水稻對(duì)白背飛虱取食脅迫的生理反應(yīng)

孫凱，鐘樂(lè)榮，丁文兵，李有志

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

水稻對(duì)白背飛虱取食脅迫的生理反應(yīng)

孫凱，鐘樂(lè)榮，丁文兵，李有志*

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

為探明水稻應(yīng)對(duì)白背飛虱取食脅迫的生理基礎(chǔ)，分析了3個(gè)水稻品種(Rathu Heenati、R9810–T和豐源優(yōu)272)在白背飛虱取食脅迫不同時(shí)間(0、3、6、12、18、24、30和36 h)的部分生理指標(biāo)的變化。結(jié)果表明，在白背飛虱取食脅迫下，水稻Rathu Heenati丙二醛(MDA)和過(guò)氧化氫(H2O2)含量變化小，R9810–T和豐源優(yōu)272丙二醛和過(guò)氧化氫含量隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)；3個(gè)水稻品種超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)活性都隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，Rathu Heenati過(guò)氧化氫酶(CAT)活性變化小，R9810–T過(guò)氧化氫酶活性呈下降趨勢(shì)，豐源優(yōu)272過(guò)氧化氫酶活性先下降后稍回升；3個(gè)品種谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPX)活性變化小。白背飛虱取食脅迫下，水稻品種Rathu Heenati比R9810–T和豐源優(yōu)272受到的氧化傷害少。

水稻；白背飛虱；取食脅迫；保護(hù)酶活性

白背飛虱(Sogatella furcifera)刺吸取食水稻，引起水稻生長(zhǎng)緩慢，分蘗延遲，千粒重下降，嚴(yán)重時(shí)造成“虱燒”[1]。過(guò)度依賴殺蟲劑防治該蟲所產(chǎn)生的弊端越來(lái)越突出[2]，利用抗蟲水稻品種防控白背飛虱的為害越來(lái)越受到重視。白背飛虱的生長(zhǎng)發(fā)育和取食與水稻的總氮、可溶性糖、游離氨基酸含量等有關(guān)[3–5]。已有的研究結(jié)果表明，水稻被白背飛虱取食后，其體內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)活性提高，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性下降，過(guò)氧化物酶(POD)活性的變化在品種間有差異[6–7]。筆者測(cè)定和比較了 3個(gè)水稻品種(Rathu Heenati、R9810–T和豐源優(yōu)272)在白背飛虱取食脅迫0、3、6、12、18、24、30和36 h后的SOD、POD、CAT和GPX(谷胱甘肽過(guò)氧化物酶)活性以及過(guò)氧化氫(H2O2)和丙二醛(MDA)含量的變化，以期進(jìn)一步明確不同水稻品種體內(nèi)保護(hù)酶對(duì)白背飛虱為害的應(yīng)答模式，為抗蟲育種和持續(xù)控制白背飛虱為害提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

雜交稻品種豐源優(yōu)272由湖南亞華種子有限公司提供；R9810–T是將茶陵野生稻的基因組 DNA導(dǎo)入栽培稻R9810后得到的表型穩(wěn)定的后代，由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院洪亞輝教授提供；Rathu Heenati是來(lái)源于斯里蘭卡的抗白背飛虱水稻品種，由中國(guó)水稻研究所提供。

白背飛虱成蟲經(jīng)室內(nèi)用秧苗(品種威優(yōu)644)連續(xù)多代飼養(yǎng)，養(yǎng)蟲室溫度(26±1) ℃，相對(duì)濕度(85±5) %，光周期為14 h光照，10 h黑暗。

總蛋白定量測(cè)試盒、超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶、丙二醛和過(guò)氧化氫測(cè)試盒均購(gòu)自南京建成生物工程研究所。

1.2 方 法

1.2.1 水稻培育與人工接蟲

將已催芽的水稻種子播至盛營(yíng)養(yǎng)土的2 000 mL玻璃燒杯中，置于(26±1) ℃、光周期為14 h光照、10 h黑暗的人工氣候箱中培育至三葉期。淘汰弱苗后，每杯保留30株幼苗用于人工接蟲。接蟲前供試飛虱饑餓處理2 h，選擇發(fā)育基本一致的白背飛虱短翅型成蟲(進(jìn)入成蟲期約12～24 h)100頭接入燒杯中(外罩有尼龍紗網(wǎng))，分別取食 3、6、12、18、24、30和36 h，以不接蟲的稻苗(即取食0 h)作為對(duì)照。每次取食結(jié)束后，剪斷水稻莖基部收集稻苗，將葉片剪碎后混合均勻，液氮冷凍后置于–72 ℃保藏。

1.2.2 水稻生理指標(biāo)測(cè)定

取保藏的水稻葉片約0.15 g，用液氮在研缽中充分研磨，按1∶9的比例加入磷酸緩沖液(pH=7.2)。所得勻漿液轉(zhuǎn)移至1.5 mL離心管，4 ℃下12 000 r/min離心15 min。取上清液分別測(cè)定總蛋白含量、SOD、POD、CAT和GPX活性、H2O2和MDA含量。每mg組織蛋白在1 mL反應(yīng)液中SOD抑制率達(dá)50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的SOD量為1個(gè)SOD活力單位。在37 ℃條件下，每mg組織蛋白每min催化1 μg底物的酶量為1個(gè)POD活力單位。每mg組織蛋白每s分解1 μmol的H2O2的量為1個(gè)CAT活力單位。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用DPS軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)同一品種不同處理進(jìn)行方差分析(ANOVA)和多重比較(Duncan氏新復(fù)極差法，P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 白背飛虱取食脅迫下水稻SOD活性的變化

從表1可知，3個(gè)水稻品種SOD活性均隨白背飛虱取食脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。Rathu Heenati在接蟲6 h內(nèi)，SOD活性值變化小，接蟲12 h后SOD值顯著升高；R9810–T在接蟲3 h時(shí)，SOD活性已顯著高于脅迫前的活性；豐源優(yōu)272在接蟲6 h時(shí)，SOD活性已顯著高于取食脅迫前的水平。不同水稻品種 SOD活性對(duì)白背飛虱的脅迫響應(yīng)速度不同。

表1 白背飛虱取食脅迫下水稻SOD活性Table 1 The activities of SOD in rice with S. furcifera under feeding stress

2.2 白背飛虱取食脅迫下水稻POD活性的變化

3個(gè)水稻品種POD活性隨白背飛虱取食脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈升高趨勢(shì)(表2)。Rathu Heenati和豐源優(yōu)272在接蟲3 h時(shí)，POD活性已顯著高于未接蟲時(shí)的水平；R9810–T在接蟲6 h時(shí)，POD活性顯著高于未接蟲的水平。至接蟲36 h時(shí)，Rathu Heenati、豐源優(yōu)272和R9810–T的POD活性值分別比未接蟲前升高3.8、1.9和2.9倍。

表2 白背飛虱取食脅迫下水稻POD活性Table 2 The activities of POD in rice with S. furcifera under feeding stress

2.3 白背飛虱取食脅迫下水稻CAT活性的變化

不同水稻品種在白背飛虱取食脅迫下 CAT活性的變化趨勢(shì)不同(表3)。Rathu Heenati在不同脅迫時(shí)間下 CAT活性波動(dòng)；R9810–T的CAT活性隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)顯著下降；豐源優(yōu)272的CAT活性表現(xiàn)在脅迫3 h時(shí)與脅迫前沒(méi)有顯著差異，脅迫6 h時(shí)，CAT活性已顯著低于脅迫前的活性，隨脅迫取食時(shí)間的延長(zhǎng)(12～18 h)，CAT活性繼續(xù)下降，在脅迫取食24 和36 h時(shí)CAT活性顯著回升，但仍然顯著低于脅迫前的活性。

表3 白背飛虱取食脅迫下水稻CAT活性Table 3 The activities of CAT in rice with S. furcifera under feeding stress

2.4 白背飛虱取食脅迫下水稻GPX活性的變化

在白背飛虱取食脅迫前后，水稻GPX活性值波動(dòng)均不顯著，抗蟲品種 Rathu Heenati的GPX活性值穩(wěn)定在145 U左右，R9810–T穩(wěn)定在154 U左右，豐源優(yōu)272穩(wěn)定在123 U左右。表明3個(gè)水稻品種GPX對(duì)白背飛虱的取食脅迫沒(méi)有響應(yīng)。

2.5 白背飛虱取食脅迫下水稻H2O2含量的變化

表4結(jié)果表明，接蟲前后Rathu Heenati的H2O2含量變化不顯著；R9810–T的H2O2含量隨接蟲時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷升高，不同處理間差異顯著；和接蟲前相比，接蟲36 h 時(shí)H2O2升高65.5%；豐源優(yōu)272的H2O2含量在接蟲12 h時(shí)顯著高于接蟲前的水平，在接蟲36 h達(dá)到最大值，升高20.3%。

表4 白背飛虱取食脅迫下水稻H2O2含量Table 4 The levels of H2O2in rice with S. furcifera under feeding stress

2.6 白背飛虱取食脅迫下水稻MDA含量的變化

白背飛虱取食脅迫后，不同水稻品種MDA含量的變化大小和趨勢(shì)不同(表5)。Rathu Heenati的 MDA含量變化不顯著；R9810–T的MDA含量在接蟲3 h時(shí)和接蟲前相比變化不顯著，但在接蟲6 h時(shí)已顯著高于接蟲前水平，以后逐漸升高，在接蟲18 h已顯著高于接蟲12 h的；豐源優(yōu)272的MDA含量先升后降，在接蟲18 h達(dá)到最大值，且顯著高 于其他處理。

表5 白背飛虱取食脅迫下水稻MDA含量Table 5 The levels of MDA in rice with S. furcifera under feeding stress

3 討 論

GPX最初在動(dòng)物體內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，可迅速清除生物體內(nèi)多余的活性氧(ROS)。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)GPX在植物中也有類似的功能，可能在植物氧化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用[8]。在白背飛虱脅迫不同時(shí)間后，3個(gè)水稻品種 GPX活性都沒(méi)有出現(xiàn)顯著的變化，說(shuō)明 3個(gè)水稻品種的 GPX對(duì)白背飛虱的取食脅迫沒(méi)有作出響應(yīng)。

SOD是植物體內(nèi)天然存在的ROS清除因子，它可以把有害的 O2–轉(zhuǎn)化為 H2O2，而 H2O2將被POD和CAT分解，多種保護(hù)酶協(xié)調(diào)作用使植物體內(nèi)ROS達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而減少對(duì)膜系統(tǒng)的傷害。隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，3個(gè)品種的SOD和POD活性都增高，而 CAT活性在不同品種中的變化存在差異， Rathu Heenati的CAT活性在不同的處理時(shí)間下沒(méi)有明顯變化，R9810–T呈下降趨勢(shì)，豐源優(yōu)272則先下降后稍回升。這表明水稻迅速啟動(dòng)了SOD、POD和CAT等保護(hù)酶系，以抵御白背飛虱的取食脅迫。

本研究結(jié)果表明，Rathu Heenati的CAT活性和H2O2及 MDA含量在脅迫前后沒(méi)有發(fā)生顯著的變化。CAT的作用是將H2O2催化為水和氧氣，而且CAT只對(duì)H2O2起作用[9]。據(jù)此推測(cè)，Rathu Heenati 的 CAT活性沒(méi)有發(fā)生顯著的波動(dòng)，可能是由于其底物H2O2含量沒(méi)有升高。MDA是植物膜脂過(guò)氧化的最終產(chǎn)物，是衡量膜結(jié)構(gòu)損傷程度的指標(biāo)[10]。Rathu Heenati的POD活性在白背飛虱取食脅迫后顯著升高，而衡量膜結(jié)構(gòu)損傷程度的指標(biāo)MDA含量基本保持穩(wěn)定，這表明在白背飛虱取食脅迫后，除H2O2以外的其他活性氧含量升高，導(dǎo)致POD活性升高，并將其降解成不損傷生物膜的無(wú)害物質(zhì)，從而使MDA含量在脅迫前后基本保持穩(wěn)定。在白背飛虱取食脅迫不同時(shí)間后，豐源優(yōu) 272和R9810–T的H2O2和MDA含量都隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，表明R9810–T和豐源優(yōu)272易受害，且受害程度隨取食脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

白背飛虱在3個(gè)水稻品種上取食行為的EPG分析結(jié)果[11]表明，白背飛虱在R9810–T和豐源優(yōu)272上的刺吸取食行為基本一致，都表現(xiàn)為感蟲，而在Rathu Heenati上非刺探時(shí)間更長(zhǎng)，有效吸食韌皮部汁液的時(shí)間更短，表現(xiàn)為抗蟲。本研究中，抗、感品種受白背飛虱取食脅迫后 POD活性增加這一結(jié)果，與段燦星等[12]利用灰飛虱3齡若蟲測(cè)定的結(jié)果一致。但陳建明等[6]利用3～4齡白背飛虱若蟲取食種植30～45 d的水稻后，抗蟲品種POD活性增加，感蟲品種POD活性下降；張金鋒[7]研究了白背飛虱雌成蟲和褐飛虱雌成蟲取食水稻后的 POD活性，結(jié)果抗蟲品種的POD活性增加，感蟲品種的POD活性下降。造成這種差異的原因可能與測(cè)定時(shí)選用的水稻品種、水稻生育期和供試飛虱種類及其蟲態(tài)等因素有關(guān)。另外，本研究中，R9810–T在白背飛虱取食脅迫下易受過(guò)氧化損傷這一結(jié)果，也支持了轉(zhuǎn)茶陵野生稻基因品種 R9810–T并沒(méi)有獲得明顯的抗白背飛虱的作用這一結(jié)論[11, 13]。

白背飛虱在抗性品種Rathu Heenati上有效取食的時(shí)間相對(duì)更短，這可能是導(dǎo)致該品種受到的氧化傷害較輕的間接原因[11]。脅迫前，Rathu Heenati 3種保護(hù)酶的活性都顯著高于其余2個(gè)品種，在脅迫不同時(shí)間后也呈現(xiàn)出相同的情形，由此推測(cè)，Rathu Heenati可能存在更為強(qiáng)大和高效的保護(hù)酶防御系統(tǒng)，這可能是該品種受到氧化傷害較輕的直接原因。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Physiological response in different rice varieties against Sogatella furcifera undergone feeding stress

SUN Kai, ZHONG Le-rong, DING Wen-bing, LI You-zhi*
(College of Plant Protection, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

To elucidate the physiological basis of the response of rice plant against Sogatella furcifera undergone feeding stress, we analyzed some physiological indices therein 3 rice varieties (Rathu Heenati, R9810–T and Fengyuanyou 272) infested by S. furcifera undergone feeding stress for 0, 3, 6, 12, 18, 24, 30 and 36 h respectively. The results showed that the levels of malondialdehyde (MDA) and hydrogen peroxide (H2O2) had no significant change in Rathu Heenati with S. furcifera undergone feeding stress while showed a increasing tendency with the time of feeding stress in R9810-T and Fengyuanyou 272. The activities of superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) in all the 3 varieties were increase with the time of feeding stress. The activities of catalase (CAT) had no significant change in Rathu Heenati and tend to decline in R9810–T, while in Fengyuanyou 272 first declined and then slightly increased. The activities of glutathione peroxidase (GPX) showed no significant change in 3 rice varieties. These results indicate that oxidative damage is less in Rathu Heenati than in R9810–T and Fengyuanyou 272 when infested with S. furcifera undergone feeding stress.

rice; Sogatella furcifera; feeding stress; activities of protective enzymes

S511.01

A

1007?1032(2014)05?0501?05

10.13331/j.cnki.jhau.2014.05.009

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2014–03–19

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科技專項(xiàng)(201303021)；湖南省科學(xué)技術(shù)廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2011NK2009)；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新性項(xiàng)目(SCX1306)

孫凱(1988—)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士，主要從事害蟲綜合治理研究，sunkai424@foxmail.com；*通信作者，liyouzhi2008 @sina.com