褐飞虱对二化螟为害诱导水稻挥发物的行为反应

汪晓龙，苏双丽，胡晓云，尹新明*，李云河*

（1.河南农业大学植物保护学院, 郑州 450002；2.中国农业科学院植物保护研究所/植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193）

在自然生态系统中，植物与不同营养层的多种昆虫种群存在直接或间接的互作关系[1-3]。虫害诱导植物挥发物（herbivore-induced plant volatiles，HIPVs）作为植物-昆虫之间沟通的重要信息化合物，可以被害虫、天敌或邻近植物等生物识别和利用，在昆虫行为调控和群落组成中发挥至关重要的作用[4-7]。据报道，HIPVs 能够有效调控同种昆虫的产卵和取食行为[8-11]。如番茄天蛾Manducaquinquemaculata取食为害烟草后，诱导烟草植株释放的萜类化合物芳樟醇可驱避番茄天蛾成虫产卵[12]。Jiao 等[13]研究发现，二化螟Chilosuppressalis取食为害水稻诱导水稻释放的2-壬酮、2-庚醇、α-雪松烯、β-月桂烯和石竹烯5 种信息化合物对二化螟成虫产卵具有显著的驱避作用。然而，同种植食性昆虫为害诱导植物释放的信息挥发物对同种昆虫并非总具有驱避作用。茶树被茶尺蠖Ectropisoblique幼虫为害后释放的顺式-3-己烯醛、顺-3-己烯基乙酸酯和顺式-己酸-3-己烯酯3 种信息化合物可显著吸引已交配的茶尺蠖雌成虫[14]；玉米被草地贪夜蛾Spodopterafrugiperda取食为害后释放的芳樟醇对其6 龄幼虫具有显著的吸引作用[15]。

HIPVs 不仅能调节同种昆虫的种内关系，在调控异种昆虫种间关系中也发挥重要作用[16,17]。譬如，经灰翅夜蛾spodopteralittoralis反刍物处理的玉米植株驱避玉米蚜Rhopalosiphummaidis的取食，源于玉米释放的挥发物中含有大量蚜虫报警信息素反式-β-法尼烯，该化合物能显著驱避有翅玉米蚜虫的取食；另外，玉米挥发物中的顺式-3-己烯醇、己烯醇和反式-2-己烯醛3 种信息化合物均驱避玉米蚜的产卵[18]。烟蚜夜蛾Heliothisvirescens为害烟草诱导植株释放的烟碱对西花蓟马Frankliniellaoccidentalis具有驱避作用[19]。同样，HIPVs 亦可引诱异种植食性昆虫的取食和产卵，如马铃薯甲虫Leptinotarsadecemlineata偏爱在甜菜夜蛾Spodopteraexigua为害的马铃薯上取食[20]。虫害诱导的植物挥发物组分高度特异化，各组分浓度比也随同一昆虫的为害程度不同而改变[21,22]，HIPVs 组分及浓度比的复杂变化直接影响对昆虫的行为调控作用[13]。因此，虫害诱导植物挥发物对昆虫行为调控作用的深入研究对研制昆虫驱避剂和引诱剂，开展害虫绿色防控具有重要的实践意义。

虫害诱导水稻挥发物对昆虫行为的调控作用近年也得到了广泛研究[13,23,24]。作者所在实验室前期研究发现，相较于健康稻株，褐飞虱对二化螟为害稻株具有显著的取食偏爱性[25]。研究分析了健康和二化螟为害水稻释放的信息挥发物的差异，明确了二化螟为害诱导挥发物对褐飞虱具有显著的吸引作用[25]。但上述研究并没有鉴定出调控褐飞虱寄主选择发挥关键作用的具体挥发物。本研究通过对前期研究数据的进一步分析（Figure 4-source data 1 in the reference[26]），筛选出二化螟为害诱导水稻释放的新的化合物（2-十五烷酮，大根香叶烯D，DMNT，TMTT，2-十三烷酮）、释放量显著上升的化合物（α-蒎烯，β-石竹烯，2-十一烷酮，十三醛，异氟尔酮，邻伞花烯烃，肉豆蔻酸异丙酯，2-壬酮，水杨酸甲酯），以及苯甲酸苯甲酯，该化合物在二化螟为害后释放量虽无显著性变化，但是释放量呈现下降趋势[26]。本文通过“H”型嗅觉仪研究了二化螟为害诱导水稻释放的15 种重要水稻挥发物对褐飞虱寄主选择行为的调控作用，为研制褐飞虱驱避剂和引诱剂提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试水稻

试验所用的水稻Oryzasativa品种为明恢63，由华中农业大学提供。水稻栽培方法同Jiao 等[13]文中所述。将提前浸种催芽的水稻种子播种到育秧盘上，15 d 后将幼苗分别移栽到塑料盆钵（直径8 cm，高10 cm）中种植，每钵一株，育苗所用的土壤由泥炭和蛭石（3:1）混合而成。然后将带苗盆钵置于水床上，定期施肥。温室温度（27±2）℃，光周期16L:8D，RH（75±10）%。移栽4～5 周后，水稻处于分蘖期，主茎叶数为10 至12 叶，取生长健壮、长势均一的水稻植株用于试验。

1.2 供试昆虫

试验所用3 龄褐飞虱来源于实验室种群，采用褐飞虱敏感品系水稻Taichuang Native1 在人工培养箱中进行饲养，温度为（27±2）℃，光周期为16L:8D，RH（75±10）%。

1.3 供试试剂

试验中所用试剂见表1。

表1 试验中所用试剂Table 1 Reagents used in the experiment

1.4 褐飞虱对不同浓度信息化合物的行为反应

采用由Khan 和Saxena[27]的方法改进制作的聚乙烯“H”型嗅觉仪测定褐飞虱对不同信息化合物的行为反应（图1）。嗅觉仪两臂高55 cm，直径10 cm，在两直臂离基部20 cm 处各开一直径为2 cm 的小孔，用以连接横臂（长20 cm，直径2 cm），横臂的两端用100 目纱布封住以防昆虫进入竖臂。在横臂的中间有一个用以释放虫子的直径为0.5 cm 的圆孔。

图1 用于飞虱行为生测的H 型嗅觉仪Fig.1 “H” olfactomerer for testing planthopper behaviour

将15 种信息化合物分别溶于正己烷，配制成浓度为5 ng 化合物/μL 正己烷、50 ng 化合物/μL 正己烷、500 ng 化合物/μL 正己烷的单组分信息化合物溶液，试验时，将长势一致的水稻植株两两配对，在每株水稻培养钵中靠近苗子的根部插一支带有小孔的小管，小管的上端可放置昆虫诱芯。试验开始前，在诱芯中加入100 μL 正己烷（空白对照）或100 μL 配置好的信息化合物溶液。然后，将嗅觉仪两个直臂塑料筒罩着供试稻株作为味源，直臂顶端用海绵封口。在横臂中间小孔中轻轻释放15 头3 龄褐飞虱。释虫2 h 后统计距离接虫口6.0 cm 范围内的飞虱数目即A 区飞虱数目，及横臂两侧飞虱数目（超过接虫口6.0 cm 即B区和C 区）。整个装置在人工气候培养箱，温度（27±2）℃，光周期16L:8D，RH（75±10）%中进行。A 区飞虱标记为无反应，B 区、C 区飞虱标记为做出选择。每个处理8～12 个重复。

1.5 数据统计与分析

数据分析采用 Wilcoxon’s signed-ranks test 比较褐飞虱对不同信息化合物的行为选择，数据均用SPSS 22.0（IBM SPSS，Somers，NY，USA）进行统计分析[28]。

2 结果与分析

结果显示，相较于对照（正己烷），大根香叶烯D、2-壬酮、DMNT 和β-石竹烯在一定浓度下对褐飞虱有显著的吸引作用（P＜0.05）。其中，大根香叶烯D 和2-壬酮在5 ng/µL 和50 ng/µL 时均显著或极显著吸引褐飞虱（P＜0.05 或0.01），但当浓度达到500 ng/µL 对褐飞虱行为没有影响；DMNT 仅在5 ng/µL时对褐飞虱具有显著的吸引作用（P＝0.026）；相反，β-石竹烯在高浓度500 ng/µL 时显著吸引褐飞虱（P＝0.034），在两个低浓度下对褐飞虱行为没有影响（图2 A～D）。TMTT、2-十一烷酮和水杨酸甲酯三种化合物在一定浓度下对褐飞虱有显著的驱避作用（P＜0.05）。其中，TMTT 在5 ng/µL 和50 ng/µL 时分别极显著（P＝0.008）和显著排斥褐飞虱（P＝0.046）；2-十一烷酮仅在5 ng/µL 时显著排斥褐飞虱（P＝0.012）；水杨酸甲酯在高浓度500 ng/µL 时显著排斥褐飞虱（P＝0.028）（图2 E～G）。其余8 种信息化合物即α-蒎烯、2-十三烷酮、十三醛、苯甲酸苯甲酯、异氟尔酮、2-十五烷酮、邻伞花烯烃和肉豆蔻酸异丙酯对褐飞虱的行为选择没有影响（P＞0.05）（图2 H～O）。

图2 褐飞虱对不同信息化合物的行为反应（饼图中深灰色部分代表反应飞虱比例，浅灰色部分代表无反应飞虱比例）Fig.2 Responses of Nilaparvata lugens to different volatile compounds (dark gray area represents proportion of reactive planthoppers,while light gray area represents proportion of nonreactive planthoppers in the pie charts)

3 讨论

虫害诱导植物释放的信息挥发物是影响植食性昆虫寄主选择的重要因子[14,15,29-31]。当植物遭受植食性昆虫攻击时，植物会迅速释放虫害诱导的挥发物来影响植食性昆虫的取食、产卵、交配等行为。二化螟为害诱导水稻释放挥发物驱避其成虫产卵，但可引诱褐飞虱的取食[13,25]。鉴定虫害诱导植物释放挥发物对昆虫寄主选择的影响，有利于阐明植物介导昆虫种间关系的生化机制，同时对研制昆虫引诱剂或驱避剂对害虫开展绿色防控具有重要的意义。

萜烯类化合物在植物防御反应中发挥着重要作用[32]。本研究发现，萜烯类化合物β-石竹烯、大根香叶烯D 和(3E)-4,8-二甲基壬-1,3,7-三烯（DMNT）在一定浓度下对褐飞虱具有显著引诱作用。这些化合物在调控其他害虫和天敌上也起着非常重要的作用。在水稻中，许多害虫利用β-石竹烯进行寄主定位[33,34]，如白背飞虱Sogatellafurcifera对β-石竹烯有很强的偏好性，因此相对于(E)-β-石竹烯缺失水稻突变体，白背飞虱雌成虫偏好在对照稻株上取食和产卵[35]。此外，玉米释放的β-石竹烯不仅为玉米根萤叶甲Diabroticavirgiferavirgifera定位寄主提供线索[36]，还对玉米根萤叶甲的寄生天敌昆虫病原线虫Heterorhabditismegidis有很强的引诱作用[37]。大根香叶烯D 也是一种重要的信息化合物，据报道相较于对照烟草植株（寄主植物＋正己烷的诱芯），处理植株（寄主植株＋500 µg 大根香叶烯D 的诱芯）显著引诱烟蚜叶蛾成虫的产卵，且在处理株上烟蚜叶蛾成虫产卵量显著多于对照株[38]。DMNT 是虫害诱导植物释放的少数重要萜类化合物之一，在植物间接防御中起着重要作用，也可被邻近植株“窃听”并启动防御反应[39-41]。如DMNT 显著引诱二斑叶螨Tetranychusurticae的天敌智利小植绥螨Phytseiuluspersimilis[39]和褐边绿刺蛾Latoiaconsocia的天敌雌性甜菜夜蛾盘绒茧蜂Cotesiamarginiventris[40]。另外，DMNT 可诱导邻近利马豆叶片中防御基因的上调[41]。

在二化螟为害诱导水稻释放的挥发物中，除了对褐飞虱具有引诱作用的成分，还发现一些成分对褐飞虱具有排斥作用。譬如，本研究发现水杨酸甲酯在高浓度500 ng/µL 时显著排斥褐飞虱的取食。已有研究表明，水杨酸甲酯在植物防御过程中发挥多种生态功能，除了调控植食性昆虫的寄主选择行为，如驱避忽布疣额蚜Phorodonhumuli对蛇麻草的取食[42]，还可以吸引天敌昆虫，对植物起到间接防御作用，如黄瓜苗经二斑叶螨取食为害后产生的水杨酸甲酯可显著引诱智利小植绥螨Phytseiuluspersimilis[43]。本研究还发现（3E,7E)-4,8,12-三甲基十三-1,3,7,11-四烯（TMTT）和2-十一烷酮两种化合物也有排斥褐飞虱的作用。其中，TMTT 是一类广泛存在于多种高等植物中的植物挥发物，不仅能直接调控植食性昆虫的寄主选择行为，如顺式茉莉酸处理诱导棉花释放TMTT 对棉蚜Aphisgossypii有显著的驱避作用[44]；同时，其还在植物间接防御反应中发挥重要作用，如被二斑叶螨侵害的番茄比野生型番茄产生更多的TMTT，可强烈地吸引蜘蛛螨的天敌——捕食螨Phytoseiuluspersimili[45]。此外，2-十一烷酮对棉铃虫Heliothiszea和烟草天蛾Manducasexta均具有很强的直接毒杀作用[46,47]。

虫害诱导的水稻挥发物对植食性昆虫寄主选择的影响因信息化合物的种类和浓度而异[35]，因此，本研究测定了褐飞虱对不同浓度水稻挥发物的行为反应。结果表明一些化合物在不同浓度下对褐飞虱的行为调控作用具有显著差异。譬如，大根香叶烯D 在较低浓度下对褐飞虱有显著的吸引作用，当浓度提高到500 ng/µL时，对褐飞虱选择行为无影响；TMTT 在较低浓度下显著排斥褐飞虱，而在高浓度（500 ng/µL）情况下对褐飞虱选择行为也没有影响（图2）。不同结构化合物和同一化合物不同浓度下其生态功能不尽相同，这一现象在其他研究中也得到证实[23,33]。由此可见，昆虫对信息化合物的识别不仅与化合物种类有关，还与化合物的浓度关系密切。因此，此类研究中要多设定几个浓度，明确昆虫行为与植物信息挥发物的剂量关系，才能制备出精准高效的昆虫驱避剂和诱杀剂。

总之，本研究结果进一步揭示了二化螟为害诱导褐飞虱的生化机制，更重要的是为制备褐飞虱引诱剂或驱避剂，对褐飞虱开展绿色防控具有重要实践意义。然而，本研究只进行了单一化合物对褐飞虱寄主选择行为的研究，而虫害诱导的植物挥发物是由多组分化合物组成，不同化合物组合及不同组分之间的特定比例对昆虫行为的调控作用会有较大差异[48]，因此，需要开展进一步的研究，通过不同信息化合物成分和不同比例的组合，为创制对飞虱具有更加高效的引诱剂和驱避剂提供数据支撑。同时需要开展温室和田间试验，明确其在不同条件下的应用效果。