美国白蛾生长发育对寄主植物不同次生代谢物质的适应性1)

王沫 姜礅 孟昭军 严善春

(东北林业大学，哈尔滨,150040)

在长期的进化过程中，昆虫与寄主植物之间形成了变换多样、程度不同的相互适应关系，但由于不同寄主植物的营养组成、次生代谢物质等不同，对昆虫的生长发育、繁殖，以及其体内的生理、生化指标均有不同程度的影响，导致昆虫虫口密度的动态变化。为了更好地生存和繁殖，昆虫需要不断地提高自身对寄主植物的适应能力[1]。植物次生代谢物质是植物对生态环境的一种适应，能够使植物在与其他植物相互竞争和协同进化过程中提高生存竞争力，防御植食性昆虫的取食危害是昆虫在取食过程中遇到的主要障碍之一[2-3]。相应地，植食性昆虫也可通过快速进化，提高其对寄主的选择适应性，改变取食策略，调节生长发育的节律，以及规避自然天敌等行为，逃避、抑制或改变植物的防御[4]。

植物中的次生代谢物质种类很多，如酚甙类及酚酸类化合物。大多数植物次生代谢物质对植食性昆虫的生长发育具有一定的抑制作用，且部分次生代谢物质对其具有驱避、引诱、拒食、毒杀、不育等作用[5]。例如单宁对青杨天牛(Saperdapopulnea)具有一定的忌避作用，能够控制青杨天牛的危害程度[6]；大豆能够合成黄酮类物质抑制鳞翅目幼虫的取食危害[7]；肉桂酸能够较好地抑制青杨脊虎天牛(Xylotrechusrusticus)幼虫的生长[8]；水杨甙的含量与天牛幼虫的孵化率呈负相关，含量越高，对天牛的抗性越强[9]；对羟基苯甲酸会导致昆虫的发育历期延长，提高青杨天牛的死亡率[10-11]。然而面对植物的防御体系，植食性昆虫在选择压力的作用下，能够演化出多种反防御机制以维持种群发展，其中植食性昆虫依赖灵敏的感觉作用,包括视觉、嗅觉、味觉和触觉，能够对不同种类植物所含的次生代谢物质精准识别,规避有毒的次生代谢物质，并且植食性昆虫的选择压力随寄主植物种类和生长环境的不同而变化，从而提高对寄主植物的适应性[4，12]。

美国白蛾(Hyphantriacunea)属鳞翅目(Lepidoptera)灯蛾科(Arctiidae)，原产于北美地区的美国和加拿大，后传入欧洲和亚洲，严重危害林木和农作物，是一种极易暴发成灾的国际检疫害虫[13]。美国白蛾的寄主植物多达49科108属175种,是我国重大的外来入侵害虫[14]。根据国家林业局2018年公布显示，美国白蛾目前分布在我国11个省份，县级疫区572个[15]，危害甚广。为探明美国白蛾对不同寄主植物的适应性，本研究分析了寄主植物单宁、黄酮、肉桂酸、水杨甙和对羟基苯甲酸5种次生代谢物质对美国白蛾生长发育的影响，为寻求高效且环境友好的害虫防控新途径提供思路和理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试昆虫

美国白蛾虫卵及人工饲料由中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所提供。试验前将卵块先用体积分数10%的甲醛溶液消毒30 min，再用清水冲洗3次后，将卵块置于养虫盒中，放入光照培养箱(哈尔滨市东联电子技术开发有限公司HPG-280HX型)中进行孵化饲养。饲养条件:相对湿度70%～80%，光周期12L∶12D，温度(25±1)℃。待幼虫孵化后，使用人工饲料将幼虫饲喂至3龄。

1.2 试验处理

将新蜕皮的3龄幼虫分为11组，每组30头，按表1的试验设计，在饲料中添加不同质量分数的次生代谢物质，饲喂幼虫，对照组不添加任何次生代谢物质，每组3个重复。饲喂幼虫生长到4、5、6龄时，从各组的3个重复中，随机挑选10头蜕皮不超过24 h的幼虫，测量其体质量、体长和头壳宽。每天记录，统计其存活率、发育历期、化蛹率、羽化率。幼虫化蛹后测量蛹质量。

表1 美国白蛾幼虫人工饲料中次生代谢物质质量分数

1.3 数据处理

幼虫存活率=(化蛹前幼虫数量/饲养幼虫初始数量)×100%。

化蛹率=(蛹的数量/化蛹前幼虫数量)×100%。

羽化率=(羽化数量/蛹的数量)×100%。

用SPSS 21.0对所得数据进行独立样本T检验，比较美国白蛾同一龄期下各处理组与对照组之间的差异显著性(α<0.05)。

2 结果与分析

2.1 次生代谢物质对美国白蛾4～6龄幼虫生长发育的影响

2.1.1 对4～6龄幼虫体质量的影响

由表2可知，相同处理组的美国白蛾幼虫各龄级与对照相比，在单宁和黄酮处理组，除H1组的4龄幼虫外，H1组的5～6龄及其余处理组4～6龄幼虫体质量均显著低于对照。肉桂酸处理组中，4、6龄幼虫体质量与对照相比差异不显著，而5龄幼虫显著低于对照(P<0.05)。在水杨甙和对羟基苯甲酸处理组中，S1组的6龄幼虫和BJ1组的4龄幼虫体质量与对照组无显著差异，其余组均显著低于对照(P<0.05)。在相同次生物质的不同质量分数处理组间，4龄幼虫，黄酮和对羟基苯甲酸不同组间差异显著；5龄幼虫，黄酮和单宁不同组间差异显著；6龄幼虫，单宁不同组间差异显著；均表现为与次生物质质量分数负依赖关系，幼虫体质量表现为高质量分数组显著低于低质量分数组(P<0.05)。

2.1.2 对4～6龄幼虫体长的影响

由表2可知，与对照相比，单宁和黄酮处理组中，D1、D2、H2处理组4～6龄幼虫体长均显著低于对照，而H1处理组仅6龄幼虫的体长显著低于对照(P<0.05)。肉桂酸处理组中，4、5龄幼虫体长与对照无显著差异，R2组6龄幼虫体长显著低于对照(P<0.05)。在水杨甙和对羟基苯甲酸处理组中，S2组5、6龄幼虫，BJ1组6龄和BJ2组4、6龄幼虫体长显著低于对照(P<0.05)。在相同次生物质的不同质量分数组间，4龄幼虫，黄酮和对羟基苯甲酸不同组间差异显著；5龄幼虫，水杨甙不同组间差异显著；6龄幼虫，单宁和水杨甙不同组间差异显著；均与次生物质质量分数呈负相关关系，高质量分数组显著低于低质量分数组(P<0.05)。

表2 次生代谢物质对美国白蛾4～6龄幼虫生长发育的影响

注：表中数据均为平均值±标准误；n=10；同列不同小写字母表示各处理组与对照组之间差异显著，*代表同种物质不同质量分数处理之间差异显著(P<0.05)。

2.1.3 对4～6龄幼虫头壳宽的影响

由表2可知，在单宁、黄酮、水杨甙和对羟基苯甲酸处理组中，美国白蛾4、5、6龄幼虫头壳宽均显著低于对照(P<0.05)。肉桂酸处理组中，4、5龄幼虫头壳宽显著低于对照，而6龄幼虫与对照差异不显著(P>0.05)。4龄幼虫，黄酮不同组间差异显著；5、6龄幼虫，单宁不同组间差异显著，表现为与次生物质质量分数负依赖关系，高质量分数组显著低于低质量分数组(P<0.05)。

2.1.4 对末龄幼虫存活率的影响

由表3可知，与对照相比，单宁处理组中，美国白蛾幼虫未发育至末龄便全部死亡，幼虫存活率为零，其余处理组均与对照差异不显著(P>0.05)。

表3 植物次生代谢物质对美国白蛾末龄幼虫生长发育的影响

注：表中数据均为平均值±标准误;n=10；同列不同小写字母表示各处理组与对照组之间差异显著(P<0.05)；*代表同种物质不同质量分数处理之间差异显著(P<0.05)。

2.2 次生代谢物质对美国白蛾末龄幼虫生长发育的影响

由表3可知，与对照相比，蛹质量，单宁处理组幼虫未至化蛹便全部死亡，无化蛹及羽化；其余处理组，除R1组外，蛹质量均显著降低(P<0.05)。幼虫发育历期，H1和H2处理组与对照相比显著延长，其余组与对照均差异不显著。化蛹率，S1处理组显著高于对照；羽化率，BJ2处理组显著低于对照(P<0.05)，其余处理组化蛹率和羽化率均与对照无显著差异(P>0.05)。

3 结论与讨论

次生代谢产物在植物防御病虫害、抵御外界不良刺激、适应外界环境、提高自身生存及繁殖能力等方面起到重要作用[16]，而植食性昆虫对植物次生代谢物质具有不同的适应能力，这种适应能力与次生代谢物质的含量密切相关。孙守慧等[17]研究发现，青杨天牛幼虫对香豆酸和阿魏酸等适应能力较强，死亡率相对较低，而对苯酚、绿原酸等适应能力较弱，且含量越高，适应性越差。Wang et al.[18]发现舞毒蛾(Lymantriadispar)幼虫对杨树不同次生代谢物质呈现出不同的适应能力，表现为对咖啡酸和芦丁适应能力较强，对黄酮的适应能力较弱。在本研究中，基于美国白蛾4～6龄幼虫的体质量、体长和头壳宽以及末龄幼虫的存活率、蛹质量、发育历期、化蛹率和羽化率等生长发育指标，发现其对5种次生代谢物质的适应性由强到弱依次为肉桂酸、水杨甙、对羟基苯甲酸、黄酮、单宁，对肉桂酸的适应性最强，对单宁的适应性最差。说明美国白蛾对寄主林木不同次生代谢物及其不同质量分数具有不同程度的适应能力。

单宁是一类大分子量的多元酚化合物，昆虫取食单宁后，能够影响昆虫肠道对淀粉、脂质、总蛋白等营养物质的消化，同时也可影响一些含金属元素酶的活性，显著抑制昆虫的取食以及生长发育，被视为一种抗营养因子[19-22]。邵娅等[23]发现，单宁对豌豆蚜(Acyrthosiphonpisum)的生长发育及繁殖有明显的抑制作用；刘伟等[24]在对单宁酸对甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)幼虫生长发育及酚氧化酶活性的抑制作用的研究中发现，随着单宁的质量浓度增大，甜菜夜蛾幼虫的死亡率逐渐增大，单宁的抑制效应逐渐增强。在本研究中,美国白蛾幼虫取食单宁后，生长发育显著受到抑制，幼虫死亡率100%，幼虫未至化蛹全部死亡，说明美国白蛾对单宁的适应能力较差，进一步说明单宁是植物体内与抗虫性相关的重要次生代谢物质[25]。

酚酸和酚甙类物质被认为是植物重要的防卫物质，在昆虫与植物的相互作用之间发挥着介导作用[26]。王晓丽等[27]研究发现，酚类植物次生代谢物质对舞毒蛾2龄幼虫都具有一定的毒杀和拒食作用；诸姮等[28]研究发现，黄酮主要通过抑制昆虫取食和增强昆虫代谢负担来协助植物抵御昆虫的危害；房建军[29]发现，从美洲黑杨中提取的水杨甙对光肩星天牛(Anoplophoraglabripennis)幼虫生长发育存在不同程度的负作用。本研究发现，在黄酮处理组中，美国白蛾幼虫体质量、体长、头壳宽，4龄幼虫在高质量分数处理组显著降低(P<0.05)，但5、6龄幼虫在不同质量分数处理组未见明显差异；发育历期比对照显著延长。这可能是由于随着饲喂期的延长，幼虫对黄酮逐渐适应，破解了高质量分数对它的毒害影响，但代价是发育迟缓，历期延长。肉桂酸处理组4～6龄幼虫体质量、体长、头壳宽和蛹质量均有不同程度的降低，但是存活率、发育历期、化蛹率以及羽化率与对照差异不显著，说明美国白蛾幼虫对肉桂酸具有比较强的适应能力。Smiley et al.[30]研究发现，柳树无性系受叶甲危害程度与水杨甙含量呈负相关；王蕤等[31]研究发现，对羟基苯甲酸的存在及其质量分数的差异与植物抗虫性强弱相关联。本研究发现，水杨甙和对羟基苯甲酸处理组中，美国白蛾的体质量、体长、头壳宽均有不同程度的降低，对羟基苯甲酸高质量分数处理组羽化率显著低于对照。在水杨甙低质量分数处理组化蛹率显著高于对照，说明美国白蛾对低质量分数的水杨甙能逐渐适应并加以利用，促进其化蛹和羽化作用；在水杨甙高质量分数处理组化蛹率则低于对照。Lindroth et al.[32]认为，酚甙类物质只在高含量下对昆虫产生毒害作用，与本研究结果相似。美国白蛾幼虫存活率，除单宁外其余处理组与对照均差异不显著；虽然蛹质量均与对照差异显著，但化蛹率和羽化率未受明显影响。说明美国白蛾对寄主植物次生代谢物有逐渐适应解毒能力，这种适应性变化促进了其对寄主植物的反防御，降低次生代谢物质对其的危害，扩大了其对寄主植物的适应范围[4，33]。

综上所述，美国白蛾的生长发育对单宁、黄酮、肉桂酸、水杨甙和对羟基苯甲酸这5种不同质量分数的次生代谢物质呈现出不同程度适应能力。单宁质量分数高的林木将抑制美国白蛾的危害。