《生态与环境》配套PPT电子课件

《生态与环境》配套PPT电子课件,生态与环境,生态,环境,配套,PPT,电子,课件 第第11讲讲 化学生态学化学生态学沈显生沈显生中国科学技术大学生命科学学院中国科学技术大学生命科学学院主要内容主要内容一一、化学生态学的研究历史化学生态学的研究历史二二、植物的次生化学物质植物的次生化学物质三三、昆虫与植物的关系昆虫与植物的关系四、他感作用与植物抗性四、他感作用与植物抗性一、化学生态学的研究历史一、化学生态学的研究历史1931年，年，Thomas Mann 所著所著Magic Mountain 中叙述中叙述经常有人在经常有人在Anitaris toxicaria 树下休息时，不经意地树下休息时，不经意地沉沉睡去。发现其叶子分泌毒雾含有强心苷。沉沉睡去。发现其叶子分泌毒雾含有强心苷。许多植物具毒，或具挥发性物质。在印度，美洲地锦许多植物具毒，或具挥发性物质。在印度，美洲地锦Euphorbia maculata不仅果实有毒，而且枝条汁液有不仅果实有毒，而且枝条汁液有腐蚀性，灼伤皮肤，不易愈合。漆树的过敏源物质。腐蚀性，灼伤皮肤，不易愈合。漆树的过敏源物质。化学生态学化学生态学概念概念化学生态学化学生态学研究生物之间，或生物界与无机研究生物之间，或生物界与无机界之间的化学联系及其分子机制的科学。属于化界之间的化学联系及其分子机制的科学。属于化学、生物学和生态学的交叉学科。学、生物学和生态学的交叉学科。1970 1970 美国的美国的Sondheimer出版第一本出版第一本化学生态学化学生态学。19751975国际国际化学生态学杂志化学生态学杂志出版。出版。化学生态学所涉及的理论与学科化学生态学所涉及的理论与学科生态学生态学和和进化论进化论是理论基础；是理论基础；分析化学分析化学是技术手段；是技术手段；基础学科：动物学、植物学、微生物学、昆虫学等传统基础学科：动物学、植物学、微生物学、昆虫学等传统学科，以及生物化学、分子生物学、生理学、行为学、学科，以及生物化学、分子生物学、生理学、行为学、毒理学等。毒理学等。国内化学生态学的发展国内化学生态学的发展我国我国2020世纪世纪8080年代中期，开展化学生态学研究。年代中期，开展化学生态学研究。棉铃虫防治，森林害虫防治等；棉铃虫防治，森林害虫防治等；农药污染，海域污染，水体污染，土壤修复等；农药污染，海域污染，水体污染，土壤修复等；阎凤鸣，化学生态学，科学出版社，2003二、植物的次生化学物质二、植物的次生化学物质植物体产生的能够起到防御、刺激和吸引作用的各种植物体产生的能够起到防御、刺激和吸引作用的各种化学物质。区别于基础代谢物质。化学物质。区别于基础代谢物质。植物的化学组成，在时间上和空间上都是各不相同的，植物的化学组成，在时间上和空间上都是各不相同的，是异质的。植物具有物理的、化学的、发育上的有效是异质的。植物具有物理的、化学的、发育上的有效抗性机制。抗性机制。次生化学物质，又称次生代谢物质（常误认为是代谢次生化学物质，又称次生代谢物质（常误认为是代谢废物）：含氮化合物、萜类、酚类、炔类。废物）：含氮化合物、萜类、酚类、炔类。生物界的信息联系生物界的信息联系1 1、植物与植物间的信息、植物与植物间的信息 （1 1）自毒作用）自毒作用 （2 2）他感作用）他感作用 （3 3）诱导作用）诱导作用寄生生物与宿主之寄生生物与宿主之2 2、动物间信息联系、动物间信息联系（例如，响蜜鴷和食蜜獾；寄生吸虫对宿主蜗牛的壳厚度可（例如，响蜜鴷和食蜜獾；寄生吸虫对宿主蜗牛的壳厚度可进行调节）进行调节）生物界信息联系（续）生物界信息联系（续）3 3、植物与动物间的信息、植物与动物间的信息（1 1）机械防御（棘，刺，腺毛）机械防御（棘，刺，腺毛）（2 2）化学引诱）化学引诱 （3 3）色彩引诱）色彩引诱 （4 4）味觉防御）味觉防御4 4、神奇高效的化学信号、神奇高效的化学信号性需求、追踪、报警、谋杀性需求、追踪、报警、谋杀（MonomoriumMonomorium santschiisantschii控制寄生工蚁杀死蚁后，控制寄生工蚁杀死蚁后，BothriomyrmexBothriomyrmex自己亲自动手杀蚁后自己亲自动手杀蚁后昆虫社会昆虫社会）生物界中的信息网络生物界中的信息网络酯酯 类类主要是主要是6 6碳化合物碳化合物三、昆虫与植物的关系三、昆虫与植物的关系1 1 植物与昆虫关系的作用性植物与昆虫关系的作用性2 2 昆虫对植物危害程度到底有多大？昆虫对植物危害程度到底有多大？3 3 植食性昆虫的数量植食性昆虫的数量4 4 寄主植物的分化寄主植物的分化5 5 植食性昆虫可算得上分类学家植食性昆虫可算得上分类学家许多昆虫的食谱很宽许多昆虫的食谱很宽昆虫的食谱是随环境资源而变化的，野外考察发现，如今昆虫的食谱是随环境资源而变化的，野外考察发现，如今的昆虫竟敢食用博落逥，看来生物农药是没有发展前途了。的昆虫竟敢食用博落逥，看来生物农药是没有发展前途了。请见续表请见续表(一一)昆虫对寄主植物的选择和利用昆虫对寄主植物的选择和利用1.1.昆虫对植物的选择昆虫对植物的选择选择过程选择过程3 3阶段：寻找阶段：寻找-定向阶段；降落着陆阶定向阶段；降落着陆阶段；接触评价阶段。段；接触评价阶段。2.2.昆虫对植物的利用：昆虫对植物的利用：行为适应行为适应避毒避毒生理适应生理适应储毒储毒生化适应生化适应解毒解毒（二）昆虫与花的关系（二）昆虫与花的关系共生关系共生关系花的恒定性花的恒定性花的识别（昆虫独特的识别方法）花的识别（昆虫独特的识别方法）传粉的能量消耗传粉的能量消耗植物的植物的“奖励奖励”策略策略信息物质（膜翅目昆虫对花的信息物质反应敏感；信息物质（膜翅目昆虫对花的信息物质反应敏感；自己留下信息物质告诉同伴）自己留下信息物质告诉同伴）昆虫在花（簇）中的运动昆虫在花（簇）中的运动植物个体间的竞争植物个体间的竞争协同进化协同进化（三）次生物质在（三）次生物质在3 3级营养关系中的作用级营养关系中的作用三级营养关系三级营养关系寄主植物寄主植物植食性昆虫植食性昆虫天敌；昆虫天敌；昆虫微生物微生物植物。植物。次生物质在植物次生物质在植物植食者植食者天敌关系中的关系天敌关系中的关系（1 1）互利素）互利素synomonesynomone对释放者和接受者都有利；植物产生互利素，植对释放者和接受者都有利；植物产生互利素，植食者产生互利素。食者产生互利素。（2 2）同抗素）同抗素antimoneantimone该物质对接受者产生的反应，对释放者和接受者该物质对接受者产生的反应，对释放者和接受者都不利；都不利；（3 3）利他素）利他素kairomonekairomone对释放者不利，而对接受者有利；分为：对释放者不利，而对接受者有利；分为：植物产生的，植食者产生的，捕食者产生的。植物产生的，植食者产生的，捕食者产生的。（4 4）利己素）利己素allomoneallomone对释放者有利，对接受者不利。分为：植对释放者有利，对接受者不利。分为：植物产生的，植食者产生的，捕食者产生的。物产生的，植食者产生的，捕食者产生的。（四）植物（四）植物微生物微生物-昆虫关系昆虫关系次生物质在植物次生物质在植物微生物微生物-昆虫关系中的作用昆虫关系中的作用 （1 1）微生物在三级关系中的重要性；）微生物在三级关系中的重要性；（2 2）次生物质对植物）次生物质对植物微生物微生物-昆虫关系的影响昆虫关系的影响 a a微生物和昆虫的关系微生物和昆虫的关系共生；致病共生；致病 b b植物和微生物的关系植物和微生物的关系共生；致病共生；致病植物植物微生物微生物-昆虫关系例子：昆虫关系例子：杨树、柳树杨树、柳树蚜虫蚜虫土壤微生物土壤微生物槲栎槲栎蛾蛾虫草菌虫草菌胡杨胡杨尺護尺護四、他感作用与植物抗性四、他感作用与植物抗性（一）植物他感作用（一）植物他感作用（allelopathyallelopathy）定义：定义：Rice(1984):Rice(1984):一种植物产生的化学物质，释放到环境一种植物产生的化学物质，释放到环境中，对另一种植物产生了直接或间接的影响。中，对另一种植物产生了直接或间接的影响。他感作用的机制：苯丙烷、多聚乙酰、类萜类、甾类、生物他感作用的机制：苯丙烷、多聚乙酰、类萜类、甾类、生物碱。碱。他感作用在自然与人工生态系统中的意义：他感作用在自然与人工生态系统中的意义：（1 1）农业；）农业；（2 2）林业；（）林业；（3 3）农林系统；（）农林系统；（4 4）植被模式；（）植被模式；（5 5）植被演）植被演替。替。（二）植物的抗性功能（二）植物的抗性功能19621962年，美国的年，美国的RyanRyan和和KentKent发现马铃薯提取液，可抑发现马铃薯提取液，可抑制胰蛋白酶的活性，但不稳定，这些物质在马铃薯中制胰蛋白酶的活性，但不稳定，这些物质在马铃薯中有时存在，而有时则无。无法解释。有时存在，而有时则无。无法解释。19721972年，他们推测，这些物质是受到环境调节的，并年，他们推测，这些物质是受到环境调节的，并且对植物防御系统有作用。且对植物防御系统有作用。19721972年，年，RyanRyan在在科学科学报道：马铃薯甲虫伤害马铃报道：马铃薯甲虫伤害马铃薯叶片，可以引起蛋白酶抑制剂的快速积累。这种反薯叶片，可以引起蛋白酶抑制剂的快速积累。这种反应结果，可通过刀或锥子破坏叶片来获得。从此，人应结果，可通过刀或锥子破坏叶片来获得。从此，人们关注植物的抗性问题。们关注植物的抗性问题。植物抗性的类型植物抗性的类型植物的化学成分和组成，不但受无机环境的影响，植物的化学成分和组成，不但受无机环境的影响，而且受机械损伤和取食者伤害的影响，从而诱导产而且受机械损伤和取食者伤害的影响，从而诱导产生出一些抗性物质。生出一些抗性物质。植物除了具有植物除了具有“常规抗性系统常规抗性系统”外，还具有外，还具有“诱导诱导抗性系统抗性系统”，诱导出的次生物质主要是碳氢化合物、，诱导出的次生物质主要是碳氢化合物、蛋白酶抑制剂、与抗性有关的植物激素。蛋白酶抑制剂、与抗性有关的植物激素。诱导反应与诱导抗性诱导反应与诱导抗性诱导反应诱导反应植物受到伤害时体内所发生的化学变化。这具有可植物受到伤害时体内所发生的化学变化。这具有可塑性，非遗传的。塑性，非遗传的。诱导抗性诱导抗性植物对外部刺激发生反应增强抵抗力，其中可降低植物对外部刺激发生反应增强抵抗力，其中可降低植食者存活率、生殖率或偏好性的诱导反应，叫诱导抗性。外部植食者存活率、生殖率或偏好性的诱导反应，叫诱导抗性。外部刺激叫诱导因子。刺激叫诱导因子。实验证明：棉花受机械伤害时，从受伤部位释放萜类和绿叶挥发实验证明：棉花受机械伤害时，从受伤部位释放萜类和绿叶挥发性物质；当受到红蜘蛛取食时，除了上面的两种物质外，还释放性物质；当受到红蜘蛛取食时，除了上面的两种物质外，还释放许多挥发性物质。许多挥发性物质。短期诱导反应短期诱导反应可在短期内消失，如葫芦素、呋喃香豆素、强可在短期内消失，如葫芦素、呋喃香豆素、强心苷等。心苷等。长期诱导反应长期诱导反应长期产生并保留抗性，但耗能量多。长期产生并保留抗性，但耗能量多。植物诱导的特异性植物诱导的特异性信息的特异性信息的特异性桦树叶产生酚，根据信息种类有变化。幼虫咬桦树叶产生酚，根据信息种类有变化。幼虫咬后酚最高；蘸虫唾液的刀伤后，含量次之；洁净刀刺激后最少。后酚最高；蘸虫唾液的刀伤后，含量次之；洁净刀刺激后最少。诱导反应的特异性诱导反应的特异性通过对刺激的识别，在质和量上作出特定通过对刺激的识别，在质和量上作出特定反应。这种对不同信息作出不同反应叫特异性。反应。这种对不同信息作出不同反应叫特异性。效果的特异性效果的特异性一种诱导产物只一种刺激物有效果；抗病原微一种诱导产物只一种刺激物有效果；抗病原微生物的，对昆虫无效。生物的，对昆虫无效。植食者对其适应性的特异性植食者对其适应性的特异性昆虫对诱导反应的反适应机制。昆虫对诱导反应的反适应机制。特异行为：切断叶脉；远离叶脉；先放出汁液；储存毒物（金斑特异行为：切断叶脉；远离叶脉；先放出汁液；储存毒物（金斑蝶蝶马利筋的强心苷）；解毒转化（凤蝶马利筋的强心苷）；解毒转化（凤蝶花椒毒素花椒毒素通过细胞通过细胞色素色素P450P450解毒）等。解毒）等。植物诱导抗性的机制植物诱导抗性的机制1.1.植物中心学说：植物对植食者的诱导抗性必须与植物植物中心学说：植物对植食者的诱导抗性必须与植物生长联系在一起。（防止进一步伤害，修复组织）生长联系在一起。（防止进一步伤害，修复组织）2.2.与昆虫与昆虫“搜寻搜寻”有关的诱导抗性有关的诱导抗性植物通过改变形植物通过改变形态、生殖器官性别比例、挥发性物质的量、机械干扰等，态、生殖器官性别比例、挥发性物质的量、机械干扰等，主动逃避伤害。主动逃避伤害。3.3.与昆虫与昆虫“接受接受”有关的诱导抗性有关的诱导抗性在俘获、摄取、在俘获、摄取、消化过程中，想让昆虫放弃。消化过程中，想让昆虫放弃。4.4.间接诱导抗性间接诱导抗性受伤植物把植食者的天敌吸引来。受伤植物把植食者的天敌吸引来。黄金树叶片受伤后，增加花蜜的分泌。黄金树叶片受伤后，增加花蜜的分泌。诱导化学物质的机制诱导化学物质的机制1.1.诱导信号物质诱导信号物质茉莉素（茉莉素（1818碳代谢途径）碳代谢途径）2.2.采用采用“预存预存”或或“活化活化”方法方法预存是事先合成，储备待用预存是事先合成，储备待用（解决自毒问题）；活化是先合成前体，用是活化即可。（解决自毒问题）；活化是先合成前体，用是活化即可。3.3.事实举例事实举例（1 1）尼古丁的运输控制）尼古丁的运输控制在根合成，通过木质部运到枝叶；未在根合成，通过木质部运到枝叶；未伤时体内含伤时体内含1%1%以下，伤后增加以下，伤后增加1010倍以上。倍以上。（2 2）蛋白酶抑制剂的合成控制）蛋白酶抑制剂的合成控制受伤后释放系统素（受伤后释放系统素（1818个氨基个氨基酸），激活基因。干扰昆虫消化酶。酸），激活基因。干扰昆虫消化酶。（3 3）植物抗毒素的合成与更新）植物抗毒素的合成与更新反复利用，合成后又分解，节反复利用，合成后又分解，节省能量。省能量。植物诱导抗性的代价植物诱导抗性的代价植物防御是有代价的，直接代价植物防御是有代价的，直接代价用于防御物质的合成、储存用于防御物质的合成、储存所消耗能量；间接代价所消耗能量；间接代价用于防御产物的分配。用于防御产物的分配。植物必须将有限的资源分配给生长、繁殖、防御。常规防御是植物必须将有限的资源分配给生长、繁殖、防御。常规防御是耗能量的，而诱导防御是需要时，才耗用能量。耗能量的，而诱导防御是需要时，才耗用能量。关于植物疫苗：关于植物疫苗：西红柿西红柿接种花叶病毒疫苗，可免遭西红柿花叶病毒的危害。接种花叶病毒疫苗，可免遭西红柿花叶病毒的危害。黄瓜黄瓜接种接种“卫星卫星DNADNA”，预防了黄瓜花叶病毒。（由于许，预防了黄瓜花叶病毒。（由于许多用于疫苗的诱导生物不能天然大量繁殖而受限制。）多用于疫苗的诱导生物不能天然大量繁殖而受限制。）化学生态学的研究热点和趋势化学生态学的研究热点和趋势1.1.化学感受机制化学感受机制2.2.昆虫信息素昆虫信息素3.3.植物与昆虫的关系植物与昆虫的关系4.4.植物他感作用植物他感作用5.5.植物诱导抗性（除草剂？）植物诱导抗性（除草剂？）6.6.三级营养关系三级营养关系7.7.海洋生态系统化学生态学海洋生态系统化学生态学8.8.转基因植物化学生态学转基因植物化学生态学