大气CO2浓度升高对花蜜及传粉昆虫的影响

植物依赖昆虫传授花粉,昆虫从植物获得花粉和花蜜作为食物,两者在漫长的进化过程中形成了密切的互惠共生关系.大量研究表明,CO2浓度升高对植物花蜜的产量和组成有显著的影响.CO2浓度增加后,有花植物花蜜的产量和组分在不同物种之间的变化差异很大,即使是种内不同基因型植株的花蜜对CO2浓度增加的反应也有所不同.大部分种类花蜜的...     

大气CO_2浓度升高对植物-植食性昆虫的作用机制

大气二氧化碳浓度升高及其伴随的全球变暖引起国内外科学家的极大关注。CO2浓度升高主要通过改变植物的初级和次级代谢产物,影响以之为食的昆虫。本文结合作者近年来的研究成果,着重于以CO2浓度升高为作用因子,以植物和植食性昆虫的相互关系为对象,比较了咀嚼式口器昆虫与刺吸式口器昆虫对大气CO2浓度升高的响应特征,分析了不同取食类型昆虫-植物对大气CO2浓度升高的响应机制。     

高浓度二氧化碳对植物影响的研究进展

工业革命后全球大气CO2浓度持续上升,不仅对全球气候的变迁产生重大影响,而且对植物的形态、水分利用、蛋白质合成、光合、抗性、生长及生物量等都有不同程度的影响。高浓度CO2促进植物根、幼苗的生长,叶片增厚,降低气孔密度、气孔导度及蒸腾速率,增加水分利用效率、作物的产量及生物量,促进乙烯生物合成,增强植物的抗氧化能力。不同光合途径(C3、C4及CAM)及不同植被类型的植物对高浓度CO2的响应不同。长期和短期的高浓度CO2处理,植物响应方式有很大的差异,如短期高CO2处理使光合能力增强,而长期处理则使光合能力下调。     

大气CO2浓度升高对森林食叶昆虫的潜在影响

评述了大气CO₂浓度升高对森林食叶昆虫的影响,昆虫对森林取食为害水平的潜在变化,以及研究中的主要实验方法.大气CO₂浓度升高通过引起叶片化学变化进而影响食叶昆虫个体的取食和生长;但物种对环境变化反应的特异性、植物化学对高浓度CO₂的反应强度、昆虫对植物生理变化的敏感性和适应性、研究周期的长短、其它环境因子的协同效应以及不同实验中植物生长条件和研究方法的差异均将影响昆虫反应的方向和强度;CO₂气体浓度增高本身可能不足以对食叶昆虫个体的新陈代谢构成影响;大气CO₂浓度升高也可能影响森林食叶昆虫种群的大小.     

大气CO2浓度增加对昆虫的影响

大气CO2浓度增加已经受到国内外的极大关注.CO2浓度升高不但影响植物的生长发育,而且还改变植物体内的化学成分的组成与含量,从而间接地影响到植食性昆虫,并进而通过食物链影响到以之为食的天敌.根据国内外研究进展,结合多年的研究,系统介绍了CO2浓度变化对植物-昆虫系统影响的研究方法,论述了CO2浓度变化对植食性昆虫、天敌的作用规律及作用机理,探讨了CO2浓度变化对植物-植食性昆虫系统影响的特征,分析了未来研究发展的趋势及其存在的问题.     

Aboveground herbivory increases soil nematode abundance of an invasive plant

入侵植物往往可以影响土壤线虫的群落结构。然而,入侵植物在入侵地并未完全逃逸地上植食性昆虫的取食危害,而我们对昆虫取食是否会调节入侵植物对土壤线虫群落的影响还知之甚少。在本研究中,我们探讨了地上植食性昆虫取食危害如何调节入侵植物空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)对土壤线虫群落的影响,并研究了昆虫调节作用的时间效应。我们开展温室实验,对盆栽的空心莲子草施加三种不同的昆虫取食处理[无昆虫取食、专食性昆虫莲草直胸跳甲(Agasicles hygrophila)取食、广食性昆虫虾钳菜披龟甲(Cassida piperata)取食],并在移除所有植食性昆虫后的第1、10和20天测定土壤线虫的群落结构。此外,我们还测定了空心莲子草根系及根系分泌物的碳含量。研究发现,在植食性昆虫被移除的第1天,昆虫取食处理显著提高了空心莲子草根围土壤线虫的丰度,特别是植食性线虫。然而,随着时间推移,这种影响逐渐减退,并在后期(第10和20天)完全消失。此外,专食性昆虫莲草直胸跳甲和广食性昆虫虾钳菜披龟甲的取食危害对土壤线虫丰度的影响并无显著性差异。综上所述,本研究表明地上植食性昆虫的取食危害可以改变入侵植物对土壤线虫群落的影响,但昆虫的调节作用是短暂的。此外,我们的研究强调了在评估入侵植物的影响时,需要同时考虑地上和地下生物群落。     

高CO2浓度和固氮菌对斜纹夜蛾幼虫食物利用效率的影响

"补偿取食"假说认为CO2浓度升高后植食性昆虫会增大取食量以弥补植物组织中氮素营养的不足。但实证研究并非都支持该假说。用人工智能气候箱设置CO2浓度(390μL/L和780μL/L)和固氮菌(有、无)等2因素4处理,种植菜豆饲喂刚蜕皮进入4龄的斜纹夜蛾幼虫,测定其取食和食物利用效率。协方差分析结果表明,CO2浓度与固氮菌互作对斜纹夜蛾幼虫取食量具有显著影响,在无固氮菌处理下,斜纹夜蛾幼虫对高CO2浓度处理的菜豆取食量明显高于当前CO2浓度处理的;而在有固氮菌处理下,斜纹夜蛾幼虫对高CO2浓度下菜豆的取食量又比当前CO2浓度处理下的低。固氮菌对斜夜蛾4龄幼虫最终体重没有显著影响,但高CO2浓度处理的4龄幼虫终体重大于当前CO2浓度处理的幼虫。CO2浓度、固氮菌及其互作对斜纹夜蛾幼虫的相对取食率(RCR)和相对生长率(RGR)具有显著影响,在当前CO2浓度处理下,斜纹夜蛾4龄幼虫的RCR和RGR在有、无固氮菌处理之间没有显著差异;但在升高CO2浓度下,无固氮菌处理下的RCR和RGR显著大于有固氮菌处理。CO2浓度及其与固氮菌互作显著影响近似消化率(AD),在无固氮菌处理下,CO2浓度升高使AD增大;但在有固氮菌、CO2浓度升高下,其AD略有降低。CO2浓度和固氮菌双因素处理对消化食物转化率(ECD)无显著影响。研究结果支持"补偿取食"假说。     

大气臭氧浓度升高对植物及其昆虫的影响

臭氧是最具危害性的空气污染物之一,从19世纪中叶开始,对流层中的臭氧水平增加了35％,在今后50—100年内还将继续升高。臭氧浓度升高对植物生理基本功能、植物体内信号分子以及挥发物都具有不同程度的影响,并严重影响作物的产量。臭氧也通过改变植物的原生代谢和次生代谢发生数量而影响植食性昆虫的取食偏嗜性、行为、生长和发育,进而影响天敌昆虫的适合度。臭氧还通过改变化学信息物质而影响昆虫的行为。根据国内外研究进展,介绍了大气臭氧浓度升高对植物、昆虫的影响,并讨论了目前存在的问题和研究前景。     

广聚萤叶甲成虫取食经历对后续 产卵寄主选择的影响

【背景】取食经历对植食性昆虫的寄主选择行为具有较大影响,影响天敌昆虫寄主专一性测定的设计和结果解释。【方法】采用选择性试验,观察了入侵豚草的重要天敌——广聚萤叶甲成虫羽化后取食不同植物对其后续产卵寄主选择的影响。【结果】与取食豚草的试虫相比,有取食三裂叶豚草、苍耳或菊芋经历的成虫选择苍耳产卵的频次增加,不再对豚草表现出明显的选择偏好性。对产卵识别期的Cox模型分析结果表明,成虫早期取食不同植物,对后续产卵选择有显著影响,成虫羽化后如果先取食豚草或三裂叶豚草,则选择苍耳产卵的倾向显著低于豚草;但如果先取食苍耳、菊芋和农家向日葵,则选择苍耳产卵的倾向与豚草无显著差异。【结论与意义】由此推测,广聚萤叶甲初羽化成虫取食的植物对其后续产卵选择具有较大影响,因而在寄主专一性测定中应关注测试前饲喂的植物种类。     

青藏高原高寒草甸门源草原毛虫取食偏好及其与植物C、N含量的关系

草食性昆虫对不同植物物种的取食存在偏好,这种取食偏好可能受其自身对蛋白质和碳水化合物的需求及二者平衡的调节。以青藏高原高寒矮嵩草草甸31种常见植物及门源草原毛虫为对象,通过饲喂实验,研究了草食性昆虫对不同物种和不同功能群植物的取食偏好,及其与植物叶片C、N含量和C∶N之间的关系。在31种植物中,门源草原毛虫对19种植物进行了取食,尤其对矮嵩草、红棕薹草、藏异燕麦和垂穗披碱草四种植物表现出强烈的取食偏好,而对另外12种植物未进行任何取食。在物种水平上,门源草原毛虫取食量与植物叶片N含量呈显著负相关,与叶片C∶N呈正相关。从功能群水平上看,门源草原毛虫对莎草类的取食偏好最大,而对豆科植物取食偏好最低;相应地,莎草类植物叶片N含量最低、C∶N最高,而豆科植物叶片N含量最高、C∶N最低。因此,即使在土壤有效氮匮乏、植物生长受氮素限制的高寒草甸生态系统,植物体内N含量的增加也可能不利于草食性昆虫的取食。门源草原毛虫对优势植物矮嵩草和垂穗披碱草的取食对高寒矮嵩草草甸物种共存和生物多样性维持可能具有重要的作用。     

Effect of elevated CO_2 and O_3 on phytohormone-mediated plant resistance to vector insects and insect-borne plant viruses

Climatic variations are becoming important limiting factors for agriculture productivity,as they not only directly affect the plant net primary productivity but can also modulate the outbreak of plant diseases and pests.Elevated CO_2 and O_3 are two important climatic factors that have been widely studied before.Elevated CO_2 or O_3 alters the host plant physiology and affects the vector insects and plant viruses via bottom-up effects of the host plants.Many studies have shown that elevated CO_2 or O_3 decreases the plant nitrogen content,which modulates the characteristics of vector insects.Recent evidence also reveals that hormone-dependent signaling pathways play a critical role in regulating the response of insects and plant viruses to elevated CO_2 or O_3.In the current review,we describe how elevated CO_2 or O_3 affects the vector insects and plant viruses by altering the SA and JA signaling pathways.We also discuss how changes in the feeding behavior of vector insects or the occurrence of plant viruses affects the interactions between vector insects and plant viruses under elevated CO_2 or O_3.We suggest that new insights into the upstream network that regulates hormone signaling and top-down effects of natural enemies would provide a comprehensive understanding of the complex interactions taking place under elevated CO_2 or O_3.     

Elevated CO2 differentially affects tobacco and rice defense against lepidopteran larvae via the jasmonic acid signaling pathway

Atmospheric CO_2 levels are rapidly increasing due to human activities. However, the effects of elevated CO_2(ECO_2) on plant defense against insects and the underlying mechanisms remain poorly understood. Here we show that ECO_2 increased the photosynthetic rates and the biomass of tobacco and rice plants, and the chewing lepidopteran insects Spodoptera litura and Mythimna separata gained less and more mass on tobacco and rice plants, respectively. Consistently, under ECO_2, the levels of jasmonic acid(JA), the main phytohormone controlling plant defense against these lepidopteran insects, as well as the main defense-related metabolites, were increased and decreased in insectdamaged tobacco and rice plants. Importantly, bioassaysand quantification of defense-related metabolites in tobacco and rice silenced in JA biosynthesis and perception indicate that ECO_2 changes plant resistance mainly by affecting the JA pathway. We further demonstrate that the defensive metabolites, but not total N or protein, are the main factors contributing to the altered defense levels under ECO_2. This study illustrates that ECO_2 changes the interplay between plants and insects, and we propose that crops should be studied for their resistance to the major pests under ECO_2 to predict the impact of ECO_2 on future agroecosystems.     

大气中CO2浓度升高对植物的影响

大气中CO_2浓度升高以及由此所引起的温室效应已成为人们普遍关注的议题。在未来的世界里,CO_2浓度将持续上升。预计到21世纪中叶,CO_2浓度可能达到700ppm。一些试验结果表明;CO_2浓度升高对多数植物的个体生长发育有促进作用,其中包括种子的发芽率提高,幼苗生长加快,叶面积增大,根系数量增多,气孔数量减少,茎干生长轮加宽,开花期提早,种子产量提高等。但是,CO_2浓度升高对植物也有不利影响。在高CO_2浓度环境中,由于过量产生的碳水化合物在叶片中的积累和矿物质的不平衡,许多植物在生长后期生长缓慢或出现负增长;个体生长发育规律的变化将导致一些增长种群逐渐向衰退种群过渡;C_3类杂草的加速生长将引起农业欠收;群落结构与组成的变化将促使一些植物走向绝灭;植物残渣中碳氮比的改变将引起生态系统生产力的下降等。因此,对于今后大气中CO_2浓度升高的影响还要做大量的研究。     

内蒙古草原3年生小叶锦鸡儿根瘤特征及其对环境变化的响应

小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)是氮素匮缺的内蒙古草原的灌丛优势种, 研究其根瘤性状及其对不同环境因子的响应特征, 可以进一步了解草原生态系统共生固氮过程及其对全球变化的响应机制。在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站, 利用开顶式生长室(Open-top chamber, OTC)控制实验模拟环境变化, 研究了3年生小叶锦鸡儿播种苗根瘤特征, 及其对氮素添加、干旱和加水和大气CO₂浓度升高的响应。结果表明: 1) 3年生小叶锦鸡儿明显有根瘤着生, 多着生于侧根。根瘤形状多样, 以浅黄色的梨状和球状根瘤为主(占根瘤总数的68%); 另有少数棕褐色棒状和纺锤状根瘤(占根瘤总数的30%); 还有极少数较大的Y状根瘤。2)添加氮素极显著地抑制根系和根瘤的生长发育: 根系有发白现象, 且着生在其上的几乎都是干瘪根瘤。这种抑制效应随着水分增加和CO₂浓度升高有所减缓。3)干旱抑制根系和根瘤生长, 而加水促进二者生长。与干旱和正常水分相比, 加水时根系更发达, 根瘤形态多样, 出现掌状和珊瑚状等大型根瘤。随着水分增加, 根瘤着生部位由主根渐向侧根再向须根发展。与正常水分相比, 减水时根瘤平均长度降低了50.4% (p<0.05); 在加水条件下根瘤生长状况最为良好, 单株根瘤数量和重量以及根瘤平均重量均显著增加。4) CO₂浓度升高对根瘤生长有促进作用, 但未达到显著。5)根瘤数量对环境因子的变化比根瘤大小更敏感; 氮素和水分对单株根瘤数量和重量具有交互作用; 对于水分和氮素相对缺乏的内蒙古草原, 水分是限制小叶锦鸡儿根瘤菌侵染根系形成根瘤的关键因子。     

植物有性生殖对大气CO2浓度变化响应的研究进展

 比较详细地概述了过去数十年关于在大气CO₂浓度升高条件下,植物有性生殖特性发生变化的主要研究成果。随着植物相对生长速率加快,植株达到有性生殖所需形体大小的时间变短,开花期提前,生殖器官的生物量也相应提高,其主要表现为开花数量、花粉和花蜜产量、果实数量与大小、种子大小与产量等均有不同程度的增加。对大多数农作物而言,种子产量的增加主要通过种子数量的增加,而与种子大小变化关系不大。通常,高浓度CO₂对豆科植物种子含氮量影响比较小, 却能显著地降低非豆科植物种子含氮量。不同类型植物的生殖生物量增加趋势存在一定的规律性,如不定型植物>定型植物,豆科植物>C₃非豆科植物>C₄植物,栽培植物>野生植物。针对国内外对CO₂浓度升高影响植物有性生殖特性的研究中存在的不足,该文提出了今后研究应该注意的问题。     

Effects of elevated CO2 and temperature-grown red and sugar maple on gypsy moth performance

Few studies have investigated how tree species grown under elevated CO₂ and elevated temperature alter the performance of leaf‐feeding insects. The indirect effects of an elevated CO₂ concentration and temperature on leaf phytochemistry, along with potential direct effects on insect growth and consumption, may independently or interactively affect insects. To investigate this, we bagged larvae of the gypsy moth on leaves of red and sugar maple growing in open‐top chambers in four CO₂/temperature treatment combinations: (i) ambient temperature, ambient CO₂; (ii) ambient temperature, elevated CO₂ (+ 300 μL L^?1 CO₂); (iii) elevated temperature (+ 3.5°C), ambient CO₂; and (iv) elevated temperature, elevated CO₂. For both tree species, leaves grown at elevated CO₂ concentration were significantly reduced in leaf nitrogen concentration and increased in C: N ratio, while neither temperature nor its interaction with CO₂ concentration had any effect. Depending on the tree species, leaf water content declined (red maple) and carbon‐based phenolics increased (sugar maple) on plants grown in an enriched CO₂ atmosphere. The only observed effect of elevated temperature on leaf phytochemistry was a reduction in leaf water content of sugar maple leaves. Gypsy moth larval responses were dependent on tree species. Larvae feeding on elevated CO₂‐grown red maple leaves had reduced growth, while temperature had no effect on the growth or consumption of larvae. No significant effects of either temperature or CO₂ concentration were observed for larvae feeding on sugar maple leaves. Our data demonstrate strong effects of CO₂ enrichment on leaf phytochemical constituents important to folivorous insects, while an elevated temperature largely has little effect. We conclude that alterations in leaf chemistry due to an elevated CO₂ atmosphere are more important in this plant–folivorous insect system than either the direct short‐term effects of temperature on insect performance or its indirect effects on leaf chemistry.     

How do aphids respond to elevated CO2?

The performance of herbivore insects is determined directly by the quality of host plants. Elevated CO₂ induced a decline in foliar nitrogen, which reduced the growth of chewing insects. Phloem-sucking insects (i.e. aphid), however, had species-specific responses to elevated CO₂ and were the only feeding guild to respond positively to elevated CO₂. Although many studies attempt to illuminate the interaction between aphids and plants under elevated CO₂, few studies can explain why some aphids are more successful than other chewing insects in elevated CO₂. Elevated CO₂ leads to a re-allocation of the carbon and nitrogen resources in plant tissue, which increases the thickness of the microscopic structures of leaves, reduces amino acids content of leaf phloem sap and increases the secondary metabolites. Considering the complexity of aphid–plant interactions, it is difficult and unreasonable to predict the general response of aphids to elevated CO₂ using a single plant component. Instead, it is more likely that aphids are able to overcome the disadvantages of the indirect effects of elevated CO₂ by reducing developmental times and increasing fecundity under elevated CO₂ conditions. Our results provide several clues to why some aphids are successful in elevated CO₂ conditions. We review recent studies of the effects of elevated CO₂ on aphids and discuss the effects of elevated CO₂ on aphid performance on crops using cotton and cereal aphids as examples.     

开放式空气中CO2浓度增高(FACE)对水稻生长和发育的影响

人类活动导致的大气和气候变化将极大地改变作物的生长环境,其中最大的一个变化就是大气二氧化碳(CO2)浓度的迅速上升:从工业革命前的平均270μmol/mol上升到目前的381μmol/mol,到2050年至少超过550μmol/mol。FACE(Free-air CO2 enrichment,开放式空气中CO2浓度增高)试验是目前评估未来高浓度CO2对作物生长和产量实际影响的最佳方法。水稻无疑是人类最重要的食物来源,迄今为止人类利用FACE技术开展水稻响应和适应的研究已有10a(19982008年)的历史。以生长发育为主线,首次系统综述了10a水稻FACE试验在该领域的研究成果,总结了FACE情形下高浓度CO2(模拟本世纪中叶大气CO2浓度)对主要供试水稻品种(小区面积大于4m2)光合作用、生育进程、地上部生长、地下部生长、物质分配、籽粒灌浆、产量构成以及倒伏性状等影响的研究进展,比较了FACE与非FACE研究之间以及中国和日本FACE研究(世界上唯一的两个大型水稻FACE研究)之间的异同点。根据研究进展以及当前的技术水平,文章最后提出了该领域的3个优先课题:(1)FACE情形下杂交稻生产力响应高于预期的生物学机制;(2)FACE情形下CO2与主要栽培措施的互作效应;(3)FACE情形下CO2与主要空气污染物臭氧的互作效应。这些响应的机理性解析将有助于从根本上减少人类预测未来粮食安全的不确定性,进而更加有效地制订出应对全球变化的适应策略。