截形叶螨取食对马铃薯酶活性的影响

马 岳，张克信，王发伍，张强艳，张艳蕾，陶 妍，刘慧萍，刘长仲

（甘肃农业大学植物保护学院/甘肃省农作物病虫害生物防治工程实验室，兰州 730070）

0 引言

马铃薯(Solanum tuberosum)是重要的粮食作物和经济作物，相对于其他粮食作物环境适应力强、产量潜力大、分布范围广、淀粉含量高。这些突出的优点使得马铃薯成为世界上仅次于水稻和小麦的第三大粮食作物。近年来，马铃薯种薯和商品薯价格上扬，生产效益明显高于小麦等其他粮食作物，农民种植积极性有很大程度的提高，种植面积呈扩大化趋势，倒茬不及时，重茬、迎茬现象连年加重。加之秋茬作物面积大，伏耕面积小，当年的耕地得不到充分晒垄熟化和杀菌灭虫，使得薯地病虫害连年加重。大部分种植户长期、单一、大量、无节制地使用农药，防治病虫害综合措施少，防治方法不当等问题突出，导致马铃薯质量下降[1]。

截形叶螨(Tetranychus truncatus)为蜱螨亚纲蜱螨目叶螨科害虫，国内过去长期将其与二斑叶螨和朱砂叶螨等近缘种混淆在一起，作为复合种棉红蜘蛛(T.telarius)来研究。截形叶螨的多食性使其成为农业害虫大爆发的一类，近年来在甘肃的玉米种植田爆发成灾，其庞大的发生量也成为扩散到周边其他种类农田的重要虫源[2]。在部分与玉米邻作、轮作及套作的马铃薯田，截形叶螨已逐渐成为马铃薯的重要害虫之一。

目前对叶螨适应多寄主的机制研究多集中在二斑叶螨，其他叶螨研究很少。对截形叶螨适应多寄主的机制的研究刻不容缓。国内马铃薯品种的选育多集中在对推广种植地的气候、土壤条件、海拔高度等自然的非生物因素和当地经济结构、农业规划等人文因素考虑的基础上，在育种、选种过程中往往忽略或很少考虑侵入薯田的病虫害因素，而是在种植过程中出现病虫害时才找寻解决方法。本研究测定了2个不同抗旱性和不同生长期的马铃薯品种在被叶螨取食后CAT、POD、PPO、PAL、LOX等5种酶活性的变化，旨在为马铃薯叶螨的科学防治和种薯的品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试植物‘陇薯10号’（晚熟，耐旱型品种）和‘荷兰15号’（早熟，干旱敏感型品种）种薯均由甘肃起东翔电子商务有限公司提供，选用当年培育出的马铃薯原种。马铃薯种薯栽种于花盆（d=17 cm、h=13 cm，每盆保苗3株）中育苗，土壤选用甘肃绿能农业科技股份有限公司培育的育苗营养基质壮苗1号。在人工气候箱（(25±1)℃恒温，RH(60±5)%，16L:8D）中进行前期育苗，待种苗植株高度达20 cm时挑选长势一致的植株并保证单盆单株供试。

1.1.2 供试虫源 截形叶螨于2019年采自甘肃天水马铃薯田，后于实验室马铃薯植株上长期饲养（(25±1)℃恒温，RH(60±5)%，16L:8D），形成稳定的害螨种群用于研究。试验在甘肃农业大学植物保护学院甘肃省农作物病虫害生物防治工程实验室，于2019年12月—2021年12月进行。

1.2 研究方法

1.2.1 接种处理及样品收集‘陇薯10号’、‘荷兰15号’各设置4个接虫处理，分别为接虫0(CK)、3、5、7天，每个处理重复3次，每个重复接虫200头。在处理结束后及时选取马铃薯植株相同部位的叶片（整个植株分上、中、下3个部分，选取叶片比例上:中:下=2:6:2并扫除害螨），经液氮处理10 min后保存于-80℃冰箱以备测定叶片防御酶活力，每个酶活测定试验均采集24个样品。

1.2.2 马铃薯叶片酶活测定 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(peroxidase，POD)和过氧化氢酶(catalase，CAT)、苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase，PAL)、植物中脂氧合酶(lipoxygenase，LOX)活性选用上海优选生物科技有限公司生产的试剂盒（编号分别为YX-C-A500、YX-C-A520、YX-W-A510、YX-W-A604、YX-C-B404）进行测定。

1.2.3 数据处理 采用Microsoft Excel 2013统计处理试验数据，整理后的数据使用SPSS 26.0软件进行统计分析，种内采用单因素方差分析，种间采用独立样本T检验来显著性检验，用Duncan's新复极差法进行多重比较，全部数据均为平均值±标准误，以P＜0.05作为差异显著性标准，作图软件使用Microsoft Excel 2013。

2 结果与分析

2.1 叶片CAT活性

由图1可知，‘荷兰15号’(H)和‘陇薯10号’(L)2个马铃薯品种被截形叶螨取食后叶片CAT含量均呈现先升高后下降的趋势。在接虫0天时（即马铃薯植株未被截形叶螨取食）H和L的CAT活性无显著差异，分别为7.4、7.6 U/mg。被叶螨取食后，2个品种的CAT活性均在第3天达到最高值，其中处理3天的H叶片CAT含量显著高于L，其他时间H中CAT活性与L均无显著差异。对于H，处理3天后叶片CAT活性显著高于CK、处理5天和7天的CAT含量，分别为0天的1.5倍、5天的1.7倍、7天的2.9倍。对于L，处理3天后叶片CAT活性与CK差异不显著，但显著高于处理5天和7天的CAT含量，分别为5天的1.7倍、7天的2.7倍。

图1 截形叶螨取食对马铃薯CAT活性的影响

2.2 POD活性

由图2可知，2个马铃薯品种被截形叶螨取食后叶片POD含量均呈现先升高后下降的趋势。在接虫0天时，L叶片中POD活性极显著高于H，分别为98.4、32.0 U/(g·min)。被叶螨取食后，2个品种的POD活性均在第3天达到最高值，并且处理3、5、7天的L叶片中POD活性均极显著高于H。对于H，3天后叶片POD活性显著高于CK、处理5天和7天的POD含量，处理3天后叶片POD活性分别为0天的2.7倍、5天的4.8倍、7天的6.0倍。对于L，3天后叶片POD活性显著高于CK、处理5天和7天的POD含量，处理3天后叶片中POD活性分别为0天的1.2倍、5天的2.1倍、7天的2.2倍。

图2 截形叶螨取食对马铃薯POD活性的影响

2.3 PPO活性

由图3可知，2个马铃薯品种被截形叶螨取食后叶片PPO含量均呈现先升高后下降的趋势。在接虫0天时H中PPO活性显著高于L，分别为28.9、25.6 U/(g·min)。被叶螨取食后，2个品种的PPO活性均在第3天达到最高值，处理3天的H叶片中PPO活性仍然显著高于L，处理5天的L叶片中PPO活性显著高于H，处理7天相比无显著差异。且在处理3天后H和L叶片中PPO活性达到最高。对于H，处理3天后叶片PPO活性显著高于CK、处理5天和7天的PPO含量，处理3天后叶片PPO活性分别为0天的1.2倍、5天的1.5倍、7天的1.5倍。对于L，处理3天后叶片PPO活性显著高于CK、处理5天和7天的PPO含量，处理3天后叶片中PPO活性分别为0天的1.1倍、5天的1.1倍和7天的1.1倍。

图3 截形叶螨取食对马铃薯PPO活性的影响

2.4 PAL活性

由图4可知，2个马铃薯品种被截形叶螨取食后叶片PAL含量均呈现先升高后下降的趋势。在接虫0天时H和L的PAL活性无显著差异，分别为81.4、80.6 U/g。被叶螨取食后，2个品种的PAL活性均在第3天出现峰值，2个品种间除处理3天叶片中PAL含量无显著差异外，处理5天和7天的H叶片中PAL活性均极显著高于L。对于H，处理3天后叶片PAL活性显著高于CK、处理5天和7天的PAL含量，处理3天后叶片PAL活性分别为0天的1.4倍、5天的1.4倍、7天的1.8倍。对于L，处理3天后叶片PAL活性显著高于CK、处理5天和7天的PAL含量，处理3天叶片中PAL活性分别为0天的1.3倍、5天的1.9倍和7天的2.7倍。

图4 截形叶螨取食对马铃薯PAL活性的影响

2.5 LOX活性

由图5可知，2个马铃薯品种被截形叶螨取食后叶片LOX含量均呈现先升高后下降的趋势。在接虫0天时H和L的LOX活性无显著差异，分别为30.5、31.1 U/(g·min)。被叶螨取食后，2个品种的LOX活性均在第3天出现峰值，但同一处理时间2个品种之间均无显著差异。对于H，处理3天后叶片LOX活性显著高于CK、处理5天和7天的LOX含量，处理3天后叶片LOX活性分别为0天的1.4倍、5天的1.4倍、7天的3.0倍。对于L，处理3天后叶片LOX活性显著高于CK、处理5天和7天的LOX含量，处理3天后叶片中LOX活性分别为0天的1.5倍、5天的1.9倍、7天的2.8倍。

图5 截形叶螨取食对马铃薯LOX活性的影响

3 讨论

CAT是一种抗氧化酶，普遍存在于植物组织中，能够将植物体内多余的H2O2清除，在生物氧化过程中处于一系列抗氧化酶的终端位置。POD是活性较高的适应性酶，能够反映体内代谢状况以及对外环境的适应性、植物生长发育的特性。从春雷等[3]研究了西花蓟马取食与机械损伤对菜豆叶片抗氧化系统的影响，发现西花蓟马取食与机械损伤2种处理诱导及处理诱导时间的不同导致SOD、POD、CAT 3种抗氧化酶活性有不同程度的升高。其他昆虫的取食和机械损伤也可以引起植物体内保护酶活性的变化，Mithöfer等[4]研究表明，海灰翅夜蛾(Spodoptera littoralis)取食和机械损伤处理后利马豆(Phaseolus lunatus)叶片内CAT、POD的活性均升高。毛红等[5]研究绿盲蝽取食与机械损伤对棉花叶片内防御酶活性的影响，发现绿盲蝽取食诱导不同抗性叶片的POD的活性显著升高，机械损伤处理后POD的活性变化没有绿盲蝽取食诱导的明显。杨晓婷等[6]研究了烟蓟马(Thrips tabaci)取食与机械损伤诱导对葱保护酶的影响，比较不同处理在不同时间段保护酶活力的变化差异，结果表明，烟蓟马取食后小葱POD、SOD活力在24、48、72、96 h时变化趋势是先上升后下降，CAT在24 h、48、72、96 h是一个不断上升的过程，烟蓟马取食与机械损伤的诱导处理均导致葱叶片内3种保护酶活性升高，烟蓟马取食处理保护酶活性变化高于机械损伤处理对小葱保护酶的影响。这些研究和本研究结论相一致，本研究中在截形叶螨为害马铃薯后，2个品种的植株CAT、POD在时序上都表现出不同程度的先上升后下降，并在处理3天后达到各自的峰值，且在处理7天后达到最低水平。表明叶螨的取食胁迫可以有效促进马铃薯植株保护酶，尤其是抗氧化系统的激发，可以有效地清除植株体内的活性氧，从而在生理水平上形成对昆虫胁迫的有效防御。处理3天后‘荷兰15号’CAT活性显著高于‘陇薯10号’，尽管同一处理时间‘陇薯10号’POD活性极显著高于‘荷兰15号’，但‘荷兰15号’在被叶螨取食为害后的增长幅度更大。

多酚氧化酶(PPO)对植物的生物合成、光合作用以及抵御外界胁迫等起重要作用，但在果蔬中常引发褐变，使营养、味道和颜色等遭到破坏。当植物受到昆虫取食胁迫时，常通过天然屏障（如木质素、细胞壁、角质层、蜡质层等）发挥作用。其次，植物组织结构在局部坏死时，通过在侵染部位形成枯斑，使病原菌得不到营养而最终死亡。Irawati等[7]研究发现，病原菌侵染能成功诱导植物体内酚类物质的生成和积累，该种物质与PPO反应后生成醌类，而后再与其他物质交联，产生的物质最终充当物理屏障，阻止病原菌进一步侵袭，从而保护植物组织。李保聚等[8]研究发现，在接种黄瓜黑星病菌后抗病品种叶组织PPO活性明显高于对照和感病品种。Quandahor[9]研究发现在3个抗旱性强弱不同的马铃薯品种中‘，大西洋’表现出对桃蚜更高的耐受性。本研究和上述研究结果相符。本研究中2个品种的马铃薯在被叶螨为害后在时序上的表现都是先升高后下降，且在处理3天后叶片PPO活性达到峰值，其中‘荷兰15号’在时序上变化更剧烈。表明叶螨取食可以有效刺激马铃薯PPO活性的增强，健康植株能在一定时间内对这种刺激做出积极的防御反应。处理0天和3天后‘荷兰15号’PPO活性显著高于‘陇薯10号’，处理5天后‘陇薯10号’PPO活性显著高于‘荷兰15号’‘，荷兰15号’表现出较高的抗螨性，干旱敏感型马铃薯品种比耐旱型有更好的抗螨性。

苯丙氨酸解氨酶(PAL)与总酚等物质联合参与植物的抗逆反应。唐永萍等[10]在研究不同灰霉病抗性苹果果实中酚类物质代谢特征中发现，3个苹果品种的果实在接种灰葡萄孢菌后7天内果肉组织中PAL的活性变化均表现为先升后降，并在3天后达到峰值。秦秋菊等[11]研究发现，机械伤害和蚜虫侵害对棉花幼苗的PAL活性有显著影响，棉苗在蚜虫侵害诱导的挥发物作用下，24 h和48 h下的PAL活性均比对照提高了6%，此外PAL的诱导还可以增强邻近健康苗的抗性。Quandahor[12]研究发现，干旱敏感型马铃薯品种表现出对桃蚜更高的耐受性。本研究与上述研究结果一致。在马铃薯被叶螨侵染的7天内，2个品种的马铃薯PAL在时序上都呈现出先升高后下降的趋势，并均于3天后PAL活性达到最高水平，在7天后活性显著低于健康植株水平。表明叶螨的取食刺激能够在一定时间内有效促进马铃薯植株合成PAL并表达，以提高植株自身对叶螨取食的防御能力。处理5天后‘荷兰15号’PAL活性显著高于‘陇薯10号’，处理7天后‘荷兰15号’PAL活性极显著高于‘陇薯10号’，‘荷兰15号’表现出较高的抗螨性，干旱敏感型马铃薯品种比耐旱型有更好的抗螨性。

脂氧合酶(LOX)属于氧化还原酶，在植物体内能专一催化含顺,顺-1,4戊二烯结构的多元不饱和脂肪酸的加氧反应，生成氢过氧化物，其反应中生成的各种次级产物会影响食物的品质和营养价值，它是植物十八碳酸代谢途径的关键酶，在调节植物的生长发育、成熟衰老、抗虫、抗病及抗胁迫等过程中起到重要的作用[13]。当植物受到伤害和病虫害侵害时，LOX的活性和代谢产物剧增，氧化自由基、氢过氧化物及挥发性醛类化合物在一定程度上都能抑制病虫的生长，不仅抵御微生物的侵染，还能促进伤口愈合，相同时段下抗病植株的LOX活性比敏感植株的高得多。Gobel等[14]在培养马铃薯细胞中加入晚疫病的抽取物，培养一段时间后发现LOX活性大幅度提高，并检测出抵御病虫害基因表达量也大幅度增加。脂氧合酶的诱导表达作用已经在植物受到机械损伤、昆虫取食和病原菌侵染中得到证明[15-19]。杨毛臀萤叶甲取食能诱导桤木叶片中酚类物质的含量增加，使得在防御反应中起作用的多酚氧化酶、脂氧合酶和过氧化物酶的活性增加，蛋白酶抑制剂也增多[20-22]。大豆通过LOX途径对昆虫的取食作出反应，大豆夜蛾(Anticarsia gemmatalis)取食大豆植物后会诱导脂氧合酶活性增加、蛋白酶抑制剂增多，同时，茉莉酸会激活编码蛋白酶抑制剂基因的转录[23]。此外，吕敏等[24]研究发现，昆虫取食和机械损伤不仅会诱导棉花、玉米植株的LOX活性升高，还能诱导邻近健康植株的LOX活性升高，并且LOX在昆虫取食和机械损伤诱导的棉花、玉米间通信中起作用。本研究和上述研究结果一致，马铃薯在受到叶螨取食刺激后LOX活性在时序上表现为先升高后降低的趋势，且2个品种均在3天后LOX活性达到峰值，在此之后持续下降，于7天后达到最低水平并显著低于健康植株。表明叶螨的取食刺激可以有效马铃薯植株LOX的表达，LOX途径明显参与了植物防御昆虫取食诱导的防御反应。同一时间内2个品种间LOX的活性差异不显著。

本试验首次以甘肃省内马铃薯截形叶螨为研究对象，对比探究不同抗旱性的马铃薯品种对截形叶螨的抗性表达；首次以‘荷兰15号’和‘陇薯10号’马铃薯品种和马铃薯截形叶螨为试验材料，探究马铃薯抗旱性和抗螨性是否存在相关性。但该试验在寄主材料上只选用了‘荷兰15号’和‘陇薯10号’马铃薯品种，未充分考虑其他马铃薯品种在抗螨性上是否存在优势；未考虑其他种、属的马铃薯害虫，仅将马铃薯截形叶螨作为接种害虫。试验仅对马铃薯品种的抗旱性和马铃薯抗螨性有一定的指导意义，对马铃薯品种的其他抗性未做研究，试验结果也仅适用于马铃薯品种抗旱性和抗螨性相关性的研究。在实际生产中薯田的虫害情况往往比试验中要复杂得多，在同一时空中多个种、属的害虫往往会同时存在，防控难度更大。在今后的研究中应该多设计并进行大田试验，增加多个马铃薯品种和多种马铃薯害虫，以探究适用于复杂实际生产中更有效的病虫害防止措施，为甘肃省乃至全国薯田病虫害绿色防控做出绵薄贡献。

4 结论

本试验将截形叶螨接种到2个耐旱能力不同的马铃薯品种上，通过测定7天内的马铃薯生理酶活性来比较不同马铃薯品种对叶螨取食危害的防御响应。CAT、POD、PPO、PAL、LOX 5种防御酶活性在受到叶螨取食刺激后都表现出不同程度的增强，均参与了植物机体对昆虫的防御反应，通过促进受害植株体内自由氧的消减，木质素、花青素、生物碱等苯丙素类化合物、氢过氧化物含量的提高来增强机体防御能力。在各防御酶活性出现峰值后持续下降并于7天后显著低于健康植株水平，说明叶螨在时序上持续危害后能导致植株机体紊乱，从而导致植株不能很好地持续性维持对螨害的高效性防御响应。受到叶螨取食刺激后的LOX活性增减程度在品种间没有显著差异，但从CAT、PPO和PAL看干旱敏感型马铃薯品种比耐旱型有较高的抗螨性；尽管耐旱型马铃薯品种的POD活性比干旱敏感型高，但被叶螨取食为害后干旱敏感型马铃薯品种的POD活性增长幅度更大。总体分析，马铃薯品种的抗螨性和其本身耐旱性、品种生长期长短的关系是非线性的，但干旱敏感型表现出较高的抗螨性。此外，叶螨危害不同于其他昆虫的是，其为害时会在植株叶片上和分枝之间吐丝结网，且随危害时间的延长结网增多、增厚，必定会影响植物光合作用进而影响植株营养物质的积累，从而加快螨害株的凋零、死亡。