棉黑蚜为害诱导棉花抗蚜性的研究

芦 屹, 李 晶, 王佩玲

(1.石河子大学农学院植物保护系,石河子 832003;2.新疆维吾尔自治区植物保护站,乌鲁木齐 830006)

棉黑蚜为害诱导棉花抗蚜性的研究

芦 屹1,2, 李 晶2, 王佩玲1*

(1.石河子大学农学院植物保护系,石河子 832003;2.新疆维吾尔自治区植物保护站,乌鲁木齐 830006)

本文对棉花苗期棉黑蚜为害诱导作用下,棉花蕾期受棉蚜为害程度、生理状态和营养成分的变化进行了研究。结果表明,棉黑蚜为害后的棉株再受棉蚜为害时,田间蚜量和受害程度明显低于只受一次棉蚜为害的棉株,棉黑蚜―棉蚜为害处理较仅棉蚜为害处理棉株的抗生物质脯氨酸含量以及苯丙氨酸解氨酶、过氧化物酶、多酚氧化酶活性都显著提高,氨基酸、氮含量有所下降。

棉花; 棉黑蚜; 棉蚜; 应激反应; 诱导抗蚜性

在新疆,棉黑蚜(Aphis atrataZhang)和棉蚜(A.gossypiiGlover)是为害棉花的两种主要蚜虫。棉黑蚜一般在5月上中旬开始进入棉田,主要在棉花苗期为害,棉蚜多发生在6月以后。棉黑蚜在新疆棉田常发,一般棉黑蚜发生较重年份,棉蚜则发生轻。通常认为,棉黑蚜的发生可吸引大量天敌进入棉田,建立和培育棉田天敌昆虫系统,进而在后期控制棉蚜危害[1]。除此之外,棉花自身在受到害虫取食为害后,也会在生理生化等方面作出一系列的适应性反应,如大量产生并积累对害虫有防御效应的次生性抗虫物质,或改变体内营养物质的含量等,从而抑制害虫的为害。Karban和Harrison先后报道过棉叶螨刺吸棉苗可引起棉花产生诱导抗性,从而导致后期叶螨甚至其他害虫的为害程度相对减轻[2-3]。刘旭明研究指出棉蚜的刺吸为害会影响棉株体内抗蚜物质的含量,诱导棉花产生抗蚜性从而降低蚜群密度[4]。从棉花对害虫的诱导防御反应过程来分析,次生抗虫物质形成积累前后,必然会发生次生物质合成基因表达及与次生代谢相关酶活性的变化。棉黑蚜为害棉花后棉株本身抗蚜性变化方面的研究在新疆尚属空白。本文通过棉花苗期棉黑蚜刺吸为害引起的植株生理应激反应和部分营养物质的变化对蕾期棉蚜为害的影响进行了初步研究,并对植株本身诱导抗蚜性的变化作了探讨。

1 材料和方法

1.1 供试棉花品种及虫源

供试棉花品种为‘新陆早13号’(由石河子大学作物育种教研室提供),棉黑蚜、棉蚜采自春季农学院实验站田间自然虫源。

1.2 方法

1.2.1 田间试验设计

试验于2007年在石河子大学农学院实验站9号网室中进行。4月23日铺膜点播,播种时棉种不作任何药剂处理,整个生育期内不喷施任何杀虫剂,滴灌方式、管理措施与一般大田相同。试验设置2个处理,1个对照。处理1:6月1日棉花苗期模拟大田棉黑蚜发生量接入棉黑蚜(每株3～4头),6月20日棉花现蕾期模拟大田棉蚜发生量再次接种棉蚜(每株3～4头),接种方式为搭叶接混合蚜,即棉黑蚜为害后的棉株再受棉蚜为害,以下称为棉黑蚜―棉蚜为害处理;处理2:只于6月20日棉花现蕾期模拟大田棉蚜发生量接入棉蚜,即只受棉蚜为害,以下简称棉蚜为害处理;对照:棉花整个生育期未受蚜害。在棉花蕾期,根据国家抗蚜性鉴定的蚜害分级标准进行3次蚜害等级调查,调查时以全株受害最重叶片为标准叶。每处理调查120株,依据被害分级标准[5]统计各级株数,计算蚜害指数。

试验网室用80目筛网笼罩,处理1、处理2与对照之间均用80目筛网隔开,每处理1个小区,每小区6行。每4行为一组覆膜,膜宽140 cm,实行宽窄行种植,行距为30-50-30 cm、株距10 cm,网室总面积48 m2。试验过程中及时观测各处理蚜虫发生情况,在未接蚜虫前,如发现蚜虫及时清除。

1.2.2 样品采集

当处理2中棉花发生中度卷叶时(7月3日棉花蕾期),分别采集处理1、处理2及对照棉株倒3叶叶片,先以液氮浸泡后,放入-70℃超低温冰箱中保存备用。

1.2.3 棉花生理生化物质测定指标及方法

脯氨酸含量测定参照章文华的方法进行[6];苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性测定参照薛应龙的方法进行[7];过氧化物酶(POD)活性测定参照李合生的方法进行[6];多酚氧化酶(PPO)活性测定参照汤章城的方法进行[9]。

全氮含量(参考GB/T 17767.1-1999)用凯氏定氮法(FOSS2300瑞士全自动凯氏定氮仪);氨基酸含量(参考SHHZ/C 054-2004)用高效液相色谱仪(Waters2695)测定,将供试样品置60℃烘箱中烘24 h,碾碎,每样品称取 30 mg于水解管中加入6 mol/L HCl 10 mL 110℃下水解24 h,水解液全部转移到150 mL蒸发皿内,50℃挥发去大部分盐酸,移入50 mL容量瓶定容至刻度,滤膜过滤,取10 μ L滤液于样品管中,加入70 μ L 缓冲液和20 μ L 衍生液,涡漩混合10 s,然后55℃水浴10 min,即可上机进行检测分析。色谱分析条件:Waters2695高效液相色谱系统,717 plus自动进样系统;Waters2475荧光检测器:激发波长250 nm,发射波长395 nm;AccQ◦Tag专用柱,柱温:37℃;进样量:10 μ L。根据标样进行定性和定量分析。以上两项测试由农业部食品质量监督检验测试中心(石河子)完成。

1.2.4 数据统计分析

所有数据计算均在SPSS13.0专业版统计分析软件上完成,并检验处理间的差异显著性,方差分析采用Duncan新复极差测验。

2 结果与分析

2.1 棉黑蚜为害对蕾期棉蚜发生为害程度的影响

通过对昆虫网室不同处理间棉花蕾期棉蚜为害情况调查,各处理蚜害级别、单株3叶蚜量、蚜害指数及受害程度结果见表1。

表1 不同处理棉株的受害程度(新疆石河子,2007年7月)

由表1可知,棉黑蚜为害后再受棉蚜为害处理的棉株,经鉴定蕾期蚜害等级为2级,平均单株3叶蚜量为325.6头,蚜害指数为36.56%。仅在蕾期被棉蚜为害的棉株,蚜害等级为3级,平均单株3叶蚜量高达 518.2头,蚜害指数也相对较高,达67.28%。田间试验中,通过观察也发现棉黑蚜为害过的棉株在蕾期再受棉蚜为害时,田间蚜量增长速度明显变缓,其植株卷叶程度比只在蕾期受一次棉蚜为害的棉株要轻(图1)。

2.2 棉黑蚜―棉蚜为害与棉蚜为害对棉花生理状态的影响

对比棉花品种‘新陆早13号’连续受棉黑蚜和棉蚜为害、只受棉蚜为害和未受害棉株的脯氨酸含量、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)活性的测定结果(表2)表明,两个处理间脯氨酸含量、PAL、POD、PPO活性差异都达极显著。棉黑蚜为害后再受棉蚜为害的叶片所测的4项指标均有不同程度的升高,其中PAL、POD、PPO活性明显高于只受棉蚜为害一次的处理,与对照相比3种酶活性高出一倍多。

图1 棉花现蕾期各处理棉株叶片受害程度

表2 ‘新陆早 13号’脯氨酸含量、PAL、POD、PPO活性的变化1)

表3 ‘新陆早13号’氨基酸(mg/g)、全氮含量(%)的变化1)

2.3 棉黑蚜―棉蚜为害与棉蚜为害对棉花营养成分的影响

棉蚜是需要高氨基酸营养的害虫,棉株氨基酸含量越高越利于其生存,取食后消化和转化率都很高。对棉花品种‘新陆早13号’棉黑蚜为害后再受棉蚜为害、只受棉蚜为害及对照处理进行氨基酸、全氮含量测定结果(表3)表明,未受蚜害的棉株氨基酸、全氮含量明显高于上述两个处理,氨基酸含量差异普遍达到了极显著。在经过棉黑蚜、棉蚜两次为害后的棉株体内的氨基酸总量为21.54 mg/g,全氮含量为3.32%,氨基酸组分中的天门冬氨酸(F=60.185)、苏氨酸(F=54.849)、酪氨酸(F=255.7)和蛋氨酸(F=155.839)比只受棉蚜为害的处理要高,其中酪氨酸含量与未受蚜害的棉株含量接近,2个处理间4种氨基酸含量存在着极显著差异(F0.01(2,6)=10.92)。

3 讨论

一些研究指出,昆虫取食植物时,势必破坏了植物组织和细胞,诱导植物产生生理防御反应即诱导抗虫机制。植物对有害生物侵害的生理反应大多是以酶的催化活动来实现的,其中PAL是莽草酸途径的关键酶,是酚代谢的主要酶之一,它的活性升高能够促进酚类化合物的合成;PPO活性的提高将会加快酚类物质进一步氧化成毒性更大的醌类物质,这两类物质具有更强的抗生作用[9]。另一方面,PAL、PPO和POD还参与了木质素的合成,尤其是PPO和POD,木质素是构成细胞壁的主要成分,使细胞壁进一步木质化而形成木质化壁即防御壁[10]。在本试验中棉黑蚜刺吸使棉花叶片 PAL、PPO和POD活性升高,可能在一定程度上促进了木质素的大量合成,有利于棉株对棉黑蚜刺吸造成的细胞壁损伤的修复,对蕾期棉蚜的刺吸有一定的抑制作用。棉花体内的保护酶系作为一个整体对蚜虫的为害具有防御作用,在蚜虫取食胁迫的条件下,能立刻启动体内的防御机制,多种酶被激活,这对于保护组织和细胞的完整性具有重要的作用。

脯氨酸在棉花品种固有抗蚜性及诱导抗蚜性中有明显作用,棉株苗期受到棉黑蚜刺吸胁迫,亦即在外界的选择压力下,游离脯氨酸含量显著升高,这是棉花生理应激反应的一种表现[11]。其结果则对棉蚜产生了诱导抗性作用,从而提高了棉花的总体抗蚜程度。在本研究中,当棉花苗期受棉黑蚜刺吸诱导后,棉株体内合成并积累了部分次生抗蚜物质,蕾期棉株受到棉蚜为害时,这些抗生物质有效地调动了相关防御反应体系,在一定程度上抑制了蕾期蚜害的扩展。

植物体内的大多数氨基酸是昆虫生长发育的必需营养物质,受损伤的植物叶片常会导致一些营养成分如氮、氨基酸以及糖类等含量的下降[12-15],而影响到植食性昆虫的生长、发育、存活和繁殖。本研究发现棉黑蚜为害会诱导棉花氨基酸、氮含量有所下降,对随之发生的棉蚜而言营养开始恶化,也会不利于棉蚜生长、发育。

棉黑蚜在新疆棉田中发生为害除了具有建立和培育棉田天敌昆虫系统,达到以害养益,以益控害的效果外,对棉花诱导抗性的产生也具有重要的现实意义。本试验仅研究了棉黑蚜刺吸为害引起的植株生理应激反应和部分营养物质的变化对蕾期棉蚜为害的影响,关于棉株被棉黑蚜为害后,植株对棉蚜生长、发育、生物量等方面的影响还有待进一步深入研究。总之,棉花本身就具有不同程度的抗蚜性[16],在受蚜害影响后,棉株产生诱导抗性在棉花抗蚜性中占有重要地位,亦是影响棉蚜种群数量消长的主导因素之一。植物对有害生物侵害的生理应激反应是通过某些抗逆性生理以及相关防御酶系的催化活动来实现的[17],运用生物、物理等措施,诱导植物产生或提高抗虫性,不仅丰富完善了害虫防治手段,而且具有较大的理论研究价值[18]。目前,已有不少有关阐述植食性昆虫与植物间关系的报道,认为诱导抗性是植物保存自身生存、繁荣,抵御外界侵害的防御性机制,是积极的主动性保护。因此,用以提高抗虫性的利用是很值得重视的。

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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”国家科技支撑计划项目(2006BAD21B02-3);新疆兵团农八师科委重点项目(2005-01);新疆兵团博士基金资助项目(05JJ01)

*通信作者E-mail:wangpl69@126.com