蘆 屹, 李 晶, 王佩玲

(1.石河子大學農學院植物保護系,石河子 832003;2.新疆維吾爾自治區(qū)植物保護站,烏魯木齊 830006)

棉黑蚜為害誘導棉花抗蚜性的研究

蘆 屹1,2, 李 晶2, 王佩玲1*

(1.石河子大學農學院植物保護系,石河子 832003;2.新疆維吾爾自治區(qū)植物保護站,烏魯木齊 830006)

本文對棉花苗期棉黑蚜為害誘導作用下,棉花蕾期受棉蚜為害程度、生理狀態(tài)和營養(yǎng)成分的變化進行了研究。結果表明,棉黑蚜為害后的棉株再受棉蚜為害時,田間蚜量和受害程度明顯低于只受一次棉蚜為害的棉株,棉黑蚜―棉蚜為害處理較僅棉蚜為害處理棉株的抗生物質脯氨酸含量以及苯丙氨酸解氨酶、過氧化物酶、多酚氧化酶活性都顯著提高,氨基酸、氮含量有所下降。

棉花; 棉黑蚜; 棉蚜; 應激反應; 誘導抗蚜性

在新疆,棉黑蚜(Aphis atrataZhang)和棉蚜(A.gossypiiGlover)是為害棉花的兩種主要蚜蟲。棉黑蚜一般在5月上中旬開始進入棉田,主要在棉花苗期為害,棉蚜多發(fā)生在6月以后。棉黑蚜在新疆棉田常發(fā),一般棉黑蚜發(fā)生較重年份,棉蚜則發(fā)生輕。通常認為,棉黑蚜的發(fā)生可吸引大量天敵進入棉田,建立和培育棉田天敵昆蟲系統(tǒng),進而在后期控制棉蚜危害[1]。除此之外,棉花自身在受到害蟲取食為害后,也會在生理生化等方面作出一系列的適應性反應,如大量產生并積累對害蟲有防御效應的次生性抗蟲物質,或改變體內營養(yǎng)物質的含量等,從而抑制害蟲的為害。Karban和Harrison先后報道過棉葉螨刺吸棉苗可引起棉花產生誘導抗性,從而導致后期葉螨甚至其他害蟲的為害程度相對減輕[2-3]。劉旭明研究指出棉蚜的刺吸為害會影響棉株體內抗蚜物質的含量,誘導棉花產生抗蚜性從而降低蚜群密度[4]。從棉花對害蟲的誘導防御反應過程來分析,次生抗蟲物質形成積累前后,必然會發(fā)生次生物質合成基因表達及與次生代謝相關酶活性的變化。棉黑蚜為害棉花后棉株本身抗蚜性變化方面的研究在新疆尚屬空白。本文通過棉花苗期棉黑蚜刺吸為害引起的植株生理應激反應和部分營養(yǎng)物質的變化對蕾期棉蚜為害的影響進行了初步研究,并對植株本身誘導抗蚜性的變化作了探討。

1 材料和方法

1.1 供試棉花品種及蟲源

供試棉花品種為‘新陸早13號’(由石河子大學作物育種教研室提供),棉黑蚜、棉蚜采自春季農學院實驗站田間自然蟲源。

1.2 方法

1.2.1 田間試驗設計

試驗于2007年在石河子大學農學院實驗站9號網室中進行。4月23日鋪膜點播,播種時棉種不作任何藥劑處理,整個生育期內不噴施任何殺蟲劑,滴灌方式、管理措施與一般大田相同。試驗設置2個處理,1個對照。處理1:6月1日棉花苗期模擬大田棉黑蚜發(fā)生量接入棉黑蚜(每株3～4頭),6月20日棉花現(xiàn)蕾期模擬大田棉蚜發(fā)生量再次接種棉蚜(每株3～4頭),接種方式為搭葉接混合蚜,即棉黑蚜為害后的棉株再受棉蚜為害,以下稱為棉黑蚜―棉蚜為害處理;處理2:只于6月20日棉花現(xiàn)蕾期模擬大田棉蚜發(fā)生量接入棉蚜,即只受棉蚜為害,以下簡稱棉蚜為害處理;對照:棉花整個生育期未受蚜害。在棉花蕾期,根據(jù)國家抗蚜性鑒定的蚜害分級標準進行3次蚜害等級調查,調查時以全株受害最重葉片為標準葉。每處理調查120株,依據(jù)被害分級標準[5]統(tǒng)計各級株數(shù),計算蚜害指數(shù)。

試驗網室用80目篩網籠罩,處理1、處理2與對照之間均用80目篩網隔開,每處理1個小區(qū),每小區(qū)6行。每4行為一組覆膜,膜寬140 cm,實行寬窄行種植,行距為30-50-30 cm、株距10 cm,網室總面積48 m2。試驗過程中及時觀測各處理蚜蟲發(fā)生情況,在未接蚜蟲前,如發(fā)現(xiàn)蚜蟲及時清除。

1.2.2 樣品采集

當處理2中棉花發(fā)生中度卷葉時(7月3日棉花蕾期),分別采集處理1、處理2及對照棉株倒3葉葉片,先以液氮浸泡后,放入-70℃超低溫冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 棉花生理生化物質測定指標及方法

脯氨酸含量測定參照章文華的方法進行[6];苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性測定參照薛應龍的方法進行[7];過氧化物酶(POD)活性測定參照李合生的方法進行[6];多酚氧化酶(PPO)活性測定參照湯章城的方法進行[9]。

全氮含量(參考GB/T 17767.1-1999)用凱氏定氮法(FOSS2300瑞士全自動凱氏定氮儀);氨基酸含量(參考SHHZ/C 054-2004)用高效液相色譜儀(Waters2695)測定,將供試樣品置60℃烘箱中烘24 h,碾碎,每樣品稱取 30 mg于水解管中加入6 mol/L HCl 10 mL 110℃下水解24 h,水解液全部轉移到150 mL蒸發(fā)皿內,50℃揮發(fā)去大部分鹽酸,移入50 mL容量瓶定容至刻度,濾膜過濾,取10 μ L濾液于樣品管中,加入70 μ L 緩沖液和20 μ L 衍生液,渦漩混合10 s,然后55℃水浴10 min,即可上機進行檢測分析。色譜分析條件:Waters2695高效液相色譜系統(tǒng),717 plus自動進樣系統(tǒng);Waters2475熒光檢測器:激發(fā)波長250 nm,發(fā)射波長395 nm;AccQ?Tag專用柱,柱溫:37℃;進樣量:10 μ L。根據(jù)標樣進行定性和定量分析。以上兩項測試由農業(yè)部食品質量監(jiān)督檢驗測試中心(石河子)完成。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)計算均在SPSS13.0專業(yè)版統(tǒng)計分析軟件上完成,并檢驗處理間的差異顯著性,方差分析采用Duncan新復極差測驗。

2 結果與分析

2.1 棉黑蚜為害對蕾期棉蚜發(fā)生為害程度的影響

通過對昆蟲網室不同處理間棉花蕾期棉蚜為害情況調查,各處理蚜害級別、單株3葉蚜量、蚜害指數(shù)及受害程度結果見表1。

表1 不同處理棉株的受害程度(新疆石河子,2007年7月)

由表1可知,棉黑蚜為害后再受棉蚜為害處理的棉株,經鑒定蕾期蚜害等級為2級,平均單株3葉蚜量為325.6頭,蚜害指數(shù)為36.56%。僅在蕾期被棉蚜為害的棉株,蚜害等級為3級,平均單株3葉蚜量高達 518.2頭,蚜害指數(shù)也相對較高,達67.28%。田間試驗中,通過觀察也發(fā)現(xiàn)棉黑蚜為害過的棉株在蕾期再受棉蚜為害時,田間蚜量增長速度明顯變緩,其植株卷葉程度比只在蕾期受一次棉蚜為害的棉株要輕(圖1)。

2.2 棉黑蚜―棉蚜為害與棉蚜為害對棉花生理狀態(tài)的影響

對比棉花品種‘新陸早13號’連續(xù)受棉黑蚜和棉蚜為害、只受棉蚜為害和未受害棉株的脯氨酸含量、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、過氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)活性的測定結果(表2)表明,兩個處理間脯氨酸含量、PAL、POD、PPO活性差異都達極顯著。棉黑蚜為害后再受棉蚜為害的葉片所測的4項指標均有不同程度的升高,其中PAL、POD、PPO活性明顯高于只受棉蚜為害一次的處理,與對照相比3種酶活性高出一倍多。

圖1 棉花現(xiàn)蕾期各處理棉株葉片受害程度

表2 ‘新陸早 13號’脯氨酸含量、PAL、POD、PPO活性的變化1)

表3 ‘新陸早13號’氨基酸(mg/g)、全氮含量(%)的變化1)

2.3 棉黑蚜―棉蚜為害與棉蚜為害對棉花營養(yǎng)成分的影響

棉蚜是需要高氨基酸營養(yǎng)的害蟲,棉株氨基酸含量越高越利于其生存,取食后消化和轉化率都很高。對棉花品種‘新陸早13號’棉黑蚜為害后再受棉蚜為害、只受棉蚜為害及對照處理進行氨基酸、全氮含量測定結果(表3)表明,未受蚜害的棉株氨基酸、全氮含量明顯高于上述兩個處理,氨基酸含量差異普遍達到了極顯著。在經過棉黑蚜、棉蚜兩次為害后的棉株體內的氨基酸總量為21.54 mg/g,全氮含量為3.32%,氨基酸組分中的天門冬氨酸(F=60.185)、蘇氨酸(F=54.849)、酪氨酸(F=255.7)和蛋氨酸(F=155.839)比只受棉蚜為害的處理要高,其中酪氨酸含量與未受蚜害的棉株含量接近,2個處理間4種氨基酸含量存在著極顯著差異(F0.01(2,6)=10.92)。

3 討論

一些研究指出,昆蟲取食植物時,勢必破壞了植物組織和細胞,誘導植物產生生理防御反應即誘導抗蟲機制。植物對有害生物侵害的生理反應大多是以酶的催化活動來實現(xiàn)的,其中PAL是莽草酸途徑的關鍵酶,是酚代謝的主要酶之一,它的活性升高能夠促進酚類化合物的合成;PPO活性的提高將會加快酚類物質進一步氧化成毒性更大的醌類物質,這兩類物質具有更強的抗生作用[9]。另一方面,PAL、PPO和POD還參與了木質素的合成,尤其是PPO和POD,木質素是構成細胞壁的主要成分,使細胞壁進一步木質化而形成木質化壁即防御壁[10]。在本試驗中棉黑蚜刺吸使棉花葉片 PAL、PPO和POD活性升高,可能在一定程度上促進了木質素的大量合成,有利于棉株對棉黑蚜刺吸造成的細胞壁損傷的修復,對蕾期棉蚜的刺吸有一定的抑制作用。棉花體內的保護酶系作為一個整體對蚜蟲的為害具有防御作用,在蚜蟲取食脅迫的條件下,能立刻啟動體內的防御機制,多種酶被激活,這對于保護組織和細胞的完整性具有重要的作用。

脯氨酸在棉花品種固有抗蚜性及誘導抗蚜性中有明顯作用,棉株苗期受到棉黑蚜刺吸脅迫,亦即在外界的選擇壓力下,游離脯氨酸含量顯著升高,這是棉花生理應激反應的一種表現(xiàn)[11]。其結果則對棉蚜產生了誘導抗性作用,從而提高了棉花的總體抗蚜程度。在本研究中,當棉花苗期受棉黑蚜刺吸誘導后,棉株體內合成并積累了部分次生抗蚜物質,蕾期棉株受到棉蚜為害時,這些抗生物質有效地調動了相關防御反應體系,在一定程度上抑制了蕾期蚜害的擴展。

植物體內的大多數(shù)氨基酸是昆蟲生長發(fā)育的必需營養(yǎng)物質,受損傷的植物葉片常會導致一些營養(yǎng)成分如氮、氨基酸以及糖類等含量的下降[12-15],而影響到植食性昆蟲的生長、發(fā)育、存活和繁殖。本研究發(fā)現(xiàn)棉黑蚜為害會誘導棉花氨基酸、氮含量有所下降,對隨之發(fā)生的棉蚜而言營養(yǎng)開始惡化,也會不利于棉蚜生長、發(fā)育。

棉黑蚜在新疆棉田中發(fā)生為害除了具有建立和培育棉田天敵昆蟲系統(tǒng),達到以害養(yǎng)益,以益控害的效果外,對棉花誘導抗性的產生也具有重要的現(xiàn)實意義。本試驗僅研究了棉黑蚜刺吸為害引起的植株生理應激反應和部分營養(yǎng)物質的變化對蕾期棉蚜為害的影響,關于棉株被棉黑蚜為害后,植株對棉蚜生長、發(fā)育、生物量等方面的影響還有待進一步深入研究?？傊?棉花本身就具有不同程度的抗蚜性[16],在受蚜害影響后,棉株產生誘導抗性在棉花抗蚜性中占有重要地位,亦是影響棉蚜種群數(shù)量消長的主導因素之一。植物對有害生物侵害的生理應激反應是通過某些抗逆性生理以及相關防御酶系的催化活動來實現(xiàn)的[17],運用生物、物理等措施,誘導植物產生或提高抗蟲性,不僅豐富完善了害蟲防治手段,而且具有較大的理論研究價值[18]。目前,已有不少有關闡述植食性昆蟲與植物間關系的報道,認為誘導抗性是植物保存自身生存、繁榮,抵御外界侵害的防御性機制,是積極的主動性保護。因此,用以提高抗蟲性的利用是很值得重視的。

[1]湛浩然.對北疆棉區(qū)棉蚜的再認識及思考[J].新疆農墾科技,2000(5):20-22.

[2]Karban R,Carey J R.Induced resistance of cotton seedling s to mites[J].Science,1984,225:53-54.

[3]Harrison S,Karban R.Behavioural response of spider mites(Tetranychus urticae)to induced resistance of cotton plants[J].Ecological Entomology,1986,11(2):181-188.

[4]劉旭明,楊奇華.棉花抗蚜的生理生化機制及其與棉蚜種群數(shù)量消長關系的研究[J].植物保護學報,1993,20(1):25-29.

[5]張寶紅,豐嶸.棉花的抗蟲性與抗蟲棉[M].北京:中國農業(yè)出版社,2000:68-69.

[6]李合生.植物生理生化實驗原理和技術[M].北京:高等教育出版社,2001:164-165,258-260.

[7]薛應龍.植物生理學實驗手冊[M].上海:上?？茖W技術出版社,1985:191-192.

[8]湯章城,王國強,史益敏,等.現(xiàn)代植物生理學實驗指南[M].北京:科學出版社,1999:322.

[9]Bi J L,Murphy J B,Felton G W.Antinutritive and oxidative components as mechanisms of induced resistance in cotton toHelicoverpa zea[J].Journal of Chemical Ecology,1997,23(1):97-117.

[10]Weber G.Genetic variability in host plant adaptation of the green peach aphidMyzus persicae[J].Entomologia Experimentalis et Applicata,1985,38(1):49-56.

[11]劉旭明,楊奇華.游離脯氨酸在棉花品種抗蚜性中的作用[J].北京農業(yè)大學學報,1991,17(3):77-80.

[12]Haukioja E.Induction of defenses in trees[J].Annual Review of Entomology,1990,36:25-42.

[13]West C.Factors underlying the late seasonal appearance of the lepidopterous leaf-mining guild on oak[J].Ecological Entomology,1985,10(1):111-120.

[14]Bryant J P,Reicherdt P B,et al.Effects of mineral nutrition on delayed inducible resistance in Alaska paper birch[J].Ecology,1993,74(7):2077-2084.

[15]Mcclure M S.Foliar nitrogen:a basis for host suitability for elongate hemlock scale,Fiorinia externa(Homoptera:Diaspididae)[J].Ecology,1980,61(1):72-79.

[16]蘆屹,王佩玲,劉冰,等.新疆棉花主栽品種的抗蚜性及其機制研究[J].棉花學報,2009,21(1):57-63.

[17]王海波,陶蕓,金沙.蠶豆葉片幾丁質酶活性的蚜蟲誘導——植物生理應激反應的趨同性[J].應用生態(tài)學報,1994,5(1):68-71.

[18]王剛,張青文,周明牂.胚軸切斷法誘導棉花對棉鈴蟲抗性的研究[J].棉花學報,2000,12(3):155-158.

Cotton resistance to aphids,induced by Aphis atrata

Lu Yi1,2, Li Jing2, Wang Peiling1
(1.Department of Plant Protection,College of Agronomy,Shihezi University,Shihezi832003,China;2.XinjiangStation of Plant Protection,Urumqi830006,China)

The damage level caused byAphis gossypii,physiological state and nutrient components of budding stage cotton infested byA.atrataat seeding stage were studied.The results showed that when the cotton damaged byA.atrataat seedling stage was damaged byA.gossypiiat budding stage again,the amounts of aphids and damage levels were significantly less than those only byA.gossypiifor one time.The proline content and activities of phenylalanine ammonia-lyase,peroxidase and polyphenol oxidase increased significantly,while the contents of amino acids and total nitrogen slightly decreased.

cotton;Aphis atrata;Aphis gossypii; stress response; induced resistance to aphids

S 435.622

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2011.04.024

2010-08-06

2011-02-15

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAD21B02-3);新疆兵團農八師科委重點項目(2005-01);新疆兵團博士基金資助項目(05JJ01)

*通信作者E-mail:wangpl69@126.com