不同地理来源蚕豆种质的绿豆象抗性特征分析

杨 新，杨 峰，吕梅媛，于海天，胡朝芹，王玉宝，郑爱清，代正明，唐永生，代 快，王丽萍，何玉华*

（1.云南省农业科学院粮食作物研究所，昆明 650205；2.曲靖市农业科学院，曲靖 655000，云南；3.云南省烟草公司玉溪市公司/烟草行业病虫害生物防治工程研究中心，玉溪 653100，云南）

蚕豆（Vicia fabaL.）属豆科（Leguminosae），蝶形花亚科（Papilionaceae），野豌豆族（Vicieae），巢菜属（ViciaL.），初生起源中心为亚洲西部和非洲北部，距今已有超过5000年的栽培历史，在中国的栽培历史也已超过2100年[1]。蚕豆在长期的栽培驯化中发展为一种多用途多功能作物，在生产中可用作粮食、蔬菜、饲料和绿肥种植[2]，中国是世界第一蚕豆生产大国，蚕豆种植面积和总产量均居世界首位，近年来我国蚕豆种植面积常年保持在140万hm2左右，达到世界总种植面积的50%以上[3]。随着蚕豆生产水平的不断提高和蚕豆贸易的日益增长，对蚕豆的仓储和运输等环节也提出了新的要求，使得蚕豆的安全存储变得越来越重要[4]。然而，当前蚕豆仓储和运输过程中所面临的虫害问题越来越突出，特别是绿豆象的为害尤其引起广泛关注[5]。研究表明，在仓储期间绿豆象对大多数食用豆类籽粒均可造成为害，其中对蚕豆籽粒的为害率可达30%以上，可造成50%以上的产量损失，特别是成虫羽化后形成的二次侵染往往造成十粒九空，导致产量和品质严重下降，对我国食用豆类的仓储和贸易造成严重损失[6-9]。长期以来，对绿豆象的防治普遍采取化学方法，这不仅会对环境造成污染还严重影响蚕豆的品质[10]，如果能通过作物自身的抗虫特性抑制绿豆象为害则不仅经济有效，也是绿色农业发展的需求[11]。然而，当前有关蚕豆抗绿豆象的研究明显落后于豌豆、绿豆和小豆等其他食用豆类作物[12-15]，极少有关于蚕豆抗绿豆象机制研究及品种筛选的相关报道[16]。本研究选取具有代表性的不同地理来源蚕豆种质，通过考察绿豆象饱和侵染下不同蚕豆种质的籽粒受害率、虫重和虫孔数等抗虫性相关指标对其绿豆象抗性进行鉴定，以期对蚕豆种质资源的绿豆象抗性进行初步鉴定并筛选出抗虫材料，为未来蚕豆抗绿豆象品种选育及相关研究提供参考和理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料来自国家种质库（全国统一编号H0000097-H0006317）共计1 380份，在云南典型蚕豆产区生态条件下经过连续3年种植提纯并筛选出表现良好的蚕豆资源共计874份，其中来自国内的材料为831份，国外的资源为43份。参试材料地理来源信息见表1；按不同种皮色划分参考《蚕豆种质资源描述规范和数据标准》[17]，种皮色可划分为深色（黑色、褐色、乳白色）401份、青绿色（青色、绿色等）360份及混合色（兼有深色和青色）113份；按百粒重则参考《蚕豆生产技术》[18]划分为大粒（大于120 g）、中粒（70～120 g）和小粒（小于70 g）材料（表2）。

表1 参试材料地理来源Table 1 The geographic origin of test materials

表2 参试材料粒色和百粒重Table 2 The seed color and hundred-grain weight of test materials

1.2 试验方法

绿豆象抗性鉴定蚕豆资源为在云南蚕豆典型生境条件下表现较优的蚕豆种质874份，试验材料分别于2015—2016年（2015年10月播种，2016年4月收获）和2016—2017（2016年10月播种，2017年4月收获）年种植于云南省农业科学院粮食作物研究所禄劝试验基地，在两季田间试验中于蚕豆生长期间记录花色、粒色和百粒重等性状，蚕豆收获后从每份材料中精选健康无虫眼的籽粒20粒并置于小培养皿中（不加盖），后摆放于长方体种子盒（长70 cm×宽50 cm×高25 cm）内并放置于普通仓库内人工接种绿豆象，其间不做任何防虫处理。待绿豆象自然饱和侵染后，进行受害籽粒绿豆象鉴定，以电镜扫描触角识别法[19]排除豆象属其他类型豆象后调查参试材料受害情况，测定指标包括产卵率、虫孔数、虫重和籽粒受害率（受害籽粒的百分比）等。根据蚕豆籽粒受害情况对参试材料抗虫性进行初步评价，评价标准参照绿豆象抗虫性评价标准进行抗虫性等级统计[20]（表3）。

表3 绿豆象抗性等级划分Table 3 Evaluation criteria of resistance to Callosobruchus chinensis L.

1.3 数据统计及分析

试验数据采用Microsoft Excel进行整理，用Statistix（Stat Soft Inc.Statistix.Tulsa OK.1991）、SAS 8.0程序进行数据整理、方差分析和多重比较，采用Sigma Plot 12.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 蚕豆种质的绿豆象抗性分布

对绿豆象饱和侵染后蚕豆种质籽粒受害情况的研究表明，所有参试种质籽粒表面均有绿豆象卵附着，但不同种质籽粒受害率差异明显，根据绿豆象抗性等级划分（表3）结果显示：874份参试材料的抗性分布主要有4个等级，即高抗、抗、感和高感，各抗性等级材料数分别为高抗27份、抗12份、感270份和高感565份，占比分别为3.1%、1.1%、30.9%和64.9%（图1）。由此可知，本试验中参试蚕豆资源对绿豆象的抗性分布表现为感和高感材料占比极大，而中间抗性材料占比极小。

图1 蚕豆种质抗性分布Figure 1 Level of resistance of faba bean germplasms

2.2 不同类型蚕豆种质对绿豆象的抗性

2.2.1 不同粒色蚕豆的绿豆象抗性

试验结果显示，蚕豆深色种质抗性分布表现为高抗（HR）7份，抗（R）3份，感（S）92份，高感（HS）299份，占比分别为1.7%、0.7%、22.9%和74.7%；青绿色种质抗性分布表现为高抗（HR）11份，抗（R）6份，感（S）129份，高感（HS）212份，占比分别为3.1%、1.7%、36.0%和59.2%；混合色种质抗性分布表现为高抗（HR）8份，抗（R）2份，感（S）25份，高感（HS）80份，占比分别为7.0%、1.7%、21.7%和69.6%（图2）。不同粒色蚕豆种质的平均抗虫率最高的材料混合色为8.7%，而深色和青色材料分别为2.4%和4.8%。

图2 不同粒色蚕豆种质抗性分布Figure 2 Level of resistance of faba bean germplasms with different seed color

对被绿豆象蛀食的蚕豆种质统计分析表明，不同粒色种质的每份虫重和虫孔数有显著性差异，深色、青色和混合色感虫蚕豆种质的平均虫重分别为120.2、96.6和91.1 mg，虫孔数分别为22.3、19.5和19.7。深色蚕豆种质的平均虫重和虫孔数均显著高于青色和混合色种质，而青色和混合色种质间则无显著差异（表4）。结合不同粒色蚕豆种质的抗虫率可知，抗虫率越高的种质其每份虫重越低，虫孔数也越少。

表4 不同粒色蚕豆虫重和虫孔数Table 4 The weight and puncture hole numbers of the insect in faba bean with different seed color

2.2.2 不同百粒重蚕豆的绿豆象抗性

将参试蚕豆种质按照百粒重划分为大粒、中粒和小粒（表2），对不同百粒重蚕豆种质的绿豆象抗虫性分析结果显示：大粒、中粒和小粒蚕豆种质的平均抗虫率分别为2.5%、3.8%和8.1%，表明随着蚕豆籽粒的增大，其对绿豆象的抗性呈下降趋势。不同百粒重蚕豆种质对绿豆象的抗性分布具体表现为：大粒种质高抗（HR）2份，抗（R）1份，感（S）26份，高感（HS）89份，占比分别为1.7%、0.8%、22.0%和75.5%；中粒种质高抗14（HR）份，抗8（R）份，感（S）171份，高感（HS）391份，占比分别为2.4%、1.1%、29.2%和67.0%；小粒种质高抗（HR）11份，抗（R）3份，感（S）65份，高感（HS）93份，占比分别为6.4%、1.7%、37.8%和54.1%（图3）。

图3 不同百粒重蚕豆种质抗性分布Figure 3 Level of resistance of faba bean germplasms with different hundred-grain weight

对受绿豆象蛀食的蚕豆种质每份虫重和虫孔数的统计分析表明，不同百粒重水平的蚕豆种质受侵染籽粒的虫重和虫孔数均存在显著差异，大粒、中粒和小粒种质的平均虫重分别为154.7、109.7和56.7 mg；虫孔数分别为23.9、20.9和18.0，即随着蚕豆百粒重的降低，绿豆象虫重和虫孔数均显著下降（表5）。结合不同百粒重蚕豆种质的抗虫率可知，百粒重越高的种质抗虫率越低，每份虫重和虫孔数则越高。

表5 不同百粒重蚕豆虫重和虫孔数Table 5 The weight and puncture hole numbers of the insect in faba bean with different hundred-grain weight

2.2.3 不同地理来源蚕豆的绿豆象抗性

对不同地理来源蚕豆种质的抗虫等级调查显示，来自国内和国外的种质抗性分布均表现为感和高感种质占比极大，而中间抗性种质占比极小。具体表现为：国内种质高抗（HR）26份，抗（R）11份，感（S）257份，高感（HS）537份，占比分别为3.1%、1.3%、30.9%和64.7%；国外种质高抗（HR）1份，抗（R）1份，感（S）13份，高感（HS）28份，占比分别为2.3%、2.3%、30.2%和65.2%；国内和国外种质的平均抗虫率较为接近，分别为4.4%和4.6%（图4）。同时，对已受绿豆象蛀食的国内外蚕豆种质虫重和虫孔数的调查表明，国内和国外种质虫重分别为每份104.1和110.9 mg，两者差异不显著，而虫孔数则分别为20.8和23.7，两者差异达显著水平，两者绿豆象综合抗性无明显差异（表6）。

图4 不同地理来源蚕豆种质抗性分布Figure 4 Level of resistance of faba bean germplasms from different geographic origin

表6 不同地理来源蚕豆虫重和虫孔数Table 6 The weight and puncture hole numbers of the insect in faba bean from different geographic origin

对国内种质抗虫性的研究显示，不同省份的蚕豆种质抗虫性分布特点表现一致，均为感和高感占比极大，而高抗和抗性占比极低，且不同省份间抗虫率有明显差异。其中，来自重庆、湖南、浙江、安徽和江西的蚕豆种质具有较高的抗虫率，而云南、四川、陕西和贵州的种质抗虫率较低，另外，来自甘肃、青海、江苏和广西的蚕豆种质则因样本量较小，其抗虫率需进一步鉴定（表7）。对各省份受绿豆象蛀食的蚕豆种质虫重和虫孔数的调查表明，不同省份间虫重有显著差异，其中，来自安徽、重庆、江苏和云南的蚕豆种质虫重分别为218.6、188.1、187.5和185.0 mg，显著高于青海、湖南、江西、陕西和贵州的蚕豆种质；虫孔数在不同省份间也存在显著差异，其中云南和四川的种质虫孔数显著高于湖南、安徽和广西（表8）。

表7 不同省份来源蚕豆抗性分布和抗虫率Table 7 The resistant level and rate of the insect of faba bean from different provinces of China

表8 不同省份来源蚕豆虫重和虫孔数Table 8 The weight and puncture hole numbers of the insect in faba bean from different provinces of China

2.3 虫重与虫孔数的相关性

对参试蚕豆种质的虫重与籽粒虫孔数的线性拟合结果显示，虫重与虫孔数的相关系数（R2）为0.06，两者无显著相关关系，即虫孔数的增加并不依赖于虫重的增加（图5）。这说明绿豆象蛀食蚕豆籽粒也具有二次侵染特性，会反复蛀食蚕豆籽粒造成一虫多孔的蛀食为害，这不同于豆象科其他豆象对食用豆的“一豆一虫，蛀食一孔”的侵染特征，绿豆象即使较少的虫重也能造成蚕豆籽粒较多的虫孔数。

图5 虫重与虫孔数的相关分析Figure 5 The relationship of weight and puncture hole numbers of the insect

3 讨论

3.1 蚕豆种质对绿豆象的抗性

在本试验中874份蚕豆种质受绿豆象的为害情况差异较大，对绿豆象的抗性存在显著的品种间差异，总体抗性分布表现为感和高感材料占比极大，而中间抗性的高抗和抗则占比极低（图1）。然而，与本研究结果不同，张红岩等[16]对500份蚕豆种质的研究则表明不同蚕豆资源对绿豆象的抗性分布呈“正态分布”，即免疫和高感材料占比小，而中间抗性材料占比大。另外，唐永生等[21]对100份蚕豆栽培品种的研究结果则显示，除高感材料占比较大（48%）外，其余抗性材料占比较为接近，总体上并未表现出“正态分布”特征，本研究中蚕豆种质对绿豆象抗性分布规律表现出的明显差异可能是由试验选取的蚕豆种质差异所致。蚕豆抗虫基因的相关研究明显落后于绿豆，已有较多的研究证实绿豆的抗虫性由一个显性单基因控制[22-24]，而当前有关蚕豆抗绿豆象基因分布和抗性机制的研究还极少，张红岩等的研究指出蚕豆对绿豆象的抗性可能由多基因控制[16]。因此，蚕豆在绿豆象抗性表现上的差异性和多样性与其基因调控有关，需对更多的蚕豆抗虫资源进行进一步研究来明确其主效基因。

3.2 不同类型蚕豆种质绿豆象抗性差异

在蚕豆品种选育和生产中，种皮颜色是区分其品种和品质的重要指标之一，不同蚕豆种质的粒色差异也较大，在本研究中依照《蚕豆种质资源描述规范和数据标准》[17]将参试蚕豆种质划分为深色、青色和混合色，并对其绿豆象抗性进行鉴定。试验结果显示，不同粒色蚕豆种质的绿豆象抗性有较大差异，混合色蚕豆种质抗虫率、虫重和虫孔数均最低，对绿豆象的综合抗性强于深色和青色蚕豆种质（图2、表4）。然而，张红岩等[16]的研究则表明相较于青色种质，深色蚕豆种质具有更佳的绿豆象抗性；仲伟文等[25]对不同粒色豌豆种质的绿豆象抗性研究也表明深色种质较青色种质具有更好的抗性，这可能是因试验选取材料不同差异所致。蚕豆籽粒内含物质可能会影响绿豆象的取食选择和偏好，有研究表明不同粒色蚕豆品种内含物质差异较大，如张杰等[28]的研究表明，蚕豆种皮酚类物质含量与其粒色有关联且存在显著的品种间差异；单宁是植物重要的抗虫次生物质之一，也有明显的品种间差异，通常粒色越深其单宁含量越高[26-27]，但目前尚无研究明确单宁含量的高低与豆类抗虫性的直接关联，另外对绿豆象取食起抑制作用的次生物质还有生物碱、凝集素（PHA）、豆酸A、环形肽和淀粉酶抑制剂等[29-30]。因此，不同蚕豆粒色对绿豆象抗性差异是否因其内含抗虫物质所致，以及何种抗虫物质是主效因子等还需进一步研究。百粒重在蚕豆品种选育中也是极为重要的一个指标，百粒重的大小不仅是蚕豆重要的产量构成因子还与其品质有密切关联。在本研究中，将参试蚕豆种质按百粒重划分为大粒、中粒和小粒并考察其绿豆象抗性差异，结果显示随蚕豆百粒重的增大其抗虫率下降、虫重和虫孔数增加，综合抗性明显下降（图3、表4），张红岩等[16]的研究也表明荚大粒大的蚕豆品种更容易被绿豆象蛀食。

在本试验中不同地理来源蚕豆种质的绿豆象抗性表现为来自国内的蚕豆种质综合抗性与国外种质差异不显著（图4和表6），而仲伟文等[24]对豌豆种质绿豆象抗性的研究则表明国内种质的绿豆象抗性高于国外种质。对国内各省蚕豆种质显示，各省间绿豆象抗性差异较大，来自重庆、湖南浙江、安徽和江西的蚕豆种质具有较高的综合抗性，而云南、四川、陕西和贵州的种质抗性较低（表7、8）。

3.2 绿豆象对蚕豆籽粒的侵染特征

前人研究显示，绿豆象对蚕豆的为害方式不同于豆象属的其他豆象仅在鲜荚产卵，孵化后幼虫蛀食籽粒，绿豆象既可以于蚕豆结荚期产卵于鲜荚也能在仓储条件下产卵于蚕豆干籽粒表面，卵孵化后蛀食蚕豆籽粒[31]。王燕等[32]通过对绿豆象在不同豆类籽粒的为害调查发现，绿豆象在不同豆类表面有明显的产卵选择，而其对蚕豆干籽粒具有极高的产卵率，平均产卵率接近100%；张红岩等[16]的研究也表明绿豆象在蚕豆干籽粒表面的产卵率达100%，且与蚕豆品种差异无关，本研究对874份不同蚕豆种质的研究得出了同样的结果，所有参试蚕豆种质均有绿豆象虫卵附着，说明绿豆象在不同蚕豆品种之间未表现出明显的产卵选择性。虽然绿豆象对蚕豆籽粒具有极高的产卵率，但最终蛀食和为害率存在明显的品种间差异，在本试验中，绿豆象对不同蚕豆种质的为害率存在着显著差异，这与张红岩等[16]的研究结果一致，另A.Szafirowska等[33]的研究也指出不同蚕豆品种对豆象具有显著且稳定的抗性差异。

绿豆象对仓储豆类的为害不同于豆象属其他豆象的一年一代[34]，研究表明绿豆象具有二次侵染性，在条件适宜的情况下可反复蛀食豆类籽粒[6-9]。邓芸等[31]的研究也表明绿豆象在温度等条件适宜的情况下对绿豆的侵害完成一代仅需20 d左右，一年可造成10代以上的反复侵染。本研究虽未对绿豆象为害代数进行调查，但对虫重和虫孔数的相关分析表明两者无显著相关关系（图5），虫孔数的增加并不依赖于虫重的增加，即较少的虫重也能导致蚕豆籽粒较多的虫孔数，这说明绿豆象蛀食蚕豆籽粒也具有二次侵染特性。

4 结论

本研究结果表明，①参试蚕豆种质绿豆象抗性表现为高抗（HR）27份，抗（R）12份，感（S）270份，高感（HS）565份，其中感和高感材料占比较大，分别为30.9%和64.9%，而高抗（HR）和抗（R）性材料占比极小，仅为3.1%和1.1%。②不同粒色蚕豆种质的绿豆象抗性有显著差异，混合色、青色和深色种质的抗虫率和虫重分别为8.7%和91.1 mg、4.8%和96.6 mg、2.4%和120.2 mg，综合抗性表现为青色显著优于混合色和深色种质。③蚕豆种质的绿豆象抗性随百粒重的增加而降低，大粒、中粒和小粒种质的抗虫率和虫重分别为2.5%和154.7 mg、3.8%和109.7 mg、8.1%和56.7 mg，小粒种质的绿豆象综合抗性显著优于中粒和大粒种质。④不同地理来源蚕豆种质绿豆象抗性差异表现为国内和国外种质无显著差异，但国内各省蚕豆种质抗性差异显著，其中绿豆象抗性较高的有重庆、湖南、浙江、安徽和江西，而来自云南、四川、陕西和贵州种质的绿豆象抗性则相对较低。本研究对蚕豆的绿豆象抗性资源的评价和筛选为绿豆象抗性新品种的选育提供了潜在抗源和理论依据，但有关蚕豆抗绿豆象的内在机制和相关基因的发掘则需更进一步研究。