类化合物很可能存在于该寄生蜂的杜氏腺中，因多种寄生蜂的杜氏腺中含有大量的烃类化合物，如红跗头甲肿腿蜂Cephalonomia tarsalis、瓦氏头肿腿蜂Cephalonomia waterstoni、象虫金小蜂Anisopteromalus calandrae杜氏腺中的主要成分为烃类化合物[11]。由于标记信息素存在于CH2Cl2中，而不存在于正己烷或甲醇提取物质，饱和烷烃和极性较强的化合物如短链的醛类和酸类化合物不大可能是标记信息素的组分。长链脂肪酸及酯类化合物虽然含有极性较强的羰基，但由于其含有较长的碳链，极性大大降低，使其具有较弱的极性，易溶于CH2Cl2，所以卵啮小蜂中的长链脂肪酸和酯类物质可能是标记信息素的组分。 生测结果表明，只有1000 ng的棕榈酸对寄生蜂有较强的驱避作用，而其他化合物对卵啮小蜂没有驱避作用。说明棕榈酸为卵啮小蜂的标记信息素组分。但大部分寄生蜂的标记信息素为非极性的碳氢化合物，如红尾茧蜂标记信息素的主要成分为二十烷烷、Z-13-和Z-14-二十九碳二烯和Z, Z-7, 15-二十九碳二烯[12,13]。也有部分寄生蜂的标记信息素具有较强的极性，可以用极性溶剂将其提取出来。如长腹赘须金小蜂Halticoptera laevigata的标记信息素能被甲醇或水提取出来[14,15]。在该寄生蜂的CH2Cl2提取物中可能还有其他物质为标记信息素组分，这有待于进一步研究。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：通过研究寄生化学机制，在理论上将加深对该寄生蜂不同个体间关系的理解，在实践上为增强该寄生蜂对桑天牛综合治理提供理论指导。 基本思路：通过行为测定，明确桑天牛卵啮小蜂对桑天牛刻槽的识别是否依赖于桑天牛刻槽表面的标记信息素；通过分析寄生行为，确定产生标记信息素的器官；通过气相色谱-质谱联用仪，对提取液中的组分进行分析鉴定；利用人工合成的化学标准品，揭示该寄生蜂识别已寄生桑天牛刻槽的化学机制。
科学性、先进性及独特之处
- 1选材典型。桑天牛是我国重要蛀干害虫，啮小蜂是桑天牛重要的卵期寄生天敌。标记信息素是调控这种识别行为的重要信息物质。因此，该寄生蜂的标记信息素研究不仅具有重要的理论价值，而且具有重要的实践意义。 2研究内容新颖、深入。目前只有几种寄生蜂的标记信息素得到了分离、鉴定，国内资料寥寥无几。研究其标记信息素各活性组分的结构、含量及其比例。这些内容不仅新颖、深入，而且丰富了卵寄生蜂寄生机制理论的内容。
应用价值和现实意义
- 本研究揭示了桑天牛卵啮小蜂识别已寄生刻槽的化学机制，该成果将对于很好的解决桑天牛卵啮小蜂在饲养过程中，及在利用寄生蜂防治桑天牛危害过程中由于寄生蜂密度过大而产生的过寄生问题 ，这对于更好的发挥该寄生蜂在桑天牛治理过程中的作用具有重要的应用价值和广阔的推广前景。
学术论文摘要
- 桑天牛卵啮小蜂Aprostocetus prolixus是桑天牛卵的重要寄生蜂，为了揭示其识别已寄生寄主的化学机制，本文通过选择实验，研究了桑天牛卵啮小蜂对己寄生刻槽的识别行为。结果表明，在正常刻槽和已寄生刻槽同时存在时，该寄生蜂优先寄生正常刻槽，避免过寄生。雌蜂通过感知已寄生刻槽表面的标记信息素来识别不同质量的刻槽，该标记信息素具有低挥发性，而且只有在产卵完成后，雌蜂才通过产卵器将其涂抹于刻槽表面。经过对不同溶剂提取物的生物测定，发现CH2Cl2为提取该寄生蜂标记素的最佳溶剂；GC-MS（气相色谱-质谱联用仪）分析表明，CH2Cl2提取物中含有饱和烷烃、醛类、脂肪酸和酯类化合物，其中饱和烷烃的种类最多，脂肪酸的含量最高；通过对标准化合物的生物测定，明确了的棕榈酸（1000 ng）是卵啮小蜂标记信息素的重要组分。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]Vinson SB. The behavior of parasitoids. In: Kerkut WJ, Gilbert LI, eds. Comprehensive Insect Physiology, Biochemistry and Pharmacology. Pergamon Press, NewYork. 1985. [2]李国清.拟寄生蜂的寄主标记研究进展. 昆虫学报, 2006,49(3): 504- 512. [3]Stelinski LL, Oakleaf R, Rodriguez-Saona C. Oviposition-deterring pheromone deposited on blueberry fruit by the parasitic wasp, Diachasma alloeum. Behaviour, 2007,144(4): 429-445. [4]van Lenteren JC. Host discrimination in parasitoids. In: Nordlund DA, Jones RL, Lewis WJ eds. Semiochemicals : their role in pest control. John Wiley and Sons. 1981:153-179. [5]McBrien H, Mackauer M. Decision to superparasitize based on larval survival: competition between aphid parasitoids Aphidius ervi and Aphidius smithi. Entomol. Exp. Appl., 1991,59: 145-150. [6]李继泉, 王树香, 杨元, 黄大庄, 白颖. 桑天牛长尾啮小蜂产卵及寄主识别行为的观察与研究. 蚕业科学, 2006,32(4): 447-452. [7]Hoffmeister TS. Marking decisions and host discrimination in a parasitoid attacking concealed hosts. Can. J. Zool, 2000,78(8): 1494–1499.
同类课题研究水平概述
- 寄生蜂对已寄生寄主的识别只要依赖于被寄主表面或内部的存在的标记信息素，所以寄生蜂识别已寄生寄主的化学机制研究，实质上是对已寄生刻槽表面的标记信息素进行研究，其国内外研究现状总结如下： (1) 卵寄生蜂标记信息素的研究现状 卵寄生蜂的标记信息素大多来源于生殖系统，如杜氏腺、毒腺、输卵管、卵巢]或咽侧体等。 根据存在位置，标记信息素可分为外标记信息素和内标记信息素。外标记信息素是寄生蜂在产卵完成后随即标记于寄主卵的外部或寄主卵周围结构上，寄生蜂通过触角来感知；内标记信息素则是寄生蜂在产卵时将标记信息素注入寄主卵内，只能通过产卵器刺入到卵内感知。相对于内标记信息素而言，外标记信息素可使寄生蜂节约时间、提高其寄生效率，特别是对于寄生过程较长、寿命较短的寄生蜂尤为重要。 生测结果表明，绝大多数的外标记信息素为非挥发性化合物，卵寄生蜂只能通过触角与寄主卵（或寄主卵周围结构）表面接触才能检测到；仅有3种卵寄生蜂的外标记信息素具有一定的挥发性，寄生蜂通过嗅觉在一定范围内就可以感知，而不需要与寄主卵（或寄主卵周围结构）表面接触。 目前发现了200多种寄生蜂具有标记现象，但只有少数几种寄生蜂的标记信息素得到了分离、鉴定，明确其活性成分及其比例的标记信息素是寥寥无几，而国内资料更是罕见。可见，进一步加强对寄生蜂标记信息素的研究，尤其是对标记信息素的分离、纯化、活性成分确定、生物合成及调控机制，以及田间应用的研究将是未来的重点。 (2) 桑天牛卵啮小蜂标记信息素的研究现状 行为学研究显示，该寄生蜂产卵完成后拖曳其产卵器在桑天牛刻槽表面进行涂抹标记信息素，其所花时间约为整个寄生过程的27.2%，表明标记过程对于它的成功寄生具有非常重要的作用，而该寄生蜂标记信息素的组分及其含量还不清楚，需要进一步研究。这将对于利用该寄生蜂防治桑天牛危害具有重要的作用。
