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近缘寄主植物类群间花香VOCs组成及访花芋果蝇电生理反应的比较认领

作者：

焦润杰

学位授予单位：

云南大学

摘要：

植物所产生的挥发性有机化合物(VOCs)是植物形成气味特征的关键组成部分,其中寄主植物开花时所散发的花香挥发性化合物成分是植物与访花昆虫间形成互利共生关系的关键。花香挥发性化合物基于其组成成分以及比例的不同,构成了特异的信号,通过空气向周围传播。访花昆虫以及植食性害虫通过其嗅觉系统(主要是触角)接收并识别这些特异性信号。大部分访花昆虫都具备飞行能力,具有很强的活动性。因其活动范围较广,在感知、定位其食物以及繁殖场所的过程中,嗅觉起着主要作用。对于昆虫来说,其视觉探查范围有限,但嗅觉系统则非常发达。昆虫可以通过接收、识别空气中弥漫的气味分子来发现食物和繁殖场所,为此,它们在生活习性上的改变也会在其嗅觉系统中得到体现。 “芋果蝇”是指来自果蝇科Drosophilidae芋果蝇属Colocasiomyia的蝇类,因其与天南星科植物间密切的传粉互利共生关系而得名,是果蝇科内整体性的利用花进行繁殖的少数类群之一,其与天南星科寄主植物所构成的共生系统是继榕树-榕小蜂和丝兰-丝兰蛾两个系统之后,探究互利共生进化的又一个理想系统。不同属间的天南星科寄主植物分别与不同种组的芋果蝇形成互利共生关系,彼此之间形成生态位上的分离。基于以上考虑,我们推测由于不同寄主植物间花香VOCs的成分上存在的差异,可能推动不同种组芋果蝇在对花香VOCs的嗅觉感知上产生了分化。为了探究这一问题,本研究以来自天南星科不同属的三种近缘植物(包括天南星亚科的海芋以及龟背芋亚科的海南藤芋及爬树龙)及其访花芋果蝇为研究对象,通过固相微萃取法采集了花香化合物成分,并通过GC-MS系统鉴定了其成分,进行了进一步分析,再通过GCEAD确定了寄主植物花香VOCs成分中能够引起访花芋果蝇触角电生理反应的化合物成分。结果如下: 1.近缘寄主植物类群花香成分鉴定通过对来自不同属的三种近缘植物的花香VOCs成分进行鉴定,我们分别得到19、51和13种挥发性有机化合物。这些化合物可归为三类,即脂肪族化合物,芳香族化合物以及萜类化合物。三种植物在花香VOCs成分上有明显差异。首先,不同寄主植物在花香VOCs成分数量上有较大差异;在花香VOCs成分组成类型比例上,同属间寄主植物差异较小,不同属间差异较大。在海芋释放的花香挥发性化合物中,含量最多的是2-甲基丁酸甲酯、罗勒烯、(3E)-4,8-二甲基-1,3,7-壬三烯和(-)-α-Serinene。分别占比16.83%、26.38%、18.58%和14.37%。它们对这些花的总气味贡献最大。在海南藤芋释放的花香挥发性化合物中,含量最多的是巴伦西亚橘烯、(1S,5S,6R)-2,6-二甲基-6-(4-甲基-3-戊烯-1-基)双环[3.1.1]庚-2-烯和(-)-Alpha-蒎烯。分别占比10.97%、6.51%和6.04%。三种化合物均为萜类化合物,在爬树龙释放的花香挥发性化合物中,含量最多的是3-戊酮、2-甲基丁醇和α-法尼烯。分别占比39.57%、21.51%和10.44%。除α-法尼烯外,另外两种占比最高的化合物均为脂肪族化合物。通过对两亚科、三属间代表性寄主植物VOCs成分组成类型的比较,我们发现两个亚科在挥发性化合物成分组成上分别朝着两个不同的方向进化;天南星亚科芋属植物作为该科进化晚期出现的类群,其花香VOCs成分向着萜类化合物占比增加、含量提高的方向进化,与该科进化早期出现的类群相比,表现出明显的分化趋势。 2.访花芋果蝇电生理反应的比较本研究发现天南星科寄主植物花香挥发性化合物中含有能够引起芋果蝇触角电生理活性的物质,这一结果表明芋果蝇的嗅觉系统确实可以感应到寄主植物花香成分的差异从而识别天南星科不同种寄主植物。我们观察到每种寄主植物花香化合物成分中引起芋果蝇触角电生理活性的化合物各不相同。在海南藤芋上繁殖的戴氏芋果蝇Colcasiomyia daiae对该植物花序VOCs成分中的5-甲基-3-庚酮、(E)-β-罗勒烯和BETA-环柠檬醛产生了触角电位反应。在海芋上发现的海芋果蝇Colcasiomyia alocasiae对海芋花香VOCs成分中的2-甲基丁酸甲酯、(3E)-4,8-二甲基-1,3,7-壬三烯和水杨酸甲酯产生了触角电位反应。在爬树龙花香VOCs成分中目前只发现3-戊酮能引起芋果蝇强烈触角电生理反应。在海南藤芋的花香挥发性化合物成分中,戴氏芋果蝇对(E)-β-罗勒烯的反应最为强烈,但(E)-β-罗勒烯在花香化合物成分中所占的比例却不高,只占0.141%。对海芋而言,芋果蝇对其花香VOCs成分中的2-甲基丁酸甲酯的电生理反应最为强烈。在龟背芋亚科植物中,过去的研究结果表明3-戊酮是主要的花气味成份。我们的GC-EAD结果表明,3-戊酮能够引起爬树龙上访花芋果蝇强烈的触角电生理反应。结合其在崖角藤属寄主植物中普遍存在,判断其在大芋果蝇种组寄主定位过程中起着重要作用。首次将电生理的手段运用到芋果蝇的嗅觉系统研究中,证实了芋果蝇识别寄主植物VOCs的能力,为后续的研究提供了基础。

摘要译文

关键词：

天南星科寄主植物; 芋果蝇; 电生理反应; GC-EAD; 花香VOCs; 3-戊酮

学位年度：

2022

学位类型：

硕士

学科专业：

生态学

导师：

高建军

中图分类号：

Q948[植物生态学和植物地理学]

学科分类号：

071002[植物学];071301[植物生态学]

D O I：

10.27456/d.cnki.gyndu.2022.000297