桃蚜體內(nèi)酶活性對SO2脅迫的響應(yīng)

姜文虎，劉軍俠，趙俊紅，李超麗

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北保定071000)

自20世紀(jì)80年代以來，許多學(xué)者開始關(guān)注大氣污染對昆蟲種群和群落的影響［1－2］，相繼研究了SO2脅迫對植食性墨西哥豆瓢蟲(Epilachna varivestis Mulsant)［3－4］、粘蟲［Mythimna separata(Walker)］［5］、靖遠(yuǎn)松葉蜂(Diprion jingyuanensis Xiao et.Zhang)［6］、蚜蟲(Aphidinea)［7－8］、蚧蟲(Coccoidae)［9］等的影響.結(jié)果表明，SO2能促進(jìn)這些害蟲的生長發(fā)育，增大其取食量和蛹質(zhì)量，提高食物轉(zhuǎn)化率和成蟲生殖力等，從而增大害蟲種群數(shù)量.SO2對不同昆蟲種類的作用有所差異.以往研究表明，SO2脅迫能縮短桃蚜［Myzus persicae(Sulzer)］的齡期，對桃蚜的繁殖有一定促進(jìn)作用，有利于桃蚜種群發(fā)生［10］，并能影響其天敵異色瓢蟲［Harmonia axyridis(Pallas)］的生長發(fā)育［11］.但有關(guān)SO2對昆蟲體內(nèi)酶系活性影響的報道甚少.為此，本文研究SO2處理對桃蚜成蟲體內(nèi)保護(hù)酶、解毒酶以及蛋白酶活性的影響，以便進(jìn)一步明確SO2對桃蚜的作用機(jī)制，為SO2脅迫下害蟲的綜合治理提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試植物及蚜蟲

供試植物:自河北省保定市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所苗圃地購盆栽茄子(Solanum melongena L.)備用.待茄苗長至5－6葉時用于試驗，適時澆水，試驗期間不施用化肥和農(nóng)藥.

供試蚜蟲:采河北農(nóng)業(yè)大學(xué)苗圃地桃樹的無翅桃蚜接種于盆栽茄子苗上，擴(kuò)大種群以備用.

1.2 SO2熏氣處理

熏氣裝置為自制木架，長×寬×高為70 cm×50 cm×120 cm，從上到下分3層，高分別為20、38、45 cm，外罩聚乙烯塑料布.氣源為北京氦普北分氣體有限公司生產(chǎn)的國家級標(biāo)準(zhǔn)SO2，氣體濃度為1%，N2為平衡氣，氣體從鋼瓶經(jīng)減壓閥、流量計等裝置進(jìn)入熏氣室.參考大氣中SO2濃度，并依據(jù)預(yù)實(shí)驗SO2對茄苗和蚜蟲的影響，設(shè)5 個 SO2熏氣濃度:0(CK)、42.75、85.50、128.25 和 213.75 mg·m－3，按熏氣室體積計算SO2充氣濃度，同時用SO2檢測儀即時檢測氣體濃度.每個熏氣室為一個濃度處理，每天按時充氣至設(shè)定濃度，直到試驗結(jié)束.實(shí)驗室溫度為20－28℃，濕度為70% －85%.

1.3 桃蚜飼養(yǎng)方法

群體飼養(yǎng):將初孵若蚜自然接種到不同處理的茄子葉片上(每片葉20頭)，每個處理3盆并選3片葉子標(biāo)記，每日觀察、標(biāo)記葉片上蚜蟲的蛻皮、各齡期數(shù)量及死亡情況.待出現(xiàn)成蚜(5 d)后，分別選取成蚜和茄苗葉片于－70℃冷凍備用.

1.4 酶活性測定

1.4.1 桃蚜酶源制備 稱量冷凍桃蚜0.1 g，加入0.05 mol·L－1pH 7.0的磷酸緩沖液10 mL.冰浴下勻漿，4 ℃、10000 r·min－1離心 30 min，取上清液作為酶源.

1.4.2 酶活性測定 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、蛋白酶、乙酰膽堿酯酶(acetylcholinesterase，AChE)和羧酸酯酶(carboxylesterase，CarE)、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(glutathione-S-transferase，GSTs)活性的測定參考文獻(xiàn)［12－15］，均設(shè)置3次重復(fù).

1.4.3 茄苗酶源制備 稱取樣品0.1 g，加入適量蒸餾水(約5 mL)，充分研磨，3000 r·min－1離心5 min.將上清液移至小試管中，振蕩混勻作為酶液.

1.4.4 茄苗可溶性蛋白質(zhì)含量測定 利用考馬斯亮藍(lán)G-250法［16］測定茄苗可溶性蛋白質(zhì)含量.設(shè)置3次重復(fù).

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Microsoft Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)，并用DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，差異顯著性比較使用Duncan's新復(fù)極差法.

2 結(jié)果與分析

2.1 SO2對桃蚜體內(nèi)保護(hù)酶活性的影響

2.1.1 SO2對SOD活性的影響 圖1表明，低濃度SO2處理可以顯著促進(jìn)桃蚜體內(nèi)SOD活性;隨著SO2濃度升高，SOD 活性逐漸降低.其中，42.75 mg·m－3SO2處理后桃蚜體內(nèi)SOD活性最高，為對照的2.14倍，差異達(dá)極顯著水平(P ＜0.01).這是由于在低濃度SO2處理下，桃蚜體內(nèi)O2消耗量增大，導(dǎo)致蟲體內(nèi)HO－大量增多，并迅速做出免疫反應(yīng)，表現(xiàn)為SOD活性明顯上升，以清除體內(nèi)的過量自由基;而隨著SO2濃度的增大，SOD的合成能力受到抑制，其活性逐漸下降.

2.1.2 SO2對POD活性的影響 從圖2可以看出，經(jīng)不同濃度SO2處理后，桃蚜體內(nèi)POD活性均有所提高.其中，42.75、85.50、213.75 mg·m－3SO2處理與對照相比差異達(dá)極顯著水平(P ＜0.01)，128.25 mg·m－3SO2處理與對照差異不顯著(P＞0.05).這表明SO2處理后，桃蚜體內(nèi)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，啟動免疫系統(tǒng)合成POD，以維持正常的生理功能.

圖1 SO2對桃蚜體內(nèi)SOD活性的影響Fig.1 Effect of SO2on the SOD activity in M.persicae

2.1.3 SO2對CAT活性的影響 從圖3可以看出，不同濃度SO2處理后的CAT活性均高于對照，其中僅85.50 mg·m－3SO2處理與對照差異顯著(P ＜0.05)，其他處理差異均不顯著(P ＞0.05).

圖2 SO2對桃蚜體內(nèi)POD活性的影響Fig.2 Effect of SO2on the POD activity in M.persicae

圖3 SO2對桃蚜體內(nèi)CAT活性的影響Fig.3 Effect of SO2on the CAT activity in M.persicae

2.2 SO2對桃蚜體內(nèi)CarE、GSTs及AChE活性的影響

由表1可見，42.75 mg·m－3SO2處理后桃蚜體內(nèi)的CarE活性升高，與對照差異達(dá)顯著水平(P＜0.05);隨著SO2濃度的增大，CarE活性呈下降趨勢，85.50和128.25 mg·m－3SO2處理與對照無顯著差異(P ＞0.05);213.75 mg·m－3SO2處理后的 CarE 活性極顯著降低(P ＜0.01).

SO2處理后桃蚜體內(nèi)GSTs活性變化較為明顯.其中，42.75 mg·m－3SO2處理后的GSTs活性升高，且與對照差異顯著(P＜0.05);85.50 mg·m－3SO2處理后的GSTs活性下降，與對照差異不顯著(P＞0.05);128.25 mg·m－3SO2處理后的 GSTs活性又升高，且極顯著高于對照(P ＜0.01);213.75 mg·m－3SO2處理后的GSTs活性又下降，且與對照差異不顯著(表1).

不同濃度 SO2處理均能提高 AchE 活性，42.75、85.50、128.25 和 213.75 mg·m－3SO2處理后的 AchE活性分別是對照的 3.64、3.33、4.25 和 2.72 倍，但差異均未達(dá)到顯著水平(表 1).

表1 SO2對桃蚜體內(nèi)CarE、GSTs及AChE活性的影響1)Table 1 Effects of SO2on the activities of CarE，GSTs and AChE

2.3 SO2對茄苗蛋白質(zhì)含量及桃蚜蛋白酶活性的影響

2.3.1 SO2對茄苗可溶性蛋白質(zhì)含量的影響 從圖4可見，茄苗可溶性蛋白質(zhì)含量與SO2濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，其隨SO2濃度的增大而上升.蛋白質(zhì)營養(yǎng)狀況對生物轉(zhuǎn)化過程的影響較為明顯，特別是蛋白質(zhì)營養(yǎng)不足時，各種催化酶類活性將有所降低，影響其代謝轉(zhuǎn)化能力.

2.3.2 SO2對桃蚜蛋白酶活性的影響 如圖5所示，不同濃度SO2處理均能增強(qiáng)桃蚜蛋白酶的活性.其中，42.75 mg·m－3SO2處理后的桃蚜蛋白酶活性最高，與對照差異達(dá)顯著水平(P＜0.05);隨著SO2濃度的升高，桃蚜蛋白酶活性降低，與對照相比，差異均未達(dá)顯著水平(P＞0.05).這可能與茄苗蛋白質(zhì)含量的增大有關(guān).

圖4 SO2對茄苗可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig.4 Effect of SO2on the soluble protein content in eggplant seedlings

圖5 SO2對桃蚜蛋白酶活性的影響Fig.5 Effect of SO2on the protease activity in M.persicae

3 結(jié)論與討論

盡管國內(nèi)外已研究了SO2變化對于植物、昆蟲的影響，但SO2促進(jìn)某些植食性昆蟲生長的機(jī)制尚不明確.Bolsinger et al［17］和 Dohmen et al［18］報道，SO2污染會改變植物的代謝，使植物的游離氨基酸濃度或糖含量發(fā)生不同程度的變化.植物組織中的糖類是昆蟲生命活動的主要能源底物，氨基酸和蛋白質(zhì)是昆蟲生長發(fā)育必不可少的物質(zhì)，一般認(rèn)為，SO2污染對某些植食性昆蟲生長的促進(jìn)作用，是通過影響寄主植物中這些成分的含量而間接發(fā)生的［19－20］.本試驗結(jié)果表明，SO2能增大茄苗可溶性蛋白質(zhì)含量，這會增大細(xì)胞滲透濃度和功能蛋白的數(shù)量，有助于維持細(xì)胞正常代謝，很可能是植物抵抗SO2污染的一種解毒機(jī)制;42.75 mg·m－3SO2處理后的桃蚜蛋白酶活性顯著升高，其他濃度也能促進(jìn)桃蚜蛋白酶活性，但未達(dá)顯著水平，表明隨著寄主植物蛋白質(zhì)含量的增大，以寄主為食的桃蚜體內(nèi)的蛋白酶含量相應(yīng)增多，但存在濃度效應(yīng).寄主植物營養(yǎng)成分的變化很復(fù)雜，可能影響以寄主為食的昆蟲生長發(fā)育及其體內(nèi)各種酶的變化，這些均有待深入研究.

昆蟲與其他生物體一樣，體內(nèi)存在自由基，在逆境條件下，自由基會增多，對體內(nèi)功能分子的破壞作用加大.而昆蟲體內(nèi)的保護(hù)酶有清除自由基的作用，使其保持在一個較低水平，從而防止自由基毒害;CarE、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶是害蟲體內(nèi)重要的解毒酶系，在對外源化合物的解毒代謝和殺蟲劑的抗性機(jī)制中起著重要作用;AChE是抑制神經(jīng)傳導(dǎo)的水解酶，該酶系的變異，能導(dǎo)致害蟲耐藥能力和抗性水平增強(qiáng).本試驗表明，42.75 mg·m－3SO2能顯著促進(jìn)桃蚜體內(nèi)SOD、POD、CarE和GSTs的活性，對CAT促進(jìn)作用不顯著;85.50 mg·m－3SO2對3種保護(hù)酶活性均有顯著促進(jìn)作用，對CarE、GSTs及AChE活性均無顯著影響;128.25 和213.75 mg·m－3SO2處理后，桃蚜體內(nèi)保護(hù)酶活性與對照差異不顯著(除213.75 mg·m－3SO2可以顯著促進(jìn) POD 活性外)，同時，128.25 mg·m－3SO2可以極顯著促進(jìn) GSTs活性，213.75 mg·m－3SO2可以極顯著抑制CarE活性.由此可見，SO2可以促進(jìn)桃蚜體內(nèi)主要解毒酶和保護(hù)酶活性升高，但其存在濃度效應(yīng).此結(jié)論與趙俊紅等［10］的研究結(jié)果吻合，說明桃蚜受到SO2脅迫后，其體內(nèi)酶系自我調(diào)節(jié)能力迅速增強(qiáng)，以維持機(jī)體正常生理功能，但存在SO2閾值.

［1］VETELI T O，KUOKKANEN K，JULKUNEN-TIITTO R，et al.Effects of elevated CO2and temperature on plant growth and herbivore defensive chemistry［J］.Global Change Biol，2002，8:1240 －1252.

［2］WATT A D，WHITTAKER J B，DOCHERTY M.The impact of elevated atmospheric CO2on insect herbivores［M］∥HARRINGTON R，STORK S E.Insects in A Changing Environment.London:Academic Press，1995:197 －217.

［3］吳亞，EDWARD H L，EDWARD M B.二氧化硫?qū)δ鞲缍蛊跋x的影響［J］.生態(tài)學(xué)報，1989，9(4):336.

［4］HUGHES P R，CHIMENT J J，DICKIE A I，et al.Effect of pollutant dose on the response of Mexican bean beetle to SO2induced changes in soybean［J］.Environ Entoml，1985，14(6):718 －721.

［5］吳坤君，龔佩瑜，李秀珍，等.SO2熏蒸小麥對粘蟲生長的影響［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，1990，10(1):78－83.

［6］張真，張云，王鴻斌，等.二氧化硫污染對靖遠(yuǎn)松葉蜂暴發(fā)的促進(jìn)作用研究［J］.林業(yè)科學(xué)，2002，38(6):66－73.

［7］李秀珍，吳坤君，龔佩瑜，等.SO2污染油菜對桃蚜實(shí)驗種群生長的影響［J］.生態(tài)學(xué)報，1992，12(2):135－139.

［8］GALECKA B.Phenological development of Frangula alnus Mill.in an industrial region and the number of Aphis frangulae Kalt［J］.Polish Ecological Studies，1984，10:141 －155.

［9］謝映平，薛皎亮，劉紅霞，等.低濃度城市污染物二氧化硫和鉛在大球蚧及寄主國槐體內(nèi)積累的研究［J］.林業(yè)科學(xué)，1998，34(1):45 －49.

［10］趙俊紅，劉軍俠，姜文虎，等.SO2脅迫對桃蚜生長發(fā)育的影響［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2010，26(17):145－148.

［11］趙俊紅，劉軍俠，姜文虎，等.SO2脅迫對異色瓢蟲的生長發(fā)育及保護(hù)酶的影響［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，34(1):87 －91.

［12］王峰.粘蟲體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)活力的研究［D］.西安:陜西師范大學(xué)，2001.

［13］BRADFORD M M.A rapid and sensitive method for the quantiation of mierogram quantities of protein unitizing the principle of protein dye binding［J］.Anal Bichem，1976，72:248 －254.

［14］Ellman G L，Courtney K D，Andress V，et al.A new and rapid colorimetric determination of acetylcholinesterase activity［J］.Biochem Pharmacol，1961，7:88 －95.

［15］慕立義.植物化學(xué)保護(hù)研究方法［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1994:160－161.

［16］韓靖玲，龐保平，龐琢.南美斑潛蠅對不同茄子品種的選擇性及其機(jī)理的研究［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，26(3):29 －32.

［17］BOLSINGER M，F(xiàn)LUCKIGER W.Ambient air pollution induced changes in amino acid patter of phloem sap in host plants relevance to aphid infestation［J］.Environ Pojjut，1989，56(3):209 － 216.

［18］DOHMEN G P，MCNEILL S，BELL N B.Air pollution increases Aphis fabae pest potential［J］.Nature，1984，307:52 －53.

［19］吳坤君.空氣污染對昆蟲的影響［J］.昆蟲知識，1988，25(2):122 －127.

［20］ALSTAD D N.Effects of air pollution on insect populations［J］.Ann Rev Ent，1982，27:369 －384.