7种中药材挥发物测定及对印度谷螟幼虫引诱效果研究
2022-02-10刘鑫宇王殿轩马晓辉黄依林张志明王嘎
刘鑫宇 王殿轩 马晓辉 黄依林 张志明 王嘎
摘要
中药材挥发性成分及其对害虫的引诱作用与中药材的储存和害虫科学治理紧密相关。本文测定了28℃下黄芪、白芷、防风、板蓝根、射干、山药和地黄等7种中药材的挥发性物质种类、相对含量及这些中药材对印度谷螟幼虫Plodia interpunctella的引诱率。采用HSSPMEGCMS法测得7种中药材含有烷、烯、醛、醇、酸、酮、酯和其他等8类物质。黄芪、白芷、防风、板蓝根、射干、山药和地黄的挥发性成分种类数量分别为54、46、45、43、43、35种和33种,β甜没药烯、己醇、丁内酯、6甲基5庚烯2酮等为7种中药材共同有的挥发性物质。黄芪、白芷、防风和山药对印度谷螟幼虫的引诱率分别为35%、33%、32%和25%;射干、板蓝根和地黄对印度谷螟幼虫的引诱率分别为12%、13%和17%。十六烷、柏木烯、β蒎烯、柠檬烯、庚醇、己醛在黄芪、白芷、防风中的相对含量较高,壬酸、2丁酮、(E)6,10二甲基5,9十一碳二烯2酮、甲氧基苯肟、2,6二叔丁基1,4苯醌在射干、板蓝根和地黄中的相对含量较高。中药材中的这些挥发性成分对害虫的趋向性行为作用值得进一步研究。
关键词
中药材;挥发物;印度谷螟;幼虫;引诱
中图分类号:
S379.5
文獻标识码:A
DOI:10.16688/j.zwbh.2020624
Volatiles from seven species of Chinese medicinal materials and their attractant effect on the larvae of Plodia interpunctella Hübner
LIU Xinyu1,WANG Dianxuan1*,MA Xiaohui1,HUANG Yilin1,ZHANG Zhiming2,WANG Ga3
(1. College of Food Science and Engineering, Henan University of Technology, National Grain Industry (Storage
Insect Pests Control) Technology Innovation Center, Grain Storage and Logistic National Engineering Research Center,
Zhengzhou450001,China; 2. Henan Huamei Biological Engineering Company Limited, Zhengzhou450001,
China; 3. Henan Pharmaceutical Supply Company Limited, Zhengzhou450000, China)
Abstract
The volatiles of Chinese medicinal materials and their attraction to storedproduct insects are closely related to the commodity storage and scientific pest management. The categories and relative percentages of volatile organic compounds from seven species of Chinese medicinal materials and their attracting effect on the larvae of Plodia interpunctella were measured at 28℃. Eight categories of volatiles were detected from seven species of herbs, by HSSPMEGCMS at 28℃ including alkanes, alkenes, aldehydes, alcohols, acids, ketones, esters, and others. The numbers of volatile species from Astragalus mongholicus, Angelica dahurica, Saposhnikovia divaricata, Isatis tinctoria, Belamcanda chinensis, Dioscorea polystachya, and Rehmannia glutinosa were 54, 46, 45, 43, 43, 35 and 33, respectively. All the tested herbs contained βbisabolene, hexanol, butyrolactone and 6methyl5heptene2one. The attraction rates of A.mongholicus, A.dahurica, S.divaricata, and D.polystachya to P.interpuctella larvae were 35%, 33%, 32% and 25%, separately. While the attracting percentage of B.chinensis, I.tinctoria, and R.glutinosa was only 12%, 13% and 17%, respectively. The relative content of hexadecane, cedrene, βpinene, limonene, heptanol, and hexanal were high in A.mongholicus, A.dahurica and S.divaricata. The relative percentages of nonanoic acid, 2butanone, methoxyphenyloxime, (E)6,10dimethyl5,9undecadiene2one and 2,6ditertbutyl1,4benzoquinone from B.chinensis, I.tinctoria and R.glutinosa were higher than from other herbs. Further attention should be paid to these volatile organic compounds for their attraction to the storedproduct insect pests.
Key words
Chinese medicinal materials;volatile organic compound;Plodia interpunctella;larva;attraction
印度谷螟Plodia interpunctella Hübner是世界性分布的主要储藏物害虫[1],在我国分布广泛,发生频率高[2],其为害的储藏物达170余种[3],涉及粮食、糖果、坚果、干果、药材、干蔬菜等[4 -7]。印度谷螟能够对其卵周围21~276 m内的储藏物造成为害[8],其孵化出的幼虫可钻透包装,取食为害储藏物,或吐丝、排泄污染储藏物,导致储藏物品质下降,造成巨大经济损失[9- 11]。了解印度谷螟幼虫对储藏物品的趋向选择和取食行为习性,对减少其幼虫为害和科学防治具有重要意义。
在储藏物害虫防治中,应用广泛的技术包括化学熏蒸、低温储藏、气调储藏、辐照杀虫等,这些技术各有其适用特性[12- 14]。从减少化学药剂使用、强化害虫综合治理的角度出发,利用害蟲对储藏物品及其挥发物的趋向性,或取食偏好性,如利用储藏物中含有的挥发性物质引诱捕获防治害虫[15 -17],具有取材方便、绿色环保、生态友好等特点,关于此方面的研究也在逐渐增多[18- 19]。利用储藏物害虫趋向习性加以引诱的研究多见于甲虫,如锯谷盗Oryzaephilus surinamensis Linnaeus、米象Sitophilus oryzae (Linnaeus)、玉米象Sitophilus zeamais Motschulsky、赤拟谷盗Tribolium castaneum (Herbst)、杂拟谷盗Tribolium confusum Du Val和四纹豆象Callosobruchus maculatus Fabricius等[20- 24]。对鳞翅目害虫诱捕的研究多见于成虫[18,25 -28]。有研究表明花生对印度谷螟成虫的引诱效果比小麦、玉米和稻谷更加显著[29]。印度谷螟雌雄成虫对巧克力挥发物乙基香兰素、苯乙醛和壬醛的触角电位(EAG)反应显著[30]。小麦挥发物对印度谷螟成虫的引诱效果也较为明显[31]。有的香水中的丙酸异戊酯、柠檬醛和乙酸乙酯对印度谷螟幼虫具有引诱作用[32]。迄今,鳞翅目幼虫对储藏物挥发性物质趋向性的研究依然偏少,更缺乏印度谷螟幼虫对中药材及其挥发物选择趋向性的报道。
中药材是我国中医药产业发展的基础,年产量达300多万t,相关产业产值规模已超7 000亿元,具有重要的经济意义[33]。中药材种类繁多,且多为植物源物质[34],易受到储藏物害虫为害。印度谷螟幼虫食性复杂,可为害包括人参Panax ginseng、白芷Angelica dahurica、当归Angelica sinensis等多种名贵中药材,致使其品质下降,甚至丧失药用功效[35- 36]。有关中药材的害虫防治,已报道的有植物材料对害虫生长发育的影响、药材精油熏蒸杀虫等[37- 41],少有害虫对药材的趋向行为研究。我国中药材储藏中有“对抗同贮法”的应用,即将一些具有驱虫、防霉作用的特殊气味的药材与易生虫、发霉的药材共储,以达到防虫霉安全储藏的目的[42]。这些实践印证了中药材中存在某些对害虫具有吸引或驱避作用的特殊挥发物。研究害虫对中药材的趋向行为,明确中药材中具有吸引/驱避特性的物质,有助于利用其组分对害虫的引诱/驱避作用防控,促进害虫诱捕技术的运用。药材甲Stegobium paniceum对天麻Gastrodia elata、三七Panax notoginseng、前胡Peucedanum praeruptorum和当归等4种中药材具有显著的选择偏好性[43],丁香Syzygium aromaticum和吴茱萸Tetradium ruticarpum对赤拟谷盗具有防虫效果[42],未见中药材挥发物对印度谷螟幼虫趋向性行为影响的报道。本文测定了印度谷螟幼虫对白芷、地黄Rehmannia glutinosa、射干Belamcanda chinensis、防风Saposhnikovia divaricata、板蓝根Isatis tinctoria、山药Dioscorea polystachya、黄芪Astragalus mongholicus等7种中药材的趋向行为,并测定了28℃下7种中药材的挥发物种类、成分及相对含量,以期发现对害虫的趋向性行为作用值得进一步研究的挥发性物质成分,为害虫综合防治研究提供参考。
1材料与方法
1.1试虫
试验用印度谷螟种群采自郑州某粮库,于河南工业大学储藏物昆虫研究室生化培养箱(BSP250, 上海博讯实业有限公司)中纯化培养多代。培养饲料为燕麦片与酵母质量比19 ∶1的混合物。培养环境:温度(28±1)℃、相对湿度(75±5)%、L∥D=16 h∥8 h。 采用孵化后3龄(10~15 d)幼虫为试虫。龄期采用幼虫头壳宽度[44]判断。
1.2中药材样品
使用的中药材均为未使用过化学药剂处理的生药,由河南华美生物工程有限公司提供,参照2000版《中国药典》附录IX H水分测定法第一法烘干法测定水分含量。测试中各中药材的水分含量分别为白芷12.5%、地黄15.0%、射干10.5%、防风11.0%、板蓝根12.0%、山药12.0%、黄芪12.0%。试验前样品用中药材粉碎机(FW135,天津泰斯特仪器有限公司)粉碎,取20目筛的筛上物,置于自封袋中在 4℃冰箱(FCD268SEA,青岛海尔电冰柜有限公司)中保存,测试前24 h移至室温待用。
1.3挥发物测定
采用顶空取样固相微萃取(HSSPME)法提取样品挥发物。使用气相色谱质谱联用仪(GCMS)分析挥发物成分。
萃取方法:称取3 g样品于10 mL顶空萃取瓶中,封盖后于(28±1)℃下平衡24 h,用230℃活化5 min的固相微萃取纤维头(50/30 μm DVB/CAR/PDMS)在28℃下顶空萃取30 min。后插入250℃的进样口中解析3 min,进行分析。
色谱条件:色谱柱为Agilent DB5MS石英毛细管柱(0.25 mm×30 m×0.25 μm)。进样口温度250℃,不分流进样。色谱柱起始温度60℃,2℃/min升温至100℃,保持5 min;再以5℃/min升温至200℃,保持5 min。载气采用纯度99.99%氦气,柱流量1.22 mL/min。
质谱条件:电离方式为EI,电离能量70 eV。离子源温度230℃,接口温度200℃。全扫描采集模式,质量范围35~500 amu。
1.4印度谷螟幼虫选择参数测定
试验使用Y形嗅觉仪测定印度谷螟幼虫趋性反应。Y形嗅觉仪由抽气泵、Y形透明玻璃管(适应臂长30 cm,处理臂、对照臂长20 cm,两臂之间夹角75°,直径4 cm)、食料投放瓶、活性炭空气过滤装置、空气加湿装置、气体流量计组成,以橡胶管依次连接。气流经除杂加湿后由Y形管处理臂和对照臂端通向适应臂端。试验前将Y形嗅觉仪置于(28±1)℃、 (75±5)% RH,空气洁净的环境中,以400 mL/min通气10 min至稳定。试验时,在处理臂所连食料投放瓶中加入3 g中药材样品(20目筛的筛上物),对照臂端为空。将20头饥饿12 h的印度谷螟3龄幼虫放入Y形管适应臂中心处,黑色遮光布覆盖下以400 mL/min流速通入空气,试虫选择20 min后观察并记录Y形管三臂中试虫数量,试虫(包括虫体2/3以上)运动至处理臂或对照臂超过3管结合部10 cm处视为做出选择,否则视为对该样品没有选择。每种药材样品进行10次平行试验,每3次试验后调换处理臂与对照臂位置,每5次试验后用75%乙醇清洗Y形管和食料投放瓶,待其干燥后继续试验。以对照臂和处理臂中均不加入食料為空白对照。按下列公式计算反应率、引诱率[45]和选择系数[44]。其中,反应率高反映试虫总体上有行为反应的数量多,引诱率高反映试虫被中药材挥发物引诱的数量多,选择系数大则反映趋向中药材的试虫数量明显多于对照臂中的试虫数量。
选择系数=(处理臂试虫数 对照臂试虫数)/(处理臂试虫数+对照臂试虫数);
引诱率=处理臂试虫数/测试总试虫数×100%;
反应率=(处理臂试虫数+对照臂试虫数)/测试总试虫数×100%。
1.5数据处理
数据采用Microsoft Excel 2010处理,通过SPSS 22.0数据处理系统进行 χ 2检验,用Duncan氏新复极差法进行多重比较。
2结果与分析
2.1测试中药材挥发物类别、种类数量及相对含量
7种中药材的挥发物类别及物质种类数量见表1。 测试条件下中药材所含有机化合物包括烷、烯、醛、醇、酸、酮、酯、其他等8类物质,除地黄中未检出醛类物质外,其他每种中药材中均检出了以上8类物质。测试中药材中所含挥发物成分数量存在明显差异,数量最多的黄芪,达54种,白芷为46种,防风为45种,山药有35种。成分种类数量较少的为地黄,有33种。同类物质在不同药材中的数量差异明显,烷烃类物质从射干中仅检测到2种,从山药中检测到10种,烯烃类物质在白芷、防风、黄芪中检测到14~17种而山药中仅检测到3种,醇类物质在白芷中检测到8种而地黄和板蓝根中仅检测到3种, 酸类物质板蓝根中最多,检测到11种,白芷中只检测到3种。醛(除地黄外其他6种中药材)、酯、酮以及其他类别物质种类数量则在1~7种。7种中药材中烯烃、烷烃、酸类物质种类数量差异较大,醇、醛、酯和其他类别物质种类数量差异相对较小。
图1表明不同药材所含物质类别的相对含量差异明显,烷烃类在山药中相对含量最高,烯烃类在白芷、防风和黄芪中含量最高,酸类在地黄和板蓝根中相对含量最高,射干中酮类相对含量最高。白芷、防风和黄芪中醇类挥发物相对含量均高于10%。地黄中其他挥发物相对含量高达20.34%。
通过常温顶空取样GCMS分析7种中药材样品主要成分如表2所示。相同测试条件下中药材的挥发物质种类差异明显,多种挥发性物质在3种以上的中药材中有检测出,且相对含量存在差异;有的则仅为某种药材特有。β甜没药烯、己醇、十六烷酸、丁内酯、6甲基5庚烯2酮为7种测定中药材中都含有的物质,但其在不同药材中的相对含量存在差异。除地黄外所有中药材中均含有α蒎烯和壬醛,2己酰呋喃在除山药外的6种中药材中检出,且其在不同药材中的相对含量有明显差异。香橙烯、(Z)2壬烯醛和癸酸分别为防风、山药和射干特有挥发性成分,相对含量均为最高。地黄、板蓝根、白芷和黄芪中相对含量最高的挥发性成分分别为甲氧基苯肟、十六烷酸、柏木烯和壬醛。
2.2印度谷螟幼虫对中药材的趋向性
表3显示,幼虫对不同中药材的趋向性差异显著,其对白芷、黄芪、防风、山药的选择系数均大于0,即试虫对以上中药材表现出正趋向性。对应地,幼虫对板蓝根、地黄、射干总体表现出负趋向性。试虫在有中药材的环境中的反应率明显大于不含中药材的对照环境,而试虫对不同中药材反应率的变化与选择系数的变化顺序有不一致的情况,其原因可能是有些个体受中药材挥发物的影响其运动的方向性不明显。从引诱率的结果看,即使存在试虫个体运动方向性不明显的情况下,白芷、黄芪和防风3种中药材仍对试虫总体表现出了较高的引诱率,比板蓝根、地黄、射干可明显引诱更多害虫。这可能与白芷、黄芪、防风含有较多吸引试虫的挥发物质种类,或某种挥发物质相对含量较高,或含有某些或某种特有挥发物质,或以上因素的综合作用有关。
从测试中药材的挥发成分种类看,试虫正趋向性较大(或引诱率较高)的白芷、黄芪和防风中烯烃类物质相对含量和成分种类数量都为最高,且醇类相对含量均大于10%,明显高于其他药材;试虫负趋向性明显的地黄、射干和板蓝根中酸类相对含量均高于20%,这些因素可能与试虫的选择行为有较大的关系。十六烷、柏木烯、β蒎烯、β榄香烯、β芹子烯、别香橙烯、柠檬烯、庚醇、月桂醇、己醛、癸酸癸酯和2壬酮仅存在于具有引诱效果的中药材中,松油烯、壬酸、十六烷酸甲酯、2丁酮、(E)6,10二甲基5,9十一碳二烯2酮、香叶丙基酮、甲氧基苯肟、2,6二叔丁基1,4苯醌仅出现在对印度谷螟幼虫驱避性明显的中药材中,这些物质可能与试虫的趋向性关系密切。防风和山药的特有挥发性成分香橙烯和(Z)2壬烯醛的相对含量最高,可能是吸引试虫的重要物质,试虫对射干产生的负趋向性也可能是因为其含有特有挥发性成分癸酸。这些可能影响害虫趋向性的挥发性成分值得进一步研究。
3讨论
在采用顶空 固相微萃取法与气相色谱法联用分析中药材中挥发性成分或进行质量检测的研究[46 -50]中, 多采用升温萃取的方式提高气相中挥发性成分含量,萃取温度一般为40~90℃。生产实践中中药材多在常温储藏时受到害虫为害,掌握常温下中药材的挥发物与害虫发生更为实际。印度谷螟的为害建立在其对食料选择的基础上,中药材对此害虫的吸引作用与其含有的挥发物质应有重要关系。了解中药材储存或常温条件下的挥发性成分,尤其是与引诱害虫关系密切的挥发物可为中药材储藏中利用引诱物诱捕害虫提供依据。白芷、黄芪和防风在高温条件下测得的挥发物成分数量分别达56、91种和71种[46- 48],远多于本研究常温条件下检出的物质种类数量46、54种和45种。相同试验条件下小麦、玉米和稻谷对印度谷螟幼虫的引诱率小于白芷、黄芪和防风[51]。常温条件下小麦、玉米和稻谷中挥发性成分仅有12、13种和14种[29],小于本研究检出的中药材挥发性成分种类数量,说明中药材中有更多的挥发性物质值得在诱捕害虫防治中加以关注。
鳞翅目成虫对食料选择的偏好性基于其产卵与卵的后期存活,幼虫對食料选择偏好性则是基于其取食喜好和后期生长和发育。食物及其挥发物对烟草甲Lasioderma serricorne (Fabricius)、谷蠹Rhizopertha dominica (Fabricus)、赤拟谷盗和印度谷螟等害虫的趋性行为有一定影响[29,52- 54]。花生、核桃、玉米、杏仁、小麦、可可等食物吸引印度谷螟[31,55- 59]。牛至Origanum vulgare (L.) ssp. hirtum的精油驱避印度谷螟幼虫[60]等都涉及挥发物对害虫的影响。本研究中白芷、黄芪、防风和山药的挥发物对印度谷螟幼虫有显著引诱效果,地黄、射干和板蓝根则对该害虫表现出一定驱避作用。在中药材储藏中会表现出白芷较其他几种中药材更易于受到印度谷螟幼虫为害,地黄、射干和板蓝根则不易被其为害。从害虫治理角度看,白芷、黄芪等更具有开发引诱剂的潜力,地黄、射干等则有望用于驱避害虫以减少甚至避免印度谷螟发生。
不同中药材的挥发性成分、不同类别的成分数量及其相对含量有很多差异,且不同中药材有其各自的特有成分。单一挥发物作用、多种挥发物联合作用、各种挥发物的浓度、剂量和比例均可能成为影响害虫趋向性的重要因素[17]。烯炔类和酸类挥发物可能有助于引诱印度谷螟成虫[29],本研究中烯类和醇类物质在具有引诱效果的中药材中含量较高,酸类、酮类和其他类物质在具有驱避效果的药材中相对较多,表明烯类挥发物可能对吸引印度谷螟具有重要作用,酸类挥发物可能对不同虫态印度谷螟的吸引作用不同,这两类挥发物值得进一步研究。壬醛能够有效引诱印度谷螟成虫[30-31],十六烷酸对亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis Guenée驱避效果显著,被认为是其抗聚集信息素[61]。壬醛和十六烷酸在测试药材中多次检出,而其相对含量与所测药材对试虫的引诱率相关性不明显,可能还与挥发物的含量、其他物质的干扰等有关。β蒎烯相对含量最高的前胡对药材甲引诱效果显著[43],本研究中也从引诱效果显著的中药材中检测到β蒎烯,进一步说明β蒎烯可能是吸引印度谷螟的重要物质。十六烷、柏木烯、柠檬烯、β蒎烯、β榄香烯、β芹子烯、别香橙烯、庚醇、月桂醇、己醛、癸酸癸酯和2壬酮仅存在于具有引诱效果的中药材中,松油烯、壬酸、十六烷酸甲酯、2丁酮、(E)6,10二甲基5,9十一碳二烯2酮、香叶丙基酮、甲氧基苯肟、2,6二叔丁基1,4苯醌在具有驱避效果的中药材中发现。壬醛、柏木烯、香橙烯在黄芪、白芷和防风中相对含量最高,癸酸和甲氧基苯肟在射干和地黄中相对含量最高,这些挥发物可能也是影响印度谷螟幼虫趋向性的重要物质。
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收稿日期:2020 11 22修訂日期:2020 12 29
基金项目:
国家重点研发计划(2017YFC1600800)
* 通信作者
Email:wangdianxuan62@126.com