虫害诱导烟草抗性对斜纹夜蛾生长和产卵选择的影响

2021-03-30李晓红杨贤均黄志友伍绍龙

中国烟草学报 2021年1期

李晓红，杨贤均，黄志友，伍绍龙

1 邵阳学院城乡建设学院园林系，湖南邵阳 422000；2 湖南省烟草公司，湖南长沙 410011

植物和昆虫间的协同进化是进化生物学中非常重要的一部分，在漫长的协同进化过程中，植物为了抵抗植食性昆虫的侵害，进化产生了多种可遗传的防御机制和防御策略[1-4]。植物的抗性主要包括组成抗性和诱导抗性[5-6]。组成抗性是植物体本身所固有的，比如植物的角质层、毛状体、刺、特异性抗虫物质等[7]。组成抗性以植物特殊的外部形态结构和内部组成化合物来防止植食性昆虫取食为害，如植物角质层上覆盖的光滑蜡质、表皮上的刺和毛状体，不利于植食性昆虫附着取食，也可以影响成虫的产卵选择[5,8]。一些植物内部组成化合物具有抗虫性，如十字花科植物中所蕴含的芥子油苷，菊科植物所含有的除虫菊素对多种植食性昆虫具有致死作用[9-10]。同种植物的不同品种，其组成抗性差异较大[5]。诱导抗性是植物受到损伤后才产生的抗性，研究表明，植物为抵抗植食性昆虫取食为害，所进化产生的虫害诱导抗性可明显提高植物在生物群落中的适应性[11-12]。虫害诱导抗性的直接防御表现为：植物防御蛋白、有毒次生代谢物等虫害诱导化合物的形成，以及由此导致的植物营养含量的下降，从而不利于植食性昆虫的生长发育甚至导致死亡；虫害诱导抗性的间接防御表现为植物虫害诱导挥发物的产生，可吸引天敌昆虫，趋避成虫的产卵行为[13-17]。

烟草传入我国后，通过长期的人工驯化和自然传播，形成了多种烟草种质资源，包括选育品种、地方品种和野生种[18-20]。为了提高选育品种烟草的产量，在驯化过程中其部分抗性机制减弱，甚至消失[21-22]。野生烟草为了抵抗植食性昆虫的侵害，其抗性机制不断的进化完善[23]。地方品种烟草同时受到自然和人为选择的影响[24]。选育品种、地方品种和野生种的烟草，其组成抗性和诱导抗性差异较大，但目前，国内外对于这三种烟草的组成和诱导抗性对植食性昆虫的影响，鲜见报道。

斜纹夜蛾（Spodoptera litura），属鳞翅目夜蛾科，一年可发生多代，世代重叠现象严重，是危害我国烟草的主要害虫之一[25-27]。斜纹夜蛾幼虫喜欢取食烟草的叶片，大大降低了烟草的产量和质量。目前大田中主要用化学农药灭杀斜纹夜蛾，但是化学防治对生态环境产生了污染，农药残留降低了烟草的质量。因此探究不同烟草品种组成和诱导抗性的差异，筛选优质抗虫的烟草种质资源，是有效防治斜纹夜蛾的新途径之一。

本研究选取了3 个烟草品种，八旦野生烟和梁桥晒烟是经过了漫长自然选择的烟草种质资源，采于湖南贫困偏远地区[18]；湘烟5 号是选育品种。研究不同品种烟草的对照组和虫害诱导组对斜纹夜蛾生活史和产卵选择偏好性的影响，可反映烟草组成抗性和诱导抗性对斜纹夜蛾的抗性水平，为烟草抗性品种的筛选和斜纹夜蛾在烟田中的综合防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试昆虫斜纹夜蛾，于2018 年采集自湖南省邵阳市（26.9 °N，111.3 °E）烟田，随后在（26±1）℃，相对湿度为（60±10）%和光暗时间14 h/10 h 的养虫室内饲养。

供试烟草为野生种八旦野生烟、地方品种梁桥晒烟和选育品种湘烟5 号，烟草种子由湖南省烟草科学研究所提供。各品种烟草在户外大纱网罩内种植，烟草单株种植于直径32 cm，高20 cm 的花盆中。由于不同烟草品种的生长速度有较大差异，故而分批次栽培烟草，待3 种烟草同时生长至6 叶期时用于试验。

1.2 试验方法

选取长势良好的6 叶期盆栽烟草，在烟草的第2～5 片上，每片叶接种6 头2 龄初期的斜纹夜蛾幼虫，接虫的叶片用透明薄纱罩上防止幼虫逃逸。斜纹夜蛾幼虫3 龄后，更换为2 龄幼虫，防止造成过大的损伤。烟草被取食的叶面积达到30%左右时，将幼虫取下，完成烟草的抗性诱导操作。

采摘各品种新鲜的虫害诱导叶片和无虫害取食过的对照叶片，分别在养虫盒中（直径: 5 cm，高: 3 cm，铺有保湿滤纸）饲养斜纹夜蛾的初孵幼虫，每天及时更换新鲜的烟草叶片，直到幼虫化蛹。记录斜纹夜蛾的发育历期、存活率（成功化蛹的数量/总数量）、蛹质量、蛹期和羽化率。斜纹夜蛾成虫羽化后，放置到恒温烘干箱（80℃）内烘干 48 h，称量干质量。每个处理重复30 次（幼虫化蛹成功为1 次重复）。

为探究烟草的组成抗性和诱导抗性对斜纹夜蛾成虫产卵选择偏好性的影响，将3 种烟草的虫害诱导组和对照组随机置于野外纱网罩中，在纱网中释放一只交配完成且未产卵的斜纹夜蛾雌蛾，提供20%的蜂蜜水为雌蛾补充营养，每天多次观察雌蛾在烟草上的产卵情况，一旦在烟草上产卵，试验成功，为1 次重复。雌蛾若将卵产在纱网上，则试验失败。试验重复进行120 次。

1.3 数据分析

用双因子方差分析（Two-way ANOVA）虫害诱导不同品种烟草抗性对斜纹夜蛾生长发育参数的影响，其中对成虫干质量进行了log 转换，以保证数据的方差齐次性和正态分布。使用 Tukey HSD 测验的方法对发育历期、蛹质量、蛹期和成虫干质量进行了多重比较。斜纹夜蛾的存活率、羽化率和成虫产卵选择率为二元数据，所以选用逻辑斯蒂广义线性模型（GLM）对数据进行分析，使用Post-hoc test 测验进行多重比较。数据分析使用 R 软件。

2 结果与分析

2.1 不同品种烟草的虫害诱导抗性对斜纹夜蛾幼虫存活率的影响

烟草的品种、虫害诱导抗性以及两者间的互作，均对斜纹夜蛾幼虫的存活率有显著的影响（烟草品种，x2=170.29，P＜0.001；诱导抗性，x2=22.56，P＜0.05；烟草品种×诱导抗性，x2=2.46，P=0.03）。存活率在两种处理的野生、地方和选育品种烟草间均差异显著（P＜0.05），每个品种的对照和虫害处理组间差异也显著（P＜0.05），且虫害处理组的存活率均明显降低。其中，取食八旦野生烟的斜纹夜蛾幼虫存活率最低，对照组饲养了225 头幼虫，其中30 头化蛹成功，存活率为13.33%，虫害处理组饲养了586 头幼虫，才有30 头化蛹成功，存活率为5.12%，相差2.60 倍。取食地方品种梁桥晒烟的斜纹夜蛾幼虫存活率居中，对照组饲养了80 头幼虫，其中30 头化蛹成功，存活率为37.5%，虫害处理组饲养了139 头幼虫，才有30 头化蛹成功，存活率为21.58%，相差1.74 倍。取食选育品种湘烟5 号的斜纹夜蛾幼虫存活率最高，对照组饲养了41 头幼虫，其中30 头化蛹成功，存活率为73.17%，虫害处理组饲养了52 头幼虫，其中30 头化蛹成功，存活率为57.69%，相差1.27 倍（图1）。

图1 斜纹夜蛾幼虫取食不同品种烟草的对照组和虫害处理组后的存活率Fig. 1 The survival rate of Spodoptera litura larvae fed on different tobacco varieties in control group and pest treatment group

2.2 不同品种烟草的虫害诱导抗性对斜纹夜蛾幼虫发育历期的影响

烟草的品种、虫害诱导抗性以及两者间的互作，均对斜纹夜蛾幼虫的发育历期有显著影响（烟草品种：F2,174=287.62，P＜0.001；诱导抗性：F2,174=453.42，P＜0.001；烟草品种×诱导抗性：F2,174=62.75，P＜0.001）。每个处理均有30头幼虫成功化蛹，仅统计这些幼虫的发育历期。发育历期在对照组的野生和地方品种烟草间差异不显著（P＞0.05），但两者与选育品种烟草差异显著（P＜0.05）；在虫害处理组的选育和地方品种烟草间差异不显著（P＞0.05），但两者与野生种烟草差异显著（P＜0.05）。取食八旦野生烟的斜纹夜蛾幼虫发育历期最长，对照组为22.32±1.04 d，虫害处理组为31.03±1.36 d，延长了8.71 d，两者间差异显著（P＜0.001）。取食地方品种梁桥晒烟的斜纹夜蛾发育历期居中，对照组为20.63±0.58 d，虫害处理组为22.68±0.7 d，延长了2.05 d，两者间差异不显著（P＞0.05）。取食选育品种湘烟5号的斜纹夜蛾幼虫发育历期最短，对照组为17.32±0.34d，虫害处理组为22.15±0.56 d，延长了4.83 d，两者间差异显著（P＜0.05）（图2）。

2.3 不同品种烟草的虫害诱导抗性对斜纹夜蛾蛹质量的影响

烟草的品种、虫害诱导抗性以及两者间的互作，均对斜纹夜蛾的蛹质量有显著影响（烟草品种：F2,174=5658.77，P＜0.001；诱导抗性：F2,174=2509.51，P＜0.001；烟草品种× 诱导抗性：F2,174=68.79，P＜0.001）。蛹质量在两种处理的野生、地方和选育品种烟草间均差异显著（P＜0.05），每个品种的对照和虫害处理组间差异显著（P＜0.05），且虫害处理组的蛹质量均明显降低。取食八旦野生烟的斜纹夜蛾幼虫，其蛹质量最轻，对照组为（180.31±10.02）mg，虫害处理组为（119.64±14.82）mg，相差1.51 倍。取食地方品种梁桥晒烟的斜纹夜蛾蛹质量居中，对照组为（310.52±11.64）mg，虫害处理组为（201.65±15.51）mg，相差1.54 倍。取食选育品种湘烟5 号的斜纹夜蛾蛹质量最大，对照组为410.18±9.95 mg，虫害处理组为（327.34±15.25）mg，相差1.25 倍（图3）。

图2 斜纹夜蛾幼虫取食不同品种烟草的对照组和虫害处理组后的发育历期Fig. 2 The larval development duration of Spodoptera litura larvae fed on different tobacco varieties in control group and pest treatment group

图3 斜纹夜蛾幼虫取食不同品种烟草的对照组和虫害处理组后的蛹质量Fig. 3 The pupa mass of Spodoptera litura larvae fed on different tobacco varieties in control group and pest treatment group

2.4 不同品种烟草的虫害诱导抗性对斜纹夜蛾羽化率的影响

烟草的品种和虫害诱导抗性对斜纹夜蛾的羽化率有显著影响，但两者间无互作（烟草品种，x2=18.18，P＜0.05；诱导抗性，x2=9.23，P=0.002；烟草品种×诱导抗性，x2=0.02，P＞0.05）。羽化率在两种处理的野生、地方和选育品种烟草间均差异显著（P＜0.05），每个品种的对照和虫害处理组间差异显著（P＜0.05），且虫害处理组的羽化率均明显降低。其中，取食八旦野生烟的斜纹夜蛾羽化率最低，对照组30 头蛹仅10 头羽化成功，羽化率为33.33%，虫害处理组仅5 头羽化成功，羽化率为16.67%，相差2倍。取食地方品种梁桥晒烟的斜纹夜蛾羽化率居中，对照组有15 头蛹羽化成功，羽化率为50%，虫害处理组仅8 头蛹羽化成功，羽化率为26.67%，相差1.88 倍。取食选育品种湘烟5 号的斜纹夜蛾羽化率最高，对照组有22 头蛹羽化成功，羽化率为73.33%，虫害处理组仅14 头蛹羽化成功，羽化率为46.67%，相差1.57 倍（图4）。

图4 斜纹夜蛾幼虫取食不同品种烟草的对照组和虫害处理组后的羽化率Fig. 4 The pupal eclosion rate of Spodoptera litura larvae fed on different tobacco varieties in control group and pest treatment group

2.5 不同品种烟草的虫害诱导抗性对斜纹夜蛾蛹期的影响

烟草的品种、虫害诱导抗性以及两者间的互作，均对斜纹夜蛾幼虫的蛹期有显著影响（烟草品种： F2,69=756.41，P＜0.001；诱导抗性：F1,69=302.22，P＜0.001；烟草品种× 诱导抗性：F2,69=30.02，P＜0.001）。仅统计成功羽化蛹的蛹期，蛹期在两种处理的地方和选育品种烟草间均差异不显著（P＞0.05），但两者与野生种烟草差异显著（P＜0.05）。取食八旦野生烟的斜纹夜蛾蛹期最长，对照组为（11.14±0.55）d，虫害处理组为（13.42±0.81）d，延长了2.28 d，两者间差异显著（P＜0.05）。取食地方品种梁桥晒烟的斜纹夜蛾蛹期居中，对照组为（9.06±0.35）d，虫害处理组为（10.15±0.55）d，延长了1.09 d，两者间差异不显著（P＞0.05）。取食选育品种湘烟5 号的斜纹夜蛾幼虫蛹期最短，对照组为（8.12±0.25）d，虫害处理组为（8.97±0.26）d，延长了0.85 d，两者间差异不显著（P＞0.05）（图5）。

图5 斜纹夜蛾幼虫取食不同品种烟草的对照和虫害处理组后的蛹期Fig. 5 The pupa stage of Spodoptera litura larvae fed on different tobacco varieties in control group and pest treatment group

2.6 不同品种烟草的虫害诱导抗性对斜纹夜蛾成虫干质量的影响

烟草的品种、虫害诱导抗性以及两者间的互作，均对斜纹夜蛾的成虫干质量有显著影响（烟草品种：F2,69=3326.61，P＜0.001；诱导抗性：F1,69=3390.93，P＜0.001；烟草品种× 诱导抗性：F2,69=46.8，P＜0.001）。成虫干质量在两种处理的野生、地方和选育品种烟草间均差异显著（P＜0.05），每个品种的对照和虫害处理组间差异显著（P＜0.05），且虫害处理组的成虫干质量均明显降低。取食八旦野生烟的斜纹夜蛾幼虫，其成虫干质量最轻，对照组为（39.74±3.15）mg，虫害处理组为（20.18±4.87）mg，相差1.97 倍。取食地方品种梁桥晒烟的斜纹夜蛾成虫干质量居中，对照组为（59.85±2.88）mg，虫害处理组为（32.25±4.47）mg，相差1.86 倍。取食选育品种湘烟5 号的斜纹夜蛾成虫干质量最大，对照组为（75.51±1.97）mg，虫害处理组为（55.14±3.65）mg，相差1.37 倍（图6）。

图6 斜纹夜蛾幼虫取食不同品种烟草的对照组和虫害处理组后的成虫干质量Fig. 6 The adult body mass of Spodoptera litura larvae fed on different tobacco varieties in control group and pest treatment group

2.7 不同品种烟草的虫害诱导抗性对斜纹夜蛾产卵选择率的影响

烟草的品种、虫害诱导抗性以及两者间的互作，均对斜纹夜蛾的产卵选择率有显著影响（烟草品种，x2=106.55，P＜0.05；诱导抗性，x2=71.76，P＜0.05；烟草品种×诱导抗性，x2=6.69，P=0.035）。共有120 头雌蛾在烟草上产卵，产卵选择率在对照组野生、地方和选育品种烟草间差异显著（P＜0.05），在虫害处理组野生和地方品种烟草间差异不显著（P＞0.05），但两者与选育品种烟草差异显著（P＜0.05）。其中，八旦野生烟的斜纹夜蛾产卵选择率最低，对照组为5%，虫害处理组为3.33%，相差1.5 倍，两者间差异不显著（P＞0.05）。地方品种梁桥晒烟的斜纹夜蛾产卵选择率居中，对照组为16.67%，虫害处理组为3.33%，相差5.01 倍，两者间差异显著（P＜0.001）。选育品种湘烟5 号的斜纹夜蛾产卵选择率最高，对照组为60%，虫害处理组为11.67%，相差5.14 倍，两者间差异显著（P＜0.001）（图7）。

图7 斜纹夜蛾成虫对不同品种烟草的对照组和虫害处理组的产卵选择率Fig. 7 The adult celection rate of Spodoptera litura larvae on different tobacco varieties in control group and pest treatment group

3 讨论

本研究发现斜纹夜蛾的存活率、发育历期、蛹质量、蛹期、羽化率和成虫干质量均受到烟草虫害诱导抗性的不利影响，这一不利影响的程度随着烟草品种的不同而不同，也就是随着烟草组成抗性的变化而变化。相比于选育和地方品种的烟草，野生种烟草八旦野生烟对斜纹夜蛾各项生活史参数的不利影响更为明显。斜纹夜蛾幼虫期是积累营养的阶段，这一阶段的食物对其生活史有着重要的影响。若昆虫幼期的食物抗性较高，则表现为存活率低、生育期延长、虫体较小等特征；若昆虫幼期的食物对其有利，则表现为存活率高、生育期短、虫体较大等特征[28-30]。因此推测，烟草被斜纹夜蛾取食为害后，会提高其抗虫性，其中野生种对斜纹夜蛾的诱导抗性最高，地方品种次之，选育品种的诱导抗性较低。

植物的组成抗性和诱导抗性是近年来研究的热点问题之一[15-17]，主要的研究焦点在于植物的组成和诱导抗性间的区别与联系[1]，但对于植物的选育、地方和野生种的组成和诱导抗性的研究，鲜有研究报道。本研究发现烟草的组成抗性和虫害诱导抗性呈正相关，野生种烟草的组成抗性比地方和选育品种烟草高，其虫害诱导抗性也比地方和选育品种烟草高。植物在组成抗性和虫害诱导抗性间存在取舍效应，若诱导抗性较高，会合成大量的虫害诱导化合物，必然导致植物营养含量降低，产量也会降低[15-17]。植物的选育品种与地方和野生种相比更易遭受昆虫侵害[22]，相对而言，经过长期人工驯化的植物，其防御虫害的能力降低[24,31]，抗虫基因减少[32]，但是生存条件受人为因素影响大，因此组成抗性和虫害诱导抗性间的取舍效应表现不明显[1-3,33]。而野生植物为了抵抗外界不良的环境条件，需要面对进化的压力[17]。野生植物为了个体的生长发育和种群的延续，在应对植食性昆虫取食为害时，需要在组成抗性和虫害诱导抗性间进行取舍，从而进化出更加完善的抗性机制[1-3,33]。例如，Kempel 测试了40 种选育植物和18 种野生植物对于组成抗性和诱导抗性的取舍效应，研究表明，这一取舍效应在选育品种的植物上表现的不明显，而在野生植物上表现的很明显，且产生了诱导抗性的野生种植物不利于寄主昆虫的生长发育[3]。Xiaohong li 研究发现，野生种番茄的虫害诱导抗性比地方和选育品种番茄的诱导抗性强，且野生种番茄的抗性取舍效应更为明显[17]。植物的组成和诱导抗性间的相互作用关系非常复杂，即受到寄主昆虫种类的影响，又受到外界环境的影响[34]，若要全面了解，需做进一步的研究。

植物被昆虫侵害后会产生虫害诱导的挥发性有机化合物，是植物诱导抗性的间接防御表现。虫害诱导挥发物主要是醇醛类、萜类等挥发性有机物，扩散传播到周围的环境中后，可调节植物-植食性昆虫间的相互作用关系，对成虫具有一定的趋避作用，影响植食性昆虫的产卵选择行为[16,35-36]。例如，烟草被烟芽夜蛾幼虫侵害后，对后续为害的烟芽夜蛾成虫的产卵选择行为有显著的驱避作用[37]。不同种类的植物所释放的虫害诱导挥发物不同，选育和地方品种的植物抗性机制较弱，野生植物需要应对严酷的生存挑战，抗性机制较强，三者的挥发性有机化合物有所不同[17,21]。选育和地方品种植物抗性机制的减弱，表现最为明显的就是虫害诱导挥发物含量的降低，甚至消失，因此对昆虫的趋避性较差[16-17,31,38]。例如，相比于野生水稻，褐飞虱更偏好于将卵产在选育品种的水稻上[39]；相比于野生番茄，烟草天蛾更偏好于将卵产在选育和地方品种的番茄上[17]。本研究发现斜纹夜蛾的成虫更偏好于将卵产在对照组的烟草上，产卵选择率依次为选育品种＞地方品种＞野生种烟草，表明虫害诱导挥发物对斜纹夜蛾的成虫具有趋避作用，且选育品种烟草的趋避性最差，地方品种次之，野生种的趋避性最强。