美國(guó)白蛾生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)寄主植物不同次生代謝物質(zhì)的適應(yīng)性1)

王沫 姜礅 孟昭軍 嚴(yán)善春

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱,150040)

在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中，昆蟲與寄主植物之間形成了變換多樣、程度不同的相互適應(yīng)關(guān)系，但由于不同寄主植物的營(yíng)養(yǎng)組成、次生代謝物質(zhì)等不同，對(duì)昆蟲的生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖，以及其體內(nèi)的生理、生化指標(biāo)均有不同程度的影響，導(dǎo)致昆蟲蟲口密度的動(dòng)態(tài)變化。為了更好地生存和繁殖，昆蟲需要不斷地提高自身對(duì)寄主植物的適應(yīng)能力[1]。植物次生代謝物質(zhì)是植物對(duì)生態(tài)環(huán)境的一種適應(yīng)，能夠使植物在與其他植物相互競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同進(jìn)化過程中提高生存競(jìng)爭(zhēng)力，防御植食性昆蟲的取食危害是昆蟲在取食過程中遇到的主要障礙之一[2-3]。相應(yīng)地，植食性昆蟲也可通過快速進(jìn)化，提高其對(duì)寄主的選擇適應(yīng)性，改變?nèi)∈巢呗裕{(diào)節(jié)生長(zhǎng)發(fā)育的節(jié)律，以及規(guī)避自然天敵等行為，逃避、抑制或改變植物的防御[4]。

植物中的次生代謝物質(zhì)種類很多，如酚甙類及酚酸類化合物。大多數(shù)植物次生代謝物質(zhì)對(duì)植食性昆蟲的生長(zhǎng)發(fā)育具有一定的抑制作用，且部分次生代謝物質(zhì)對(duì)其具有驅(qū)避、引誘、拒食、毒殺、不育等作用[5]。例如單寧對(duì)青楊天牛(Saperdapopulnea)具有一定的忌避作用，能夠控制青楊天牛的危害程度[6]；大豆能夠合成黃酮類物質(zhì)抑制鱗翅目幼蟲的取食危害[7]；肉桂酸能夠較好地抑制青楊脊虎天牛(Xylotrechusrusticus)幼蟲的生長(zhǎng)[8]；水楊甙的含量與天牛幼蟲的孵化率呈負(fù)相關(guān)，含量越高，對(duì)天牛的抗性越強(qiáng)[9]；對(duì)羥基苯甲酸會(huì)導(dǎo)致昆蟲的發(fā)育歷期延長(zhǎng)，提高青楊天牛的死亡率[10-11]。然而面對(duì)植物的防御體系，植食性昆蟲在選擇壓力的作用下，能夠演化出多種反防御機(jī)制以維持種群發(fā)展，其中植食性昆蟲依賴靈敏的感覺作用,包括視覺、嗅覺、味覺和觸覺，能夠?qū)Σ煌N類植物所含的次生代謝物質(zhì)精準(zhǔn)識(shí)別,規(guī)避有毒的次生代謝物質(zhì)，并且植食性昆蟲的選擇壓力隨寄主植物種類和生長(zhǎng)環(huán)境的不同而變化，從而提高對(duì)寄主植物的適應(yīng)性[4，12]。

美國(guó)白蛾(Hyphantriacunea)屬鱗翅目(Lepidoptera)燈蛾科(Arctiidae)，原產(chǎn)于北美地區(qū)的美國(guó)和加拿大，后傳入歐洲和亞洲，嚴(yán)重危害林木和農(nóng)作物，是一種極易暴發(fā)成災(zāi)的國(guó)際檢疫害蟲[13]。美國(guó)白蛾的寄主植物多達(dá)49科108屬175種,是我國(guó)重大的外來(lái)入侵害蟲[14]。根據(jù)國(guó)家林業(yè)局2018年公布顯示，美國(guó)白蛾目前分布在我國(guó)11個(gè)省份，縣級(jí)疫區(qū)572個(gè)[15]，危害甚廣。為探明美國(guó)白蛾對(duì)不同寄主植物的適應(yīng)性，本研究分析了寄主植物單寧、黃酮、肉桂酸、水楊甙和對(duì)羥基苯甲酸5種次生代謝物質(zhì)對(duì)美國(guó)白蛾生長(zhǎng)發(fā)育的影響，為尋求高效且環(huán)境友好的害蟲防控新途徑提供思路和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx

美國(guó)白蛾蟲卵及人工飼料由中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所提供。試驗(yàn)前將卵塊先用體積分?jǐn)?shù)10%的甲醛溶液消毒30 min，再用清水沖洗3次后，將卵塊置于養(yǎng)蟲盒中，放入光照培養(yǎng)箱(哈爾濱市東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司HPG-280HX型)中進(jìn)行孵化飼養(yǎng)。飼養(yǎng)條件:相對(duì)濕度70%～80%，光周期12L∶12D，溫度(25±1)℃。待幼蟲孵化后，使用人工飼料將幼蟲飼喂至3齡。

1.2 試驗(yàn)處理

將新蛻皮的3齡幼蟲分為11組，每組30頭，按表1的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在飼料中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的次生代謝物質(zhì)，飼喂幼蟲，對(duì)照組不添加任何次生代謝物質(zhì)，每組3個(gè)重復(fù)。飼喂幼蟲生長(zhǎng)到4、5、6齡時(shí)，從各組的3個(gè)重復(fù)中，隨機(jī)挑選10頭蛻皮不超過24 h的幼蟲，測(cè)量其體質(zhì)量、體長(zhǎng)和頭殼寬。每天記錄，統(tǒng)計(jì)其存活率、發(fā)育歷期、化蛹率、羽化率。幼蟲化蛹后測(cè)量蛹質(zhì)量。

表1 美國(guó)白蛾幼蟲人工飼料中次生代謝物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

幼蟲存活率=(化蛹前幼蟲數(shù)量/飼養(yǎng)幼蟲初始數(shù)量)×100%。

化蛹率=(蛹的數(shù)量/化蛹前幼蟲數(shù)量)×100%。

羽化率=(羽化數(shù)量/蛹的數(shù)量)×100%。

用SPSS 21.0對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，比較美國(guó)白蛾同一齡期下各處理組與對(duì)照組之間的差異顯著性(α<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 次生代謝物質(zhì)對(duì)美國(guó)白蛾4～6齡幼蟲生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1.1 對(duì)4～6齡幼蟲體質(zhì)量的影響

由表2可知，相同處理組的美國(guó)白蛾幼蟲各齡級(jí)與對(duì)照相比，在單寧和黃酮處理組，除H1組的4齡幼蟲外，H1組的5～6齡及其余處理組4～6齡幼蟲體質(zhì)量均顯著低于對(duì)照。肉桂酸處理組中，4、6齡幼蟲體質(zhì)量與對(duì)照相比差異不顯著，而5齡幼蟲顯著低于對(duì)照(P<0.05)。在水楊甙和對(duì)羥基苯甲酸處理組中，S1組的6齡幼蟲和BJ1組的4齡幼蟲體質(zhì)量與對(duì)照組無(wú)顯著差異，其余組均顯著低于對(duì)照(P<0.05)。在相同次生物質(zhì)的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組間，4齡幼蟲，黃酮和對(duì)羥基苯甲酸不同組間差異顯著；5齡幼蟲，黃酮和單寧不同組間差異顯著；6齡幼蟲，單寧不同組間差異顯著；均表現(xiàn)為與次生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)負(fù)依賴關(guān)系，幼蟲體質(zhì)量表現(xiàn)為高質(zhì)量分?jǐn)?shù)組顯著低于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)組(P<0.05)。

2.1.2 對(duì)4～6齡幼蟲體長(zhǎng)的影響

由表2可知，與對(duì)照相比，單寧和黃酮處理組中，D1、D2、H2處理組4～6齡幼蟲體長(zhǎng)均顯著低于對(duì)照，而H1處理組僅6齡幼蟲的體長(zhǎng)顯著低于對(duì)照(P<0.05)。肉桂酸處理組中，4、5齡幼蟲體長(zhǎng)與對(duì)照無(wú)顯著差異，R2組6齡幼蟲體長(zhǎng)顯著低于對(duì)照(P<0.05)。在水楊甙和對(duì)羥基苯甲酸處理組中，S2組5、6齡幼蟲，BJ1組6齡和BJ2組4、6齡幼蟲體長(zhǎng)顯著低于對(duì)照(P<0.05)。在相同次生物質(zhì)的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)組間，4齡幼蟲，黃酮和對(duì)羥基苯甲酸不同組間差異顯著；5齡幼蟲，水楊甙不同組間差異顯著；6齡幼蟲，單寧和水楊甙不同組間差異顯著；均與次生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)組顯著低于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)組(P<0.05)。

表2 次生代謝物質(zhì)對(duì)美國(guó)白蛾4～6齡幼蟲生長(zhǎng)發(fā)育的影響

注：表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；n=10；同列不同小寫字母表示各處理組與對(duì)照組之間差異顯著，*代表同種物質(zhì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理之間差異顯著(P<0.05)。

2.1.3 對(duì)4～6齡幼蟲頭殼寬的影響

由表2可知，在單寧、黃酮、水楊甙和對(duì)羥基苯甲酸處理組中，美國(guó)白蛾4、5、6齡幼蟲頭殼寬均顯著低于對(duì)照(P<0.05)。肉桂酸處理組中，4、5齡幼蟲頭殼寬顯著低于對(duì)照，而6齡幼蟲與對(duì)照差異不顯著(P>0.05)。4齡幼蟲，黃酮不同組間差異顯著；5、6齡幼蟲，單寧不同組間差異顯著，表現(xiàn)為與次生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)負(fù)依賴關(guān)系，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)組顯著低于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)組(P<0.05)。

2.1.4 對(duì)末齡幼蟲存活率的影響

由表3可知，與對(duì)照相比，單寧處理組中，美國(guó)白蛾幼蟲未發(fā)育至末齡便全部死亡，幼蟲存活率為零，其余處理組均與對(duì)照差異不顯著(P>0.05)。

表3 植物次生代謝物質(zhì)對(duì)美國(guó)白蛾末齡幼蟲生長(zhǎng)發(fā)育的影響

注：表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤;n=10；同列不同小寫字母表示各處理組與對(duì)照組之間差異顯著(P<0.05)；*代表同種物質(zhì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理之間差異顯著(P<0.05)。

2.2 次生代謝物質(zhì)對(duì)美國(guó)白蛾末齡幼蟲生長(zhǎng)發(fā)育的影響

由表3可知，與對(duì)照相比，蛹質(zhì)量，單寧處理組幼蟲未至化蛹便全部死亡，無(wú)化蛹及羽化；其余處理組，除R1組外，蛹質(zhì)量均顯著降低(P<0.05)。幼蟲發(fā)育歷期，H1和H2處理組與對(duì)照相比顯著延長(zhǎng)，其余組與對(duì)照均差異不顯著?；悸剩琒1處理組顯著高于對(duì)照；羽化率，BJ2處理組顯著低于對(duì)照(P<0.05)，其余處理組化蛹率和羽化率均與對(duì)照無(wú)顯著差異(P>0.05)。

3 結(jié)論與討論

次生代謝產(chǎn)物在植物防御病蟲害、抵御外界不良刺激、適應(yīng)外界環(huán)境、提高自身生存及繁殖能力等方面起到重要作用[16]，而植食性昆蟲對(duì)植物次生代謝物質(zhì)具有不同的適應(yīng)能力，這種適應(yīng)能力與次生代謝物質(zhì)的含量密切相關(guān)。孫守慧等[17]研究發(fā)現(xiàn)，青楊天牛幼蟲對(duì)香豆酸和阿魏酸等適應(yīng)能力較強(qiáng)，死亡率相對(duì)較低，而對(duì)苯酚、綠原酸等適應(yīng)能力較弱，且含量越高，適應(yīng)性越差。Wang et al.[18]發(fā)現(xiàn)舞毒蛾(Lymantriadispar)幼蟲對(duì)楊樹不同次生代謝物質(zhì)呈現(xiàn)出不同的適應(yīng)能力，表現(xiàn)為對(duì)咖啡酸和蘆丁適應(yīng)能力較強(qiáng)，對(duì)黃酮的適應(yīng)能力較弱。在本研究中，基于美國(guó)白蛾4～6齡幼蟲的體質(zhì)量、體長(zhǎng)和頭殼寬以及末齡幼蟲的存活率、蛹質(zhì)量、發(fā)育歷期、化蛹率和羽化率等生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)5種次生代謝物質(zhì)的適應(yīng)性由強(qiáng)到弱依次為肉桂酸、水楊甙、對(duì)羥基苯甲酸、黃酮、單寧，對(duì)肉桂酸的適應(yīng)性最強(qiáng)，對(duì)單寧的適應(yīng)性最差。說(shuō)明美國(guó)白蛾對(duì)寄主林木不同次生代謝物及其不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有不同程度的適應(yīng)能力。

單寧是一類大分子量的多元酚化合物，昆蟲取食單寧后，能夠影響昆蟲腸道對(duì)淀粉、脂質(zhì)、總蛋白等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化，同時(shí)也可影響一些含金屬元素酶的活性，顯著抑制昆蟲的取食以及生長(zhǎng)發(fā)育，被視為一種抗?fàn)I養(yǎng)因子[19-22]。邵婭等[23]發(fā)現(xiàn)，單寧對(duì)豌豆蚜(Acyrthosiphonpisum)的生長(zhǎng)發(fā)育及繁殖有明顯的抑制作用；劉偉等[24]在對(duì)單寧酸對(duì)甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)幼蟲生長(zhǎng)發(fā)育及酚氧化酶活性的抑制作用的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著單寧的質(zhì)量濃度增大，甜菜夜蛾幼蟲的死亡率逐漸增大，單寧的抑制效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。在本研究中,美國(guó)白蛾幼蟲取食單寧后，生長(zhǎng)發(fā)育顯著受到抑制，幼蟲死亡率100%，幼蟲未至化蛹全部死亡，說(shuō)明美國(guó)白蛾對(duì)單寧的適應(yīng)能力較差，進(jìn)一步說(shuō)明單寧是植物體內(nèi)與抗蟲性相關(guān)的重要次生代謝物質(zhì)[25]。

酚酸和酚甙類物質(zhì)被認(rèn)為是植物重要的防衛(wèi)物質(zhì)，在昆蟲與植物的相互作用之間發(fā)揮著介導(dǎo)作用[26]。王曉麗等[27]研究發(fā)現(xiàn)，酚類植物次生代謝物質(zhì)對(duì)舞毒蛾2齡幼蟲都具有一定的毒殺和拒食作用；諸姮等[28]研究發(fā)現(xiàn)，黃酮主要通過抑制昆蟲取食和增強(qiáng)昆蟲代謝負(fù)擔(dān)來(lái)協(xié)助植物抵御昆蟲的危害；房建軍[29]發(fā)現(xiàn)，從美洲黑楊中提取的水楊甙對(duì)光肩星天牛(Anoplophoraglabripennis)幼蟲生長(zhǎng)發(fā)育存在不同程度的負(fù)作用。本研究發(fā)現(xiàn)，在黃酮處理組中，美國(guó)白蛾幼蟲體質(zhì)量、體長(zhǎng)、頭殼寬，4齡幼蟲在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組顯著降低(P<0.05)，但5、6齡幼蟲在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組未見明顯差異；發(fā)育歷期比對(duì)照顯著延長(zhǎng)。這可能是由于隨著飼喂期的延長(zhǎng)，幼蟲對(duì)黃酮逐漸適應(yīng)，破解了高質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)它的毒害影響，但代價(jià)是發(fā)育遲緩，歷期延長(zhǎng)。肉桂酸處理組4～6齡幼蟲體質(zhì)量、體長(zhǎng)、頭殼寬和蛹質(zhì)量均有不同程度的降低，但是存活率、發(fā)育歷期、化蛹率以及羽化率與對(duì)照差異不顯著，說(shuō)明美國(guó)白蛾幼蟲對(duì)肉桂酸具有比較強(qiáng)的適應(yīng)能力。Smiley et al.[30]研究發(fā)現(xiàn)，柳樹無(wú)性系受葉甲危害程度與水楊甙含量呈負(fù)相關(guān)；王蕤等[31]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)羥基苯甲酸的存在及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異與植物抗蟲性強(qiáng)弱相關(guān)聯(lián)。本研究發(fā)現(xiàn)，水楊甙和對(duì)羥基苯甲酸處理組中，美國(guó)白蛾的體質(zhì)量、體長(zhǎng)、頭殼寬均有不同程度的降低，對(duì)羥基苯甲酸高質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組羽化率顯著低于對(duì)照。在水楊甙低質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組化蛹率顯著高于對(duì)照，說(shuō)明美國(guó)白蛾對(duì)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水楊甙能逐漸適應(yīng)并加以利用，促進(jìn)其化蛹和羽化作用；在水楊甙高質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組化蛹率則低于對(duì)照。Lindroth et al.[32]認(rèn)為，酚甙類物質(zhì)只在高含量下對(duì)昆蟲產(chǎn)生毒害作用，與本研究結(jié)果相似。美國(guó)白蛾幼蟲存活率，除單寧外其余處理組與對(duì)照均差異不顯著；雖然蛹質(zhì)量均與對(duì)照差異顯著，但化蛹率和羽化率未受明顯影響。說(shuō)明美國(guó)白蛾對(duì)寄主植物次生代謝物有逐漸適應(yīng)解毒能力，這種適應(yīng)性變化促進(jìn)了其對(duì)寄主植物的反防御，降低次生代謝物質(zhì)對(duì)其的危害，擴(kuò)大了其對(duì)寄主植物的適應(yīng)范圍[4，33]。

綜上所述，美國(guó)白蛾的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)單寧、黃酮、肉桂酸、水楊甙和對(duì)羥基苯甲酸這5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的次生代謝物質(zhì)呈現(xiàn)出不同程度適應(yīng)能力。單寧質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的林木將抑制美國(guó)白蛾的危害。