不同胁迫处理欧洲赤松释放的挥发性有机物对相邻松树抵抗大松象甲取食的影响

本文介绍了一项为解决植物-植物化学通讯在抗虫防御中作用机制尚不明确的问题而开展的研究。研究人员探讨了受机械损伤、大松象甲 (Hylobius abietis) 和欧洲松叶蜂 (Neodiprion sertifer) 取食损伤的欧洲赤松 (Pinus sylvestris) 释放的损伤诱导植物挥发物 (DIPVs)，如何影响邻近未受损幼苗对大松象甲取食的敏感性。研究发现，暴露于DIPVs的幼苗显著改变了象甲的定向行为和取食模式，表明植物间的挥发性信号可以诱导抗虫性，为理解森林生态系统中植物-昆虫互作提供了新见解。

在森林生态系统中，植物常常面临各种昆虫的取食压力。为了应对这些挑战，植物演化出了一套复杂的防御策略。其中，释放挥发性有机化合物 (VOCs) 是一种重要的间接防御手段。当植物受到植食性昆虫攻击或机械损伤时，会释放出一类被称为损伤诱导植物挥发物 (DIPVs) 的化学信号，其中由植食者诱导产生的部分称为食草动物诱导植物挥发物 (HIPVs)。这些挥发物不仅能够吸引天敌来清除害虫，还可能“警告”邻近的同种植物，使其提前做好准备，增强自身防御能力，这种现象被称为“防御启动”。然而，这种植物间的“化学对话”究竟如何影响后续植食性昆虫的行为，尤其是在针叶树（如欧洲赤松，Pinus sylvestris）中，不同压力源（如不同取食方式的昆虫）释放的挥发物所传递的信息是否有差异，以及这些信号如何改变植物对特定害虫（如林业重大害虫——大松象甲，Hylobius abietis）的吸引力，这些问题仍有待深入探究。

为了解决这些问题，研究人员开展了一项两阶段实验。首先，他们将未受损伤的“接收者”欧洲赤松幼苗暴露于来自不同“释放者”幼苗的挥发物中，这些释放者分别处于四种状态：未损伤（对照）、机械损伤、大松象甲取食损伤和欧洲松叶蜂取食损伤。接收者幼苗暴露于这些气味信号中七天后，研究人员收集并分析了它们自身释放的VOCs谱图。在第二阶段，他们将接收者幼苗与饥饿的大松象甲放入同一笼中，观察并记录了24小时内象甲在不同处理幼苗间的分布和取食行为，并量化了树皮损伤的面积和类型（分为浅表损伤和深层损伤）。这项研究发表在《Journal of Chemical Ecology》上，旨在揭示不同胁迫源诱导的植物挥发物在介导邻近植物抗虫性方面的差异。

为了完成这项研究，作者主要采用了以下几个关键的技术方法：利用定制化的植物生长室系统，通过单向气流设计，精确地将不同处理“释放者”幼苗产生的VOCs传递给“接收者”幼苗，确保了信号传递的单一性和可控性。对接收者幼苗的VOCs采集使用了动态顶空吸附法，并采用气相色谱-质谱联用仪 (GC-MS) 结合热脱附技术，对挥发物进行了定性和定量分析。在行为学实验中，研究人员构建了实验笼系统，定量释放大松象甲，并在设定的九个时间点系统记录象甲在不同处理幼苗上的分布情况。最后，通过数字图像分析技术，对幼苗树皮的取食损伤区域进行精确测量和分类（浅表 vs. 深层）。

研究结果

DIPV暴露对象甲分布的影响 (GLMM结果)

分析结果显示，处理与时间点之间存在显著的交互作用。实验初期（上午9点至10点），象甲显著更倾向于分布在对照组的幼苗上。到了中午（12点），暴露于机械损伤 (M-EXP) 和象甲取食损伤 (W-EXP) VOCs的幼苗上的象甲数量显著多于对照组和松叶蜂暴露组 (S-EXP)。而在实验后期（晚上11点），松叶蜂暴露组 (S-EXP) 的幼苗吸引了更多的象甲。

各处理组树皮损伤面积 (cm²)

各处理组之间的总损伤面积（深浅损伤合计）没有显著差异。然而，在对照组内部，深层损伤面积显著大于浅表损伤面积。而在所有暴露于DIPVs的处理组 (M-EXP, W-EXP, S-EXP) 中，浅表损伤面积均显著高于对照组。

浅表和深层咬痕作为取食尝试的指标

在对照组，深层咬痕的数量显著多于浅表咬痕。相反，在所有DIPV暴露组中，浅表咬痕的数量都显著多于深层咬痕。对照组比所有暴露组具有更多的深层咬痕和更少的浅表咬痕。S-EXP组幼苗的深层咬痕数量显著少于其他所有处理组。

接收者幼苗的VOCs排放模式

尽管多变量分析未显示处理对整体VOCs排放谱有显著影响，但单变量分析发现九种化合物在不同处理间存在显著差异。其中，松叶蜂暴露组 (S-EXP) 的两种化合物——马鞭草烯酮 (verbenone，一种含氧单萜) 和β-石竹烯 (β-caryophyllene，一种倍半萜) 的排放量异常高。

结论与讨论

本研究表明，暴露于来自受损同种植物释放的损伤诱导植物挥发物 (DIPVs)，能够改变欧洲赤松幼苗对大松象甲的吸引力，并影响象甲的取食行为。暴露于DIPVs的幼苗虽然总损伤面积未减少，但象甲在其上的取食模式发生了显著改变，表现为更多浅尝辄止的浅表取食，而持续性的深层取食减少。这暗示DIPVs可能诱导了接收者植物的防御“启动”状态，使其对后续的取食做出了更快速或更有效的反应，从而降低了植食者造成的实质性伤害。

特别值得注意的是，不同胁迫源（机械损伤、象甲取食、松叶蜂取食）诱导的挥发物信号产生了不同的生态效应。暴露于机械损伤和象甲取食（二者均造成树皮/木质部损伤）VOCs的接收者，在吸引象甲方面表现出相似的模式，这可能源于它们诱导了相似的挥发物谱。而暴露于松叶蜂（取食针叶）诱导VOCs的接收者，则表现出独特的VOCs谱（如马鞭草烯酮和β-石竹烯含量显著升高），并且对象甲的吸引力在时间上延迟。马鞭草烯酮已知对大松象甲有驱避作用，这可能是导致该处理组幼苗在实验后期才被取食的原因之一。

这项研究的意义在于，它揭示了植物间的化学通讯具有高度的情境依赖性和特异性。不同植食者造成的损伤类型会释放不同的“化学语言”，从而对邻近植物的防御状态和后续植食者的行为产生特异性的影响。这不仅深化了我们对植物间接防御和植物-植物相互作用机制的理解，也为林业害虫的生态管理提供了新思路。例如，通过理解特定挥发物（如马鞭草烯酮）的生态功能，未来或许可以开发基于植物挥发性信息的害虫行为调控策略，为可持续森林保护提供科学依据。