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冬虫夏草发生发育的生态响应

分类:虫草文献 作者:阳光虫草 评论:1 热度: 47,013 ℃

阳光虫草

冬虫夏草发生发育的生态响应

摘要:冬虫夏草(ophiocordyceps sinensis)自然资源稀少且尚未实现人工培植,自然生态环境对冬虫夏草的发生发育至关重要。从冬虫夏草的发生发育过程、生长习性及生态响应、寄主钩蝠蛾昆虫的系统学与地理分布以及生长发育和食性等方面阐述了生态条件对冬虫夏草的影响,以有利于这一珍稀自然资源的保护和可持续开发利用。

关键词:冬虫夏草(ophiocordyceps sinensis);发育;生态;青藏高原;钩蝠蛾昆虫

中图分类号:s646;q148 文献标识码:a 文章编号:0439-8114(2015)01-0100-05

doi:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.01.026

冬虫夏草[ophiocordyceps sinensis(syn. cordyceps sinensis)]是青藏高原特色名贵的中药材,其自然资源十分稀少。自古至今,冬虫夏草就与人参、鹿茸并称为“中药三宝”,具有极其重要的药用和经济价值。在社会发展相对落后的青海和西藏地区,冬虫夏草已成为许多农牧民的主要经济来源之一。然而,作为世界上极具价值的真菌之一,冬虫夏草无法进行人工培植和规模化生产,目前所有的冬虫夏草都依赖于野生生长[1]。因此充分了解生态因子对冬虫夏草发生发育的影响,有利于更全面地认识冬虫夏草的生物学特性,建立科学合理的可持续发展技术,从而对这一珍稀自然资源的种质保护和开发利用具有重要意义。为此,对冬虫夏草发生发育的生态响应机制进行综述。

1 冬虫夏草的发生发育过程

冬虫夏草是一种虫生真菌,其生活史包括无性阶段和有性阶段。其无性型称为中国被毛孢(hirsutella sinensis),无性阶段是以无性生殖方式繁衍增殖,起始于分生孢子,以土壤、植物和钩蝠蛾昆虫等为宿主介质,经历菌丝、虫菌体或其他未知形态,并可能在某些适当的条件下将寄主幼虫转变成僵虫,从而过渡至有性阶段。当被感染的钩蝠蛾幼虫发病、衰亡和僵化(僵虫)后,进一步发育形成子实体,开始启动冬虫夏草的有性阶段。有性阶段包括子座(连接菌核)、子囊、子囊壳、子囊孢子等有性型结构,其中子座是冬虫夏草的入药部位,而子囊孢子则是冬虫夏草有性生殖的种子。子囊孢子成熟后,萌发获得分生孢子,再次进入无性生活史,接着便开始了新一轮世代循环[2,3]。

中国被毛孢对寄主钩蝠蛾幼虫的侵染机理一直是令学术界困惑的难题,也是冬虫夏草研究领域的热点。近期高灵敏度和特异性的中国被毛孢实时定量检测技术(real-time qpcr)首次被建立,将其应用于检测寄主钩蝠蛾幼虫、建群种植物各组织和栖息地土壤中该菌的定殖量,结果显示幼虫、植物和土壤中均生长着大量的中国被毛孢[2,3]。

近年已有文献报道中国被毛孢参与侵染寄主的两个丝氨酸蛋白酶基因(csp1和csp2)被成功克隆,其编码的蛋白酶是s8a亚家族的新成员。通过毕赤酵母异源表达系统获得这两个基因的表达产物csp1和csp2,其最适ph均为7.0,最适温度分别是40 ℃(csp1)和50 ℃(csp2)(其实这个温度在冬虫夏草适生地的高寒生境中完全不可能出现)。体外实验的生物测定进一步揭示,csp1和csp2能有效降解钩蝠蛾属幼虫的角皮蛋白,证明这两种酶是中国被毛孢侵染寄主幼虫的重要致病因子。从而从一个侧面证明中国被毛孢是有可能通过突破昆虫体壁侵入体腔的,同时也有助于未来构建高毒力工程菌株[4]。虽然前人仅开展丝氨酸蛋白酶对昆虫体壁的分解作用,但其作为一种广谱性蛋白溶解酶,或许其对昆虫肠壁同样具有降解功能。

真菌的有性生殖可通过同宗或异宗配合的方式来完成[5,6]。中国被毛孢菌丝的人工培养和发酵技术均已顺利攻克,并进行了产业化推广,但一直难以形成子座,其原因之一可能就是人们对冬虫夏草有性生殖的方式了解甚少。惟一可见的报道来自于中国科学院微生物研究所的刘杏忠课题组,他们克隆到冬虫夏草菌的交配型基因mat1-2-1,该基因全长857 bp,编码249个氨基酸残基的蛋白。在该基因序列下游约3 kb处发现存在一段dna lyase的编码区,但在上下游各约4 kb的范围内均未找到mat1-1基因的同源性片段。对66个组织分离菌株和132个单子囊孢子进行测试,全部含有mat1-2-1基因,没有检测到mat1-1交配型的菌株。研究结果暗示冬虫夏草菌以同宗配合方式进行有性生殖,同宗配合对于冬虫夏草适应高寒、缺氧、贫瘠的极端环境有着特殊的意义[7]。

在青海玉树与西藏那曲地区,5月中下旬冬虫夏草子座露出土表,6~7月进入生长旺盛期,7月冬虫夏草子座上部膨大,8月开始喷射子囊孢子,8月中下旬是冬虫夏草的衰退期,大部分子座干枯、倒伏,最后腐烂[8,9]。冬虫夏草子座的生长发育受温度、光照、湿度和降水等气候条件的影响较大。日平均气温3 ℃以上、空气相对湿度70%以上、光照充足时,子座生长迅速;若空气相对湿度低于50%,子座易干枯萎缩,子囊孢子不能形成,无法完成有性阶段的生长发育。

重庆中药研究院和青海畜牧兽医学院的研究人员进行了野外和室内环境下的冬虫夏草子囊孢子发育观察,发现子囊孢子的喷射过程会受到光照条件的显著影响。不同产地冬虫夏草子囊孢子的喷射期有所差异,在四川康定地区为每年6月中旬至7月中旬,西藏那曲地区为7月上旬至8月中旬,青海玉树地区为6月下旬至7月中旬。单株冬虫夏草子囊孢子的喷射期为15 d左右,喷射数量最大时约40万个/d。子囊孢子的喷射还需要足够的光照时间和适宜的温湿度条件[10,11]。

2 冬虫夏草的生长习性与生态响应

青藏高原号称与南北极并列的“地球第三极”,环境极端恶劣,特别是冬虫夏草产区,垂直分布于海拔3 500~5 000 m,但最适分布区在不同地区也有一定差异,如青海玉树自治州的冬虫夏草多分布于海拔4 300~4 800 m[12],西藏那曲地区是海拔4 100~5 000 m[9],林芝地区是海拔3 900~4 700 m,四川甘孜州的冬虫夏草一般主产于海拔3 700~4 700 m的地区[13],而云南的冬虫夏草则主要分布在4 000~4 600 m的范围内[14]。随着全球气候变暖,雪线上升,冬虫夏草的适生地海拔下限也逐渐升高,这就造成了冬虫夏草生境的萎缩和产量的持续下降[15,16]。 在青藏高原高寒生境的冬虫夏草发生地,其生长和分布与区域的植被类型密切相关,因此其栖息地分为北部高原的高寒草甸区、中部的草甸灌丛区和南部的乔木灌丛草甸区。其中,高山草甸、亚高山草甸和高山灌丛草甸类型植被是冬虫夏草适宜生长区;高山草原和亚高山树林区域有少量冬虫夏草分布,是次适宜生长区;高山荒漠草原、温性草原和低谷湿地等其他植被地带不适于冬虫夏草的生长,是非冬虫夏草分布区(图1)[17]。高寒、缺氧和低气压是这些地区的主要气候特征,年平均气温在5 ℃以下,最低可达-30 ℃以下,氧气含量为内陆地区的40%~50%,大气压则仅为平原地区的60%~70%[18]。而且早晚温湿度差异极大,具有明显的雨季和旱季。作为一种长期自然选择和适应性进化的结果,冬虫夏草与高原生态系统中的生物和非生物环境因子相互作用、相互依存并维持着动态的平衡关系,广泛地栖息在青藏高原不同的产区。

高海拔是冬虫夏草发生地分布区域的最显著特点。虽然不同产区的冬虫夏草为同一菌种,但由于不同地区甚至同一地区不同生境的生态条件差异较大,导致冬虫夏草寄主钩蝠蛾属昆虫存在不同的种类,而且不同产区的冬虫夏草海拔分布也有较明显的差异,即核心分布区的西藏那曲和青海玉树的冬虫夏草产量和质量均高于边缘分布区的四川、云南和甘肃。而且近年来随着全球气候变暖,青藏高原冰川消融和雪线上升,这些分布区的海拔下限也逐渐升高,区域面积也日益减少。当然,冬虫夏草的海拔分布及其变更,与其他环境因子包括大气温度、土壤湿度、大气湿度和土壤湿度等多种环境条件都密切相关,也深受人类生产生活活动的干扰和影响(表1)[19]。

低温是高海拔所导致的一个重要结果。在冬虫夏草产区,1月平均气温最低,极端最低气温大部分低于-20 ℃,在海拔4 507 m的那曲甚至有-41.2 ℃的超低温记录,7月的平均温度最高。尽管不同产区在同一月份的平均温度有所差异,但周年月平均温度的变化趋势基本一致[19]。根据冬虫夏草重要主产区――玉树自治州的气象信息,在冬虫夏草开始生长的5月,平均温度4.8 ℃,最低-6 ℃;在冬虫夏草生长盛期的5月中旬至6月下旬,约60%的子座露出地表,此时月平均气温10.7 ℃,最低-1.0 ℃;而在旺盛期的7月中上旬,78%的子座发育形成,气温为12.2 ℃,最低至1.1 ℃。因此,大气平均温度2.6 ℃时冬虫夏草开始生长,最适温度是7~12 ℃[20]。

冬虫夏草的主要成分是水,其含水量高达80%,因此生长过程中对环境水分的依赖性很强。冬虫夏草生长发育的最适大气相对湿度为80%~95%,此时子座生长快速而肥大;反之,低于70%的环境则不利于冬虫夏草的生长,子座生长极慢甚至干枯,无法完成正常的有性阶段[9,20-22]。据报道,在西藏那曲东部地区的聂荣县和那曲县年降雨量200 mm左右,索县、比如、巴青和嘉黎等县西部250~500 mm,同西部非冬虫夏草产区的各县相比,产区降水量明显较高。另外,产区降水量随季节也有差异,多集中于下半年,特别是冬虫夏草快速生长发育的6~9月,若早春降雪量少,则当年的冬虫夏草产量低,若冬虫夏草发育期的降水少,则子实体易被晒蔫,无法完成正常发育[9]。

光照是影响冬虫夏草生长发育的另一个重要因素,高原中东部冬虫夏草产区的年日照时数和年日照量分别为2 500 h和60%左右[18]。李黎等[23]详细描述了光照对冬虫夏草发育的影响:一是光照不足会抑制子座和子囊的正常发育。避光条件下,冬虫夏草子座露土后以日均0.4 mm的速度生长,36 d后降到0.06 mm,一般经70 d后便停止生长,也不产生子囊和子囊孢子;二是光照时间和强度会影响冬虫夏草子座外部形态和生长发育。光照强,时间长,子座生长缓慢但形体粗壮,反之则子座陡长而细长;三是强紫外线辐射能抑制子座陡长,提高子囊孢子的萌发率。在海拔4 000 m高山的较强紫外线照射下,冬虫夏草子座平均高度为40.1 mm,而滤去部分紫外线后子座的高度增加至42.5 mm;四是经紫外线照射后子囊孢子的的萌发率显著提高。

3 寄主钩蝠蛾属昆虫的系统分类与地理分布

近期,中山大学张古忍等以蝠蛾属昆虫的雄性生殖器抱器瓣结构为依据,对国内蝠蛾属原分类系统进行了修订和重新划分,现行蝠蛾属60个种分别归入拟蝠蛾属(parahepialus)、无钩蝠蛾属(ahamus)、蝠蛾属(hepialus)及钩蝠蛾属(thitarodes)等4个属中,其中拟蝠蛾属1种、无钩蝠蛾属18种、蝠蛾属1种和钩蝠蛾属40种[24,25]。

中国已发现的钩蝠蛾属达40种,主要分布于青藏高原的高寒灌丛草甸和高寒草甸区域。青藏高原复杂的地形地貌和独特的生态条件为钩蝠蛾昆虫提供了丰富的栖息环境,也在客观上为钩蝠蛾种质形成和种群分化创造了重要条件;同时,钩蝠蛾飞翔迁移能力较弱,限制了种群之间的基因交流和融合。因此,钩蝠蛾种群在长期的进化进程中因生境地的片段化和特殊性而逐步分化,促进了多样化的新种形成。据此推测,分布在青藏高原的钩蝠蛾种类应该远多于已知的40种,只是因为高原上环境极端恶劣、人迹罕至,尚未被发现和鉴定。

4 钩蝠蛾属昆虫的发育生物学习性

钩蝠蛾属昆虫的世代发育包括卵、幼虫、蛹和成虫4个阶段,完成一个世代通常需要3~4年或5年以上,依不同区域而有差异,并具有明显的世代交替现象。在气候温和的中低海拔地区和高原南部地区,需要3~4年时间;而在气候寒冷的高海拔地区和高原北部,钩蝠蛾发育周期较长,达5以上。成虫6~7龄产卵,一般每只雌蛾产卵500粒左右,孵化率约为80%,与当地当时的气候环境有关。幼虫6~8龄,需2~4年才能化蛹,具体时间因种而异,如贡嘎钩蝠蛾875~1 040 d、康定钩蝠蛾约1 000 d、玉树钩蝠蛾约996 d、蒲氏钩蝠蛾约970 d,且终年均可在冬虫夏草产区内挖到不同龄期的幼虫。每年5月下旬部分幼虫形成蛹,6~8月羽化为成虫,成虫多在17:00~20:00羽化,交配在天黑时分进行,经历2~3 h,交配后的雌蛾立即边扑动边将卵散产于附近几平方米的草丛中[26]。 幼虫期是钩蝠蛾属昆虫历时最长的一个发育阶段,共有6~8个龄期,根据钩蝠蛾属昆虫种类的不同,历期3~5年不等。幼虫土栖,聚集分布,分散活动,营地下隧道式穴居生活,杂食性,以植物嫩根为主要食物[2]。初孵幼虫体长一般不超过2 mm,具有吐丝习性,在5~25 cm深的土层中活动,以15 cm时密度最大。幼虫适宜的土壤温度为5~10 ℃,湿度为40%~50%,并会随环境温湿度的改变而上下迁移,但横向活动的范围有限[26]。

5 钩蝠蛾属昆虫的食性及食料植物

幼虫是钩蝠蛾属昆虫世代中惟一取食的发育阶段,而关于其食性的研究很早就引起人们的重视。首先是陈泰鲁等[27]在康定鸭脚根的山坡上挖到一块有幼虫啃食痕迹的珠芽蓼地下茎,并通过室内饲养,第一次证实虫草钩蝠蛾采食珠芽蓼,并揭示了虫草钩蝠蛾幼虫系植食性。

钩蝠蛾幼虫一般偏好当年生的植物嫩根,较少取食多年生老根,并且取食的植物种类随海拔和植被差异而不同[28]。而钩蝠蛾幼虫取食的植物种类也与其虫龄存在一定关系,例如钩蝠蛾初孵幼虫主要取食根茎入土较浅的植物种类,随龄期增大,幼虫的活动范围逐渐加深,随之取食入土较深的植物[29]。

其中,关于蒲氏钩蝠蛾的食性研究较为系统全面,中山大学的研究人员经过近3年的原位跟踪研究,获得了以下结论:①蒲氏钩蝠蛾为植食性昆虫,且取食植物种类多样,以嫩根为主;②可取食青藏高原蒲氏钩蝠蛾适生地高寒灌丛区几乎所有草本植物和灌木的地下嫩根,隶属于15科23属;③蒲氏钩蝠蛾幼虫对食料植物具有偏好性,喜食植物主要有高原毛茛、大萼蓝钟花、甘川灯心草、拉萨长果婆婆纳等;④栖息环境影响蒲氏钩蝠蛾幼虫对食物的选择,蒲氏钩蝠蛾幼虫的龄期对取食偏好影响较小;⑤在蒲氏钩蝠蛾肠道内含物中检测到中国被毛孢,表明蒲氏钩蝠蛾的食性与冬虫夏草的发生机理之间或许存在某种关联性[26]。

青藏高原中、东部地区高寒牧区是冬虫夏草的核心分布区,该区域自然条件极端恶劣,自然灾害频繁,农牧民生产生活条件十分艰苦,收入水平低,是集中连片的贫困地区,采挖冬虫夏草是该地区农牧民收入的主要来源之一,近十年来,全球气候变暖、掠夺式采挖及其他各种因子的综合影响,已严重破坏高寒牧区冬虫夏草适生地的植被和钩蝠蛾属昆虫的生存环境,导致高寒草甸荒漠化加剧、冬虫夏草及其寄主昆虫的适生地范围萎缩、冬虫夏草资源蕴藏量急剧下降[30,31],因此认识和保护高原生态环境对促进冬虫夏草资源的可持续利用具有十分重要的作用。然而,由于青藏高原自然环境恶劣,人迹罕至,极大地阻碍了科学考察和生态调查工作的开展,导致冬虫夏草的生理生态学研究相对滞后和缺乏连续性,这也应该成为今后冬虫夏草研究的重点。

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