水稻施硅對白背飛虱刺吸和寄主選擇行為的影響

賈路瑤, 劉丹丹, 侯茂林

(中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所, 植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京100193)

水稻Oryzasativa是我國三大主糧之一，其產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的30%～35%(楊有才和周清明, 2003)。然而，水稻受到100多種害蟲的為害(Pathak and Khan, 1994)。白背飛虱Sogatellafurcifera是我國重要的水稻害蟲之一，具有遷飛性、毀滅性和暴發(fā)性(程家安等, 2008)。白背飛虱通過刺吸韌皮部汁液對水稻植株造成直接傷害(婁永根和程家安, 2011)，還可以通過傳播植物病毒對水稻造成間接傷害(周國輝等, 2010)?；瘜W殺蟲劑雖然能在很大程度上可有效控制白背飛虱的危害，但長期、大量、不合理地使用農(nóng)藥帶來了許多問題。水稻抗蟲性是防治白背飛虱經(jīng)濟有效的措施之一，然而生產(chǎn)上可供利用的抗性資源很少。采用栽培管理措施來增強植物的抗蟲性成為害蟲防治的可供選擇方法之一。

硅通常不被認為是植物生長所必需的元素，但由于它在植物營養(yǎng)方面的重要作用，被認為是一種“有益物質(zhì)”或“準必需物質(zhì)”(Ma, 2004)。在許多植物中發(fā)現(xiàn)，施硅可增強植物對刺吸式和咀嚼式口器昆蟲的抗性。已有報道，施硅能夠增強水稻對二化螟Chilosuppressalis(韓永強等, 2010; Hou and Han, 2010)、三化螟Tryporyzaincertulas(Savantetal., 1999)、稻縱卷葉螟Cnaphalocrocismedinalis(Hanetal., 2016)、褐飛虱Nilaparvatalugens(Yangetal., 2017a)、白背飛虱(Salim and Saxena, 1992)等的抗性。硅對植物抗蟲性的調(diào)節(jié)作用，一方面為組成性防御機制，即植物組織中硅沉積增加其硬度和耐磨度，降低植物可消化性(Massey and Hartley, 2009; Hanetal., 2015)，阻礙昆蟲取食；另一方面為誘導性防御機制，包括增強多種保護性酶、抗蟲次生代謝物合成酶等的活性(Alagaretal., 2010; Hanetal., 2016)、誘導胼胝質(zhì)沉積(Yangetal., 2018)和增強揮發(fā)性化合物來吸引捕食性和寄生性天敵(Maleck and Dietrich, 1999)。雖然前人報道施硅增強水稻對白背飛虱的抗性(Salim and Saxena, 1992)，然而施硅調(diào)節(jié)水稻對白背飛虱抗蟲性的機制尚不明確。本研究旨在分析水稻施硅對白背飛虱刺吸行為和寄主選擇行為的影響，以期闡明施硅增強水稻對白背飛虱的抗性的部分機制，為硅肥用于白背飛虱種群調(diào)控奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源和水稻

白背飛虱初始種群采自農(nóng)業(yè)部桂林作物有害生物科學觀測實驗站，已在人工氣候箱內(nèi)連續(xù)飼養(yǎng)5年以上。

試驗中的水稻品種為臺中1號(Taichung Native 1, TN1)。水稻種子在溫水中浸泡24 h、催芽至露白后，以塑料育秧盒作為苗床播種。一周后移栽到溫室籠罩中的塑料桶(直徑17 cm，高20 cm)中，每桶4穴，每穴4株。塑料桶內(nèi)裝同一批烘干的砂質(zhì)壤土，每桶3.5 kg干土。

根據(jù)土壤有效硅含量和水稻對硅的需求量，使用Na2SiO3·9H2O作為硅肥。參照Han等(2016)方法設置不施硅、中硅和高硅3種施硅水平: 0(對照), 0.16和0.32 g SiO2/kg土壤。各處理按照每千克土壤施用純氮0.34 g(包括磷酸氫二銨和尿素中的氮；尿素，含N≥46.4%)、五氧化二磷0.41 g(磷酸氫二銨，含N 21.2%和P2O553.8%)、氯化鉀0.62 g(含K2O≥60%)。肥料于移栽前3 d施用，施用后加水攪拌均勻。

1.2 施硅后水稻葉鞘硅化程度的測定

隨機選取上述3種處理的35日齡盆栽水稻，在每株稻苗主莖中下部葉鞘上系一個封口膜小袋(5 cm×5 cm)，每小袋內(nèi)接入5頭白背飛虱初羽化雌成蟲。接蟲時使小袋撐開，以便飛虱有足夠的空間活動和取食。接蟲0, 24, 48, 72 和96 h后移除蟲子和小袋，用刀片切取白背飛虱取食部位的葉鞘0.3～0.5 cm。每處理重復3次。試驗在人工氣候箱(溫度27±1℃，相對濕度70%±5%，光周期14L∶10D)中進行。參照楊秉耀等(2006)的方法制備電鏡觀察樣品。水稻葉鞘經(jīng)4%戊二醛固定48 h， 1%四氧化鋨固定3 h， 0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH 7.4)浸洗，50%, 70%, 80%, 90%和100%乙醇梯度脫水，再采用CO2臨界點干燥法進行脫水處理，使用離子濺射儀(IB-5, Eiko, 日本)鍍膜后，用掃描電鏡(Regulus8100, Hitachi, 日本)觀察水稻葉鞘中的硅細胞數(shù)量和大小。在每個處理中，隨機選擇5個180×掃描電鏡圖片(0.35 mm2)用于觀測硅細胞數(shù)量；用Image-Pro Plus圖像分析軟件(Version 6.0, Georgia, 美國)測定單個硅細胞的面積，每處理重復5次。

1.3 水稻施硅后白背飛虱若蟲刺吸行為的測定

采用刺吸電位(electrical penetration graph, EPG)技術(shù)記錄白背飛虱若蟲在不同處理水稻上的刺吸行為，參照Yang等(2017b)方法進行試驗。在法拉第籠中使用Giga-8 DC-EPG(Wageningen Agricultural University, 荷蘭)記錄白背飛虱的刺吸行為。取饑餓1 h的白背飛虱4-5齡若蟲，用真空抽氣泵(QC-1S，北京市勞動保護科學研究所)進氣口端的吸頭吸住蟲體腹部，將EPG金線(直徑18 μm，長3 cm)用導電銀膠粘在白背飛虱的前胸背板上。金線的另一端通過長約2 cm左右的銅絲連在銅釘上，將銅釘插入EPG探頭。EPG的植物電極為直徑2 mm，長10 cm的銅棒，豎直插入水中。將粘有金線的飛虱輕放在水稻葉鞘部位，使其能夠自由取食，同時接通EPG電源，開啟波形記錄軟件。通過軟件PROBE 3.4(Wageningen Agricultural University, 荷蘭)記錄并儲存刺探波形。每頭白背飛虱若蟲持續(xù)記錄8 h，每次記錄更換新的水稻和白背飛虱若蟲。每處理有效重復數(shù)為13次。試驗在溫度27±1℃，相對濕度70%±5%的安靜環(huán)境下進行。

1.4 水稻施硅后白背飛虱雌成蟲的寄主選擇行為

采用籠罩法測定施硅對白背飛虱雌成蟲的棲息選擇和產(chǎn)卵選擇的影響。測定棲息選擇性時，選取35日齡盆栽水稻，每種處理各1盆，拔除枯葉和多余的稻苗，每桶保留10株。不同處理稻苗等距離排列在一個圓上(直徑20 cm)，盆與盆之間大約間隔20 cm。用80目防蟲籠(長×寬×高=60 cm×60 cm×60 cm)罩住。在圓心處用培養(yǎng)皿(直徑9 cm，高2 cm)接入35頭長翅型白背飛虱雌成蟲。72 h后統(tǒng)計各處理水稻上的蟲數(shù)。一個籠罩為一次重復，共重復12次。重復之間輪換籠罩內(nèi)各處理稻苗的相對位置。測定產(chǎn)卵選擇的方法基本相同，不同的是每處理采用3株30日齡稻苗移栽到塑料杯(直徑8 cm，高14 cm)中，在防蟲籠中心接入10頭初懷卵雌成蟲，1周后計數(shù)各稻株上的若蟲數(shù)，并剪取稻株于解剖鏡下解剖記錄未孵化卵數(shù)。產(chǎn)卵量為若蟲數(shù)加未孵化卵數(shù)。共重復6次。試驗在溫控室進行(溫度為27±3℃，相對濕度70%±5%)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

百分比數(shù)據(jù)進行平方根反正弦轉(zhuǎn)換，以滿足方差分析的要求。使用SPSS 24.0雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗硅處理、白背飛虱為害以及兩者交互作用對水稻葉鞘硅化程度影響的顯著性，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗硅處理對白背飛虱刺吸行為和寄主選擇影響的顯著性，用Tukey氏檢驗法比較不同處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果

2.1 施硅對水稻葉鞘硅化程度的影響

電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，水稻葉鞘中硅細胞呈啞鈴形，成對排列(圖1: A, B)。雙因素方差分析結(jié)果表明，硅處理、白背飛虱取食以及兩者交互作用對水稻葉鞘硅化程度(硅細胞數(shù)和面積)均有顯著影響(表1)。白背飛虱取食不同時間時，水稻硅細胞數(shù)隨施硅量增大而順次顯著增多(P<0.001)(圖2: A)；硅細胞面積則相反，隨施硅量的增大而順次顯著減小(P<0.001)(圖2: B)。在不同施硅量的水稻中，白背飛虱取食24 h時的水稻硅細胞數(shù)顯著多于取食0 h時(P=0.001)(圖2: C)，而取食72 h時的水稻硅細胞數(shù)顯著少于取食0 h時(P=0.002)(圖2: C)；白背飛虱取食0 h時的水稻硅細胞面積顯著小于其他取食時間(P≤0.002)(圖2: D)，取食0 h時比取食96 h時水稻硅細胞面積低6.9%。

2.2 水稻施硅對白背飛虱若蟲刺吸行為的影響

EPG記錄白背飛虱4-5齡若蟲在水稻上的刺吸電位如圖1(C)所示。硅處理對非刺探(np)波、路徑(Nc)波、韌皮部取食(N4-b)波的總持續(xù)時間有顯著影響，而且對np波、韌皮部刺穿(N4-a)波、N4-b波的單次持續(xù)時間有顯著影響(表2)。np波和Nc波的總持續(xù)時間隨施硅量增大而延長，高硅處理組顯著長于對照組(np波:P=0.004; Nc波:P=0.015)；而N4-b波的總持續(xù)時間隨施硅量增大而縮短，施硅處理顯著短于對照組(P≤0.041)。np波單次持續(xù)時間隨施硅量增大而延長，高硅處理組顯著長于對照組(P=0.050)；與之相反，N4-a波和N4-b波的單次持續(xù)時間隨施硅量的增大而縮短，高硅處理N4-a波單次持續(xù)時間比對照短(P=0.043)，施硅處理N4-b波單次持續(xù)時間顯著短于對照(P≤0.028)。

2.3 水稻施硅對白背飛虱雌成蟲寄主選擇性的影響

施硅顯著影響白背飛虱雌成蟲對水稻的棲息選擇性(F=244.393,df=2,35,P<0.001)(圖3: A)和產(chǎn)卵選擇性(F=28.924,df=2,17,P<0.001)(圖3: B)。白背飛虱雌成蟲在不同處理水稻上的棲息率隨施硅量的增大而顯著下降(P<0.001)(圖3: A)，中硅和高硅處理分別比對照降低48.0%和67.4%，高硅比中硅處理降低37.4%。就產(chǎn)卵選擇性而言，中硅和高硅處理水稻上的產(chǎn)卵量均顯著低于對照(P<0.001)(圖3: B)，比對照分別降低34.8%和46.1%。

圖1 水稻葉鞘表面電鏡圖和白背飛虱刺吸電位圖Fig. 1 Scanning electron microscope (SEM) photos of rice leaf sheath surface and electrical penetration graph (EPG) waveforms identified from Sogatella furcifera on riceA: 對照葉鞘電鏡圖SEM graph of leaf sheath of the control plant; B: 施硅處理葉鞘電鏡圖SEM graph of silicon-treated leaf sheath; C: EPG. SC: 硅細胞Silica cell. np: 未刺探Non-penetration; N1: 刺探開始Penetration initiation; N2: 唾液分泌和口針移動Salivation and stylet movement; N3: 口針在韌皮部外活動Extracellular stylet activity near the phloem region; N4-a: 口針刺入韌皮部Intracellular stylet activity in the phloem region without ingestion; N4-b: 取食韌皮部汁液Phloem sap ingestion; N5: 口針在木質(zhì)部活動Activity in the xylem region. 其中，N1, N2和N3合并為路徑(Nc)波N1, N2 and N3 are collectively named as pathway event (Nc).

表1 硅處理和白背飛虱為害影響水稻葉鞘硅化程度的雙因子方差分析參數(shù)Table 1 Parameters of two-way analysis of variance for significance of the effects of silicon amendment and Sogatella furcifera infestation on silicification of rice leaf sheaths

圖2 硅處理和白背飛虱為害影響水稻葉鞘硅化程度的主效應Fig. 2 Main effects of silicon application and Sogatella furcifera infestation on silicification of rice leaf sheaths柱上不同字母表示處理間差異顯著(Turkey氏檢驗, P<0.05)。Different letters above bars indicate significant difference (Turkey’s test, P<0.05).

表2 EPG記錄的施硅和未施硅水稻上白背飛虱若蟲的取食行為Table 2 Feeding behaviors of Sogatella furcifera nymphs on rice plants amended with Si or not recorded by EPG

圖3 白背飛虱雌成蟲對施硅水稻的棲息(A)和產(chǎn)卵(B)選擇性Fig. 3 Settling (A) and oviposition (B) preference of female adults of Sogatella furcifera on rice plants amended with siliconCK: 不施硅No silicon was amended. 數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤，柱上不同字母表示差異顯著(Tukey氏檢驗, P<0.05)。Data are expressed as mean±SE. Bars with different letters indicate significant difference (Tukey’s test, P<0.05).

3 討論

植物抗蟲機制表現(xiàn)為抗生性(antibiosis)、耐害性(tolerance)和排驅(qū)性(antixenosis)3個方面(Kochetal., 2016)。排驅(qū)性是指植物使昆蟲不趨向其上取食、產(chǎn)卵或棲息的一些特性。植物的表面形態(tài)、生理生化特性和分泌的揮發(fā)性次生物質(zhì)可以阻止昆蟲趨向植物產(chǎn)卵或取食，從而避免或減輕害蟲為害(盧偉等, 2007; 韓永強等, 2017)。水稻對白背飛虱的抗性與水稻葉鞘表皮的剛毛、刺毛、硅細胞群、硅細胞鏈、木栓層和蠟被層密度等密切相關(guān)(葉海芳, 1989)。本研究結(jié)果表明，白背飛虱雌成蟲對中硅和高硅處理水稻的棲息選擇率(圖3: A)和產(chǎn)卵選擇性(圖3: B)均顯著低于對照，表明施硅增強了水稻對白背飛虱的排驅(qū)性，這可能與施硅增大水稻葉鞘的硅化程度有關(guān)。水稻是典型的硅酸植物，具有主動吸收和富集硅的能力(Maetal., 2006)。吸收的硅富集在水稻莖稈、葉鞘和葉片的表皮，增加植物組織的硬度和耐磨度。本研究結(jié)果(圖2)和此前的報道(Yangetal., 2017b)均發(fā)現(xiàn)施硅增加單位面積水稻葉鞘上的硅細胞數(shù)量，這有助于增強表皮上的剛毛、刺毛、木栓層和蠟被層對白背飛虱寄主選擇的不利影響，從而導致白背飛虱對施硅水稻的棲息和產(chǎn)卵選擇性下降。另外，Kvedaras等(2010)報道施硅影響植物揮發(fā)性次生物質(zhì)的釋放，但施硅是否影響水稻揮發(fā)性次生物質(zhì)的釋放及其在施硅水稻對白背飛虱的排驅(qū)性中的作用，需要開展進一步的研究。

刺吸式害蟲通過口針從植物韌皮部汁液獲取營養(yǎng)。在刺吸植物韌皮部汁液之前，口針需要經(jīng)過一系列的刺探行為(Leietal., 2016)。在這個過程中，植物的組織化學特性會對刺吸式害蟲的刺吸行為產(chǎn)生影響。本研究中，我們發(fā)現(xiàn)施硅影響白背飛虱若蟲對水稻韌皮部汁液的攝取，施硅處理縮短了白背飛虱若蟲的韌皮部取食(N4-b)的時間(表2)；這與施硅對褐飛虱(Yangetal., 2017b)和麥二叉蚜Schizaphisgraminum(Costaetal., 2011)刺吸行為的影響一致。有意思的是，這一結(jié)果也與褐飛虱在抗蟲品種上的行為相似，即褐飛虱在攜帶抗性基因Bph14和Bph15的水稻植株上攝取韌皮部汁液的時間減少(Haoetal., 2008)。在施硅處理水稻上，白背飛虱的非刺探(np)波的總持續(xù)時間和單次持續(xù)時間以及路徑(Nc)波的總持續(xù)時間均顯著高于對照水稻(表2)。再者，雖然韌皮部刺穿(N4-a)的總持續(xù)時間在施硅處理與對照之間沒有差異，但是對照中單次持續(xù)時間反而顯著長于施硅處理(表2)，這是由于白背飛虱在施硅水稻上進行了更為頻繁的刺探和刺穿行為。這些結(jié)果表明白背飛虱在施硅水稻上的刺吸行為受到了阻礙。掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，施硅水稻的硅化程度增大，而且硅處理的水稻葉鞘維管束四周有排列緊密的硅細胞鏈，這可能使得白背飛虱在施硅水稻上花費更多的時間來選擇刺探部位(即np波持續(xù)時間增大)，而且白背飛虱在施硅水稻上選擇的刺探部位可能并不適合進一步的韌皮部刺穿，從而表現(xiàn)出更頻繁的刺探和刺穿。硅處理水稻上韌皮部取食(N4-b)時間的下降，一方面可能是施硅使得水稻韌皮部汁液中可溶性硅酸含量上升(這需要進一步測定)，因為水稻葉鞘中提取出的可溶性硅酸可以減少褐飛虱取食(Sowers and Thurston, 1979)；另一方面，施硅處理可能參與白背飛虱刺吸誘導的胼胝質(zhì)在韌皮部篩管上的沉積(Yangetal., 2018)，從而阻止白背飛虱取食韌皮部汁液。胼胝質(zhì)是一種植物多糖，蟲害可誘導其在韌皮部篩管上沉積，從而阻止刺吸式害蟲的韌皮部汁液取食(Haoetal., 2008)。施硅水稻上白背飛虱刺吸行為受阻將最終導致白背飛虱取食量下降，從而增強施硅水稻對白背飛虱的抗生性。

本研究結(jié)果表明，施硅增強水稻對白背飛虱的排驅(qū)性、阻礙白背飛虱的刺吸行為，這將有助于降低施硅水稻上白背飛虱的種群和為害，從而增強水稻對白背飛虱的抗性。