一种基于3D高斯分裂方法的无人机正射影像生成技术，该方法结合了确定性结构敏感自适应密度控制机制 作者：柯岩、王辉、李竹欣、王玉婷、李硕、王立勇

《Remote Sensing》：A 3D Gaussian Splatting Method with Deterministic Structure-Sensitive Adaptive Density Control for UAV Orthophoto Generation Ke Yan, Hui Wang, Zhuxin Li, Yuting Wang, Shuo Li and Liyong Wang

　　摘要：硅（Si）的积累是草本植物中一种普遍存在的抵御食草动物的防御机制，然而对于昆虫如何对抗硅化作用，包括通过补偿性进食来应对，以及硅引起的植物化学成分变化是否也会影响食草动物的行为，目前了解甚少。我们研究了硅补充如何改变两种具有不同硅积累策略的草本植物——短柄草（Brachypodium distachyon，高积累型）和羊茅（Lolium arundinaceum，中等积累型）的叶片中硅、碳（C）、氮（N）和磷（P）的含量，并探讨了这对菜青虫（Helicoverpa armigera）的生长和取食行为的影响。实验中，这些植物被水培栽培，其中一部分添加了硅，另一部分没有。研究人员测量了食草动物的相对生长率（RGR）、相对消耗量（RC）以及食物转化效率（ECI）。结果显示，硅补充对短柄草的影响比对羊茅的影响更为显著：短柄草的RGR下降了126%，而羊茅仅下降了40%。在添加了硅的羊茅上，食草动物的相对消耗量增加，且这一增加与叶片中的硅含量呈正相关；但在短柄草上并未观察到补偿性进食现象。在羊茅中，氮和磷的含量与RGR呈正相关；而在短柄草中，氮和磷的含量与ECI呈正相关。总之，草本植物中硅的积累程度不仅影响其自身的化学成分，还会对食草动物的取食策略产生显著影响。

1. 引言
植物通过多种物理和化学防御机制来抵御食草动物的侵害，这一现象常被认为是“为什么世界是绿色的”原因之一[1]。理解这些防御机制以及食草动物如何试图克服它们，在从作物保护（每年因害虫造成的损失可超过15%[2]）到进化生物学等多个领域都具有重要意义。草本植物（Poaceae）在自然和农业系统中都占据关键地位，包括许多牧草品种和谷物作物。例如，仅三种主要谷物作物就提供了人类所需热量的42%[3]。许多草本植物主要依赖硅（Si）作为抵御食草动物的防御手段[4,5]，它们从土壤中吸收硅并将其沉积在各种植物组织中[6]。硅化的植物组织对节肢动物具有磨损作用，会损害它们的口器，抑制取食，并减少摄入后的营养吸收[7,8]。此外，硅的积累可能增强植物次生代谢产物的防御功能，从而增强其他类型的防御作用[9,10]，甚至包括招募害虫的天敌[11,12]。硅的积累还会导致植物组织中碳（C）、氮（N）和磷（P）的比例发生改变[6]。总体而言，硅的积累会导致植物中的碳含量下降[13]，而氮和磷的含量在添加硅的情况下可能会有所增加、减少或保持不变[14,15,16,17]。由于氮通常是昆虫食草动物饮食中的限制性营养素[18]，而磷也越来越被认为是一种重要的营养成分[19]，因此硅引起的这些营养素的变化也可能影响昆虫食草动物的表现。

尽管许多研究表明硅的积累会对昆虫食草动物的表现产生负面影响，但大多数研究只关注了有限的性能指标。一项元分析[20]探讨了硅防御对食草动物的影响，发现很少有研究测量取食行为，其中只有少数例外[8]。特别是，植物组织的相对消耗量（RC）和食物转化效率（ECI，即摄入食物转化为生物量的一部分）分别仅占测量结果的3%和2%[20]。然而，量化这些取食行为非常重要，因为许多昆虫食草动物会在遇到质量较差的宿主植物时采取补偿性进食策略（例如增加RC）[22]。这种情况下，即使在昆虫食草动物的表现（如相对生长率RGR）受到负面影响的情况下，加大对添加了硅的植物的取食量也可能对植物适应性产生净负面效应。相反，如果食物转化效率ECI仍然较低，即使食草动物进行了补偿性进食，其适应性仍可能受到负面影响。

本研究旨在通过探究在不同硅积累水平的草本植物（中等积累的羊茅[23,24,25]和高积累的短柄草[26,27,28,29,30]）中，硅积累如何影响一种广食性昆虫食草动物——棉铃虫（Helicoverpa armigera）的生长和取食行为，来填补这些知识空白。我们假设硅的添加会抑制这两种植物上H. armigera的RGR和ECI，且在高积累的短柄草上的抑制效果更为明显。我们进一步推测，在添加了硅的羊茅上，食草动物的RC会增加，这反映了补偿性进食行为；但在短柄草上由于硅化程度较高，这种现象不会发生。根据硅添加对氮和磷含量的影响，这可能还会对食草动物的表现产生进一步影响。

2. 结果
2.1. 植物元素化学成分
两种植物之间的元素化学成分存在显著差异（图1；表S1），硅的添加也影响了我们测量的所有元素（表S1）。预期的是，硅的添加增加了两种植物中的硅含量，但在短柄草中的增加幅度更大（图1A；表S1）。总体而言，硅的添加降低了叶片中的碳含量（表S1），这主要是由于短柄草中的碳含量下降了7.1%，而羊茅中的下降幅度仅为0.6%（图1B）。在两种植物中，硅的添加都降低了叶片中的氮含量（图1C；表S1）。硅的添加在两种植物中都以类似的程度降低了磷含量（图1D）。硅的添加略微增加了羊茅中的碳氮比（C:N），但在短柄草中则没有（图1E），这主要是由于硅对短柄草中碳含量的影响更大。在羊茅中，碳磷比（C:P）随着硅的添加而上升（图1F）。由于碳、氮和磷含量在短柄草中的增加更为显著，短柄草中碳、氮、磷与硅含量的比值（图1G、图1H和图1I）也显著高于羊茅（图1G、图1H和图1I）。图1显示了硅添加（阴影条形图）对羊茅（标记为Lolium）和短柄草（标记为Brachypodium）叶片化学成分的影响。虚线代表平均值；实线表示包含中位数。图表显示了（A）硅、（B）碳、（C）氮和（D）磷的叶片含量（%干重），以及相应的元素比值（E）C:N、（F）C:P、（G）Si:C、（H）Si:N和（I）Si:P。样本量：N = 17。两种植物整体以及每种植物单独添加硅（Si）之间的统计显著差异在图表上方标出（*** p < 0.001，** p < 0.01，* p < 0.05）。
2.2. 食草动物的生长和取食行为
总体而言，短柄草的相对生长率（RGR）低于羊茅（图2A；表S1）。硅的添加使短柄草的RGR下降了126%，而在羊茅中下降了40%（图2A；表S1）。当H. armigera取食添加了硅的羊茅时，其相对消耗量（RC）增加；而在短柄草上则没有（图2B；表S1）。硅的添加降低了昆虫将食物转化为生物量的能力，导致两种植物的ECI均下降了65%，但在没有添加硅的情况下，短柄草的ECI就已经比羊茅低45%（图2C；表S1）。图2显示了硅添加对H. armigera在羊茅和短柄草上取食行为的影响，包括（A）相对生长率（RGR，mg?1 mg?1 day?1）、（B）相对消耗量（RC）和（C）食物转化效率（ECI）。样本量：N = 16–17。两种植物整体以及每种植物单独添加硅（Si）之间的统计显著差异在图表上方标出（*** p < 0.001，** p < 0.01，* p < 0.05）。
2.3. 植物化学成分与食草动物反应之间的相关性
硅的添加与两种植物的RGR和ECI呈负相关（图3），并与羊茅中的RC呈正相关（图3A）。在羊茅中，叶片中的氮和磷含量与RGR呈正相关；在短柄草中，叶片中的碳含量与RGR和ECI也呈正相关（图3B）。这很可能反映了碳含量较高的植物含有较少的硅（见图2B）。

3. 讨论
本研究进一步证明了硅是一种强有力的植物防御机制，可以抵御昆虫食草动物[5,20]，但同时也表明硅的积累程度对食草动物的取食策略有不同影响。特别是，羊茅中较低的硅防御水平意味着食草动物可以增加取食量，以弥补硅导致的氮和磷含量的减少。相比之下，短柄草中叶片中硅含量的显著增加抑制了取食量的增加，尽管氮和磷含量的减少可能对食草动物有一定的补偿作用。在羊茅中，叶片中的氮和磷与RGR呈正相关，在短柄草中则与ECI呈正相关，这表明即使在硅防御存在的情况下，植物内部的营养可用性仍然起着重要作用。

3.1. 低硅积累植物上的相对消耗量增加
在两种植物中，硅的积累都显著降低了H. armigera的RGR，且两者之间存在负相关关系——硅积累越多，RGR的下降越明显。然而，在添加了硅的羊茅上，食草动物消耗的叶片组织量（RC）增加，且RC与叶片中的硅含量呈正相关。这很可能反映了补偿性进食行为，即食草动物需要消耗更多的植物生物量来获取足够的营养[22,31]。添加了硅的羊茅中的硅含量比短柄草少57%，因此在前者上可能更容易增加取食量。已有研究表明，沙漠蝗虫（Schistocerca gregaria[7]、美洲蝗虫（S. americana[32]）和稻叶卷叶虫（Cnaphalocrocis medinalis[33]）在添加了硅的植物上也会进行补偿性进食。此外，两项研究指出，非洲玉米螟（Spodoptera exempta[7]和秋粘虫（S. frugiperda[33]）在添加了硅的植物上没有表现出补偿性进食。这种差异主要归因于直翅目昆虫（如Schistocerca spp.）是广食性昆虫，能够增加对营养较差植物的取食量，而鳞翅目昆虫Spodoptera作为更专性的食草动物则无法做到这一点[7]。在本研究中，我们也使用了一种广食性食草动物（H. armigera），它像Schistocerca spp.一样能够在添加硅的情况下进行补偿性进食，但在高硅积累的植物上则无法做到。这表明宿主植物的硅积累策略以及食草动物的食谱广度共同决定了是否可以进行补偿性进食。

硅的添加还使羊茅中的碳氮比（C:N）增加了17%，在添加了硅的水稻（Oryza sativa）植物中也有类似现象，这也是稻叶卷叶虫（C. medinalis[33]增加取食量的主要原因之一[33]。因此，我们的结果与这一发现一致，因为硅的添加并未增加短柄草中的碳氮比，但增加了羊茅中的碳氮比。这种情况类似于在高浓度二氧化碳环境下植物碳氮比的普遍增加现象，元分析显示平均增加了11%[34]。这些变化与昆虫食草动物相对消耗量的平均增加17%相关[35]。

3.2. 不同硅积累水平对食草动物特征的不同影响
植物中硅积累与昆虫食草动物表现之间的负相关关系已被广泛报道，元分析表明，食草动物的表现平均下降了14–45%，具体取决于取食群体[20]。此外，多项研究报道了植物中硅（Si）浓度与相对生长率（RGR）之间存在直接的负相关关系[16,36,37]，尽管据我们所知，之前尚未有研究指出硅浓度与叶绿素含量（ECI）之间的这种关系。我们的结果表明，植物中的氮（N）和磷（P）对Helicoverpa armigera具有一定的正面影响，尤其是在L. arundinaceum中与RGR呈正相关，在B. distachyon中与ECI呈正相关，但这些效应被硅积累的负面影响所掩盖。氮的升高，以及在较小程度上磷的升高，通常通过增加昆虫生长所需的基质来提高其ECI[21]。氮直接支持蛋白质合成，而磷则支持ATP的产生和核糖体RNA的含量，从而降低昆虫组织构建的代谢成本[18,19]。这些营养物质在昆虫取食L. arundinaceum时对RGR有积极影响，在取食B. distachyon时对ECI有积极影响。这种差异可能反映出Helicoverpa armigera能够更好地适应L. arundinaceum中较低的硅含量（例如，较高的相对生长率（RC）），并更有效地获取营养物质用于生长。而在B. distachyon上的取食量非常低（在没有硅的情况下比在L. arundinaceum上低45％），这意味着即使昆虫体重的小幅增加也会导致ECI不成比例地增加。B. distachyon中的碳（C）浓度与Helicoverpa armigera表现之间的正相关很可能表明，那些硅含量最低的植物（即未补充硅的植物）具有最高的碳浓度。

**3.3 实验考虑因素**
虽然植物的硅防御机制很大程度上依赖于组织的物理强化（例如叶片毛状结构和刺细胞）[38]，尤其是在当前的实验系统中[27,28]，但硅的积累也可能与次生代谢产物的防御机制有关[39,40]。虽然被剪切下来的叶片材料中已经存在 constitutive 的次生代谢产物防御机制，但从主植物中产生的任何诱导防御机制无法传递到被剪切的叶片上。实际上，硅的防御机制可以在取食后迅速被诱导[41,42,43]，因此这里报告的硅补充效果可能 underestimate 了完整植物中的实际情况。例如，在当前的研究中，补充硅和未补充硅的B. distachyon植物的相对生长率相似，这与Waterman等人的研究[29]结果相反，他们发现取食补充硅的B. distachyon会导致取食量下降。Waterman等人的研究是在原位进行的，这可能解释了这种差异。另一种可能是，Waterman等人[29]是基于叶片损伤的视觉估计来计算取食量的，而不是基于相对生长率（RC），因此结果并不完全可比。相对生长率和叶绿素含量的计算只能通过离体实验来完成，因为需要确定被消耗的植物质量；而在原位实验中无法准确测量初始质量。

**3.4 结论**
在本研究中，补充硅的L. arundinaceum的相对生长率增加了33％，表明在硅富集条件下植物可能会遭受严重的损伤。在害虫管理方面，补充硅可能会减少害虫的相对生长率，但这些好处可能会因植物损伤程度的增加而减弱。尽管如此，补充硅可以使得植物能够容忍更高水平的害虫侵害[44,45]，而较慢的害虫生长率可能会延长它们受到捕食和寄生的时间[46,47]。事实上，一些研究表明，取食补充硅的植物会使昆虫更容易受到天敌的攻击，原因包括吸引力的增加[11,12]、免疫反应的削弱[23,45]或伪装能力的降低[48]。这些研究以及早期的报道激发了对使用硅肥促进昆虫害虫生物控制的兴趣[49,50]。总之，虽然预期补充硅应该能阻止取食并减少相对生长率[26,51,52,53]，但我们的结果以及其他研究[7,32,33]表明，某些广食性昆虫实际上可能会对补充硅的植物造成更大的取食损害。然而，在本研究中，我们发现这种情况只发生在硅防御机制不强的植物上。

**4. 材料与方法**
**4.1 植物生长和实验设计**
紫假剪股颖（Brachypodium distachyon；Bd21-3）和高羊茅（Lolium arundinaceum；cv. INIA Fortuna）的种子分别来自法国国家农业研究所（INRA）和新西兰Palmerston North的Margot Forde种质中心。这两种植物均在水培条件下栽培，采用Jung等人[54]的方法进行改良，随后由Hall等人[26]进一步描述。种子先在水中浸泡2小时以软化稃片和内稃，然后用钳子去除。表面消毒使用含有0.9％次氯酸钠和0.1％Triton X-100的溶液进行30分钟处理，之后用无菌水多次冲洗。消毒后的种子被放置在对半浓度的营养液中，并在4°C下进行冷层积处理三天，之后生长14天以确保 uniform 发育，每个培养杯中种植三株幼苗。水培系统由两个嵌套的一次性杯子组成，每个杯子内装有定制切割的泡沫盘，用于支撑植物（见图S1[26]）。每个杯子中加入约330毫升根据Hall等人[26]配制的全浓度营养液。每种植物共使用了34个培养杯，随机分配为补充硅组（+Si，N = 17）或未补充硅的对照组（-Si，N = 17）（图4）。硅的处理方法如[26]所述，通过向营养液中添加液态硅酸钾（K2SiO3；Agsil32；PQ Australia，澳大利亚阿德莱德）来完成，浓度相当于2 mM SiO2，使用HCl调节pH值至5.5以减少硅酸盐的聚合[55]。对照组（-Si）通过添加KCl来平衡钾和氯的摄入量，pH值同样使用HCl调节至5.5。实验杯子在生长室内随机排列，营养液每周更换一次。

**4.2 植物元素分析**
对每株植物的叶组织进行了元素分析（图4A）。叶硅含量通过将约100毫克细磨的叶组织装入样品杯中，并使用能量色散X射线荧光仪（Epsilon 3x，Malvern Panalytical，英国伍斯特郡）进行分析。测量过程遵循Reidinger等人[56]所述的程序和校准标准。对于元素分析，我们使用FLASH EA 1112 CHN分析仪（Thermo Fisher Scientific，美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）通过燃烧分析确定叶中的氮（N）和碳（C）浓度，方法如之前所述[57]。

**4.3 昆虫取食实验**
为了评估硅补充对Helicoverpa armigera幼虫表现的影响，我们采用了Slansky[58]的方法，并结合Massey[7,8]和Hall[26]的描述进行了取食效率实验。第三方龄幼虫（由CSIRO Agriculture & Food提供）在人工饲料上饲养24小时后被禁食，并在转移到含有预先称量的新鲜叶组织的封闭Petri盘之前进行称重（图4C）。幼虫在24°C下饲养72小时后再次禁食24小时以便排出粪便，然后再进行称重。Petri盘中的剩余叶组织在40°C下烘干并称重。从同一株植物中收集的叶样品的水分含量用于将草的初始新鲜质量转换为干质量（图4B）[7]。仅含有切割叶片段的Petri盘用于计算实验期间叶组织的自然水分损失（图4D）[26]。量化了三个害虫表现参数：相对生长率（RGR）、相对消耗量（RC）和食物转化效率（ECI）。相对生长率定义为相对于初始体重的体重增加量，计算公式如下：
RC = (W2 - W1) / t2 - t1，其中W1是初始体重，W2是最终体重，t2 - t1是取食时间（天）。
食物转化效率（ECI）表示摄入食物转化为生物量的比例，计算公式为：ECI = （幼虫最终新鲜体重（mg）增加量）/ 摄入食物的干质量（mg）× 100。

**4.4 统计分析**
使用双向方差分析（ANOVA）分析了硅补充对植物和昆虫响应变量的影响（见表S1），其中植物种类、硅补充及其交互作用作为固定因素。由于除相对消耗量（RC）外，所有变量在植物种类之间存在显著差异，因此对每种植物分别进行了单因素ANOVA分析，硅补充作为唯一固定因素。在校正水分损失后（第4.3节），一个RC值和两个食物转化效率（ECI）估计值超出了生物学合理范围，因此被排除在进一步分析之外。通过观察残差图和分位数图来评估同方差性和正态性的假设。使用Pearson相关性分析来检验植物元素组成与昆虫表现指标之间的关系。所有分析均在Genstat v. 24（VSN International Ltd.，英国Hemel Hempstead）中进行。

**补充材料**
以下支持信息可下载自：https://www.mdpi.com/article/10.3390/plants15091380/s1
表S1：比较不同草类对硅补充反应的ANOVA结果（双向ANOVA）以及针对每种草类的单独分析（单向ANOVA）。结果显示为粗体，其中p < 0.05。