植物次生物質(zhì)對美國白蛾食物利用的影響1)

劉曉霞 姜礅 孟昭軍 嚴(yán)善春

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱,150040)

美國白蛾(Hyphantriacunea)別名秋幕毛蟲，屬鱗翅目(Lepidoptera)燈蛾科(Arctiidae)，是世界性檢疫害蟲之一，于1979年在我國遼寧省丹東市首次發(fā)現(xiàn)[1]，隨后迅速擴(kuò)散蔓延到山東、陜西、河北、天津和上海等省市。美國白蛾食性雜、繁殖量大、適應(yīng)性強(qiáng)，對其所到地區(qū)的林木都造成了嚴(yán)重危害。盡管國家對美國白蛾的防控高度重視[2-3]，采取了一系列防治措施，其危害范圍仍然不斷擴(kuò)大，據(jù)國家林業(yè)局2018年公布結(jié)果顯示，美國白蛾在我國已擴(kuò)散到11個(gè)省份，縣級疫區(qū)達(dá)572個(gè)，其中15個(gè)為2018年新增疫區(qū)[4-5]。

植物自身擁有對害蟲的防御機(jī)制，次生物質(zhì)是此類防御機(jī)制運(yùn)行的重要“執(zhí)行者”，在昆蟲危害植物時(shí)，影響昆蟲的取食行為[6]。Gershenzon et al.[7]的研究發(fā)現(xiàn)，植物中的倍半萜類次生物質(zhì)阻礙了鱗翅目昆蟲口器對葡萄糖、蔗糖和肌醇刺激的響應(yīng)，達(dá)到抑制昆蟲取食的目的。一些植物次生物質(zhì)會(huì)引起昆蟲中腸組織發(fā)生病變，破壞其消化系統(tǒng)，造成其消化功能異常，最終導(dǎo)致昆蟲死亡[8]。Kostal et al.[9]研究發(fā)現(xiàn)植物中存在大量可以作為蛋白酶抑制劑的防御物質(zhì)，當(dāng)昆蟲取食植物后，植物中的蛋白酶抑制劑會(huì)降低昆蟲之后對其的取食。嚴(yán)俊鑫等[10]認(rèn)為，單寧是植物中一類具有多抗性的酚類物質(zhì)，會(huì)影響昆蟲的取食。董鈞峰等[11]研究結(jié)果表明，棉酚可顯著降低煙青蟲(Helicoverpaassulta)的食物消耗率，番茄苷不僅抑制煙青蟲的取食，對其食物消耗率和利用率也有顯著抑制作用；辣椒素會(huì)刺激煙青蟲的取食；而棉酚對棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)卻有輔食作用，番茄苷對棉鈴蟲各營養(yǎng)指標(biāo)均無影響。單寧可引起棉鈴蟲幼蟲對食物的消耗率減小、轉(zhuǎn)化率增大，而食物利用率無顯著變化[12]。用添加沒食子酸的人工飼料飼喂美國白蛾4齡幼蟲后，其食物消耗率下降，食物利用率卻上升[13]。人參莖葉總皂苷明顯抑制小菜蛾(Plutellaxylostella)的取食[14]。

美國白蛾可危害300多種林木、果樹、農(nóng)作物和其他野生植物，它為何能逾越如此眾多植物的化學(xué)防御？本研究在人工飼料飼中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)單寧和水楊苷，飼喂美國白蛾幼蟲，分析其4～6齡幼蟲的取食量、排糞量、食物消耗率、轉(zhuǎn)化率以及食物利用率，以期探明不同次生物質(zhì)對美國白蛾食物利用的影響，分析其對寄主植物廣譜適應(yīng)機(jī)理，為探索防控美國白蛾新途徑提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源及飼養(yǎng)方法

美國白蛾卵塊及人工飼料由中國林業(yè)科學(xué)院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所提供。水楊苷又稱水楊甙，化學(xué)式為C13H18O7，購自上海源葉生物科技有限公司。單寧又稱丹寧，化學(xué)式為C76H52O46，購自上海麥克林生化科技有限公司。試驗(yàn)前，先用體積分?jǐn)?shù)為10%的甲醛溶液將卵塊浸泡30 min，之后用蒸餾水沖洗3次，晾干后將卵塊置于養(yǎng)蟲盒中，放入光照培養(yǎng)箱內(nèi)孵化飼養(yǎng)。飼養(yǎng)條件為，溫度(25±1)℃，濕度70%～80%，光周期16L∶8D。待幼蟲孵化后，用人工飼料飼喂至3齡，之后將剛蛻皮的3齡幼蟲分為9組，每組3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)30多頭幼蟲。在人工飼料中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%、0.75%、1.00%、1.50%的水楊苷，或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%、0.40%、0.60%、0.80%的單寧，對照組不添加次生物質(zhì)，飼養(yǎng)幼蟲。每天更換1次飼料，直至所有幼蟲化蛹或死亡。

1.2 營養(yǎng)指標(biāo)測定

每天稱量各處理組取食前、取食后飼料的質(zhì)量、空白組飼料初始質(zhì)量、空白組飼料最終質(zhì)量，以及幼蟲糞便的質(zhì)量，同時(shí)測定各齡幼蟲的齡初體質(zhì)量和齡末體質(zhì)量。用未接蟲的飼料測算校正失水率，用于計(jì)算校正失水率、體質(zhì)量增長量、取食量、食物消耗率、食物轉(zhuǎn)化率和食物利用率[15-16]。各指標(biāo)的計(jì)算方法如下：

校正失水率=(空白組飼料初始質(zhì)量-空白組飼料最終質(zhì)量)/空白組飼料初始質(zhì)量；

體質(zhì)量增長量=齡末體質(zhì)量-齡初體質(zhì)量；

取食量=(取食前飼料質(zhì)量-取食后飼料質(zhì)量)/(1-校正失水率)；

食物消耗率=((取食量-排糞量)/取食量)×100%；

食物轉(zhuǎn)化率=(昆蟲體質(zhì)量增長量/(取食量-排糞量))×100%；

食物利用率=(昆蟲體質(zhì)量增長量/取食量)×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用SPSS 21.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，比較美國白蛾幼蟲在不同次生物質(zhì)處理組的取食量、排糞量、食物消耗率、食物轉(zhuǎn)化率及食物利用率的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 單寧和水楊苷對美國白蛾取食量和排糞量的影響

單寧和水楊苷各處理組美國白蛾4～6齡幼蟲取食量和排糞量的情況見表1、表2。由表1可知，單寧各處理組的取食量，4～5齡均不同程度地高于對照組，在4齡時(shí)，單寧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%和0.60%的處理組顯著高于對照組(P<0.05)；5齡時(shí)，單寧各處理組均顯著高于對照組(P<0.05)；6齡時(shí)，單寧各處理組的取食量均顯著低于對照組(P<0.05)。不同齡期相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組的取食量，從4齡到5、6齡均先增加后減少，且6齡時(shí)的取食量均小于4齡時(shí)的。同一齡期不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組間的取食量，在4齡時(shí)，0.20%和0.60%處理組均顯著高于0.40%和0.80%處理組；5齡時(shí)各處理組間均無顯著差異；6齡時(shí)，0.80%處理組顯著低于0.60%處理組(P<0.05)。單寧各處理組的排糞量，在4齡時(shí)均高于對照組，但差異不顯著(P>0.05)；5～6齡時(shí)，除了5齡的0.80%處理組與對照組無顯著差異(P>0.05)外，其他處理組均顯著低于對照組(P<0.05)。不同齡期相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)各處理組間的排糞量，0.20%和0.40%處理組從4～6齡逐漸減少；0.60%和0.80%處理組先增加后減少，且6齡低于4齡；同一齡期不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組間的排糞量多無顯著差異。

表1 單寧對美國白蛾取食量和排糞量的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，n=9。同列不同小寫字母表示同齡期不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。

由表2可知，水楊苷各處理組幼蟲的取食量，在4齡時(shí)，水楊苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%處理組低于對照組(P>0.05)，其余處理組均高于對照組，但其中只有0.50%處理組與對照組差異顯著(P<0.05)；5齡時(shí)，1.00%處理組的取食量低于對照組，其余處理組均顯著高于對照組(P<0.05)；6齡時(shí)，各處理組與對照組均無顯著差異(P>0.05)。不同齡期相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組的取食量，從4齡到5、6齡，0.50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組先增后減，并在6齡時(shí)低于4齡；1.00%質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組的取食量先減少后增加，至6齡時(shí)高于4齡；0.75%和1.50%處理組的取食量逐漸增加。同一齡期不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組間的取食量，在4～5齡時(shí)，0.50%處理組的取食量均顯著高于其他處理組；6齡時(shí)，0.50%處理組的取食量顯著低于1.50%處理組的(P<0.05)。水楊苷各處理組的排糞量，在4～5齡時(shí)均高于對照組，其中，4齡時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%的處理組與對照組差異顯著(P<0.05)；5齡時(shí)，各處理組均顯著高于對照組(P<0.05)。6齡時(shí)均低于對照組，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%和0.75%處理組與對照組差異顯著(P<0.05)。不同齡期相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組間的排糞量，0.50%處理組從4～6齡先增加后減少，1.00%處理組從4～6齡先減少后增加，其余處理組均隨著齡期的增長而增加；同一齡期不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)組間的排糞量均無顯著差異。

表2 水楊苷對美國白蛾取食量和排糞量的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，n=9。同列不同小寫字母表示同齡期不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。

2.2 單寧和水楊苷對美國白蛾食物利用的影響

各處理組美國白蛾4～6齡幼蟲對食物利用情況見表3、表4。由表3可知，單寧處理組的食物消耗率隨齡期的增長而增大，4齡時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%和0.60%的處理組高于對照組，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%和1.00%的處理組低于對照組，但差異均不顯著(P>0.05)；5～6齡時(shí)，單寧各處理組的食物消耗率均顯著高于對照組(P<0.05)；同一齡期不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)組間多無顯著差異。單寧各不同處理組的食物轉(zhuǎn)化率與利用率多顯著低于對照組，在同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組，隨齡期的增長與對照的差異越來越大，如單寧質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20%的處理組，食物轉(zhuǎn)化率，4齡是對照的0.754倍，5齡是對照的0.097倍，6齡是對照的0.044倍；食物利用率，4齡是對照的0.755倍，5齡是對照的0.098倍，6齡是對照的0.046倍。單寧各不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組的食物轉(zhuǎn)化率和利用率從4～6齡先減小后增大，但最終都小于4齡；同一齡期的單寧各不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)組間無顯著差異。

表3 單寧對美國白蛾食物利用的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，n=9。同列不同小寫字母表示同齡期不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。

由表4可知，水楊苷處理組的食物消耗率，隨著齡期的增長而減小，與對照相比，在4～5齡時(shí)，1.00%質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組顯著低于對照(P<0.05)，其余處理組均與對照組差異不顯著(P>0.05)；在6齡時(shí)，1.00%質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組與對照無顯著差異，其余處理組均顯著高于對照組(P<0.05)。同一齡期不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組間的食物消耗率，在4～5齡，0.50%處理組均顯著高于1.00%處理組(P<0.05)，其余各不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)組間均無顯著差異；6齡時(shí)，各不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)組間均無顯著差異。水楊苷各不同處理組的食物轉(zhuǎn)化率和利用率均隨著齡期的增長而增大，但不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組與對照的差異顯著不同，如0.50%處理組，在4～5齡均低于對照，但差異不顯著(P>0.05)，6齡時(shí)顯著低于對照(P<0.05)；0.75%處理組，在各齡期與對照之間均無顯著差異(P>0.05)；1.00%處理組，在4齡時(shí)高于對照但差異不顯著(P>0.05)，5齡時(shí)顯著高于對照(P<0.05)，6齡時(shí)低于對照但差異不顯著(P>0.05)；1.50%的處理組，4齡時(shí)低于對照但差異不顯著(P>0.05)，5齡時(shí)顯著高于對照(P<0.05)，6齡時(shí)顯著低于對照(P<0.05)。同一齡期不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組間的食物轉(zhuǎn)化率和利用率，4齡時(shí)，0.75%、1.00%處理組均顯著高于0.50%處理組(P<0.05)；5齡時(shí)，1.00%處理組均顯著高于0.50%、0.75%和1.50%處理組(P<0.05)，1.50%處理組顯著高于0.50%處理組(P<0.05)；6齡時(shí)，0.75%、1.00%處理組均顯著高于0.50%和1.50%處理組(P<0.05)。

表4 水楊苷對美國白蛾食物利用的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，n=9。同列不同小寫字母表示同齡期不同處理組之間差異顯著(P<0.05)。

3 結(jié)論與討論

在昆蟲與植物的相互作用中，昆蟲對食物的消耗率、轉(zhuǎn)化率和食物利用率作為探討植食性昆蟲與寄主植物相互關(guān)系的重要參數(shù)[16-17]，可反映昆蟲對食物的利用情況[18]。植物化學(xué)成分尤其是次生物質(zhì)在植食性昆蟲寄主植物演變過程中起重要作用[19]。昆蟲可通過自身的主動(dòng)調(diào)節(jié)，最大程度地消化利用所取食的食物，這可能是其在長期進(jìn)化過程中對不利環(huán)境條件的一種主動(dòng)適應(yīng)方式[18]。

食物利用率是食物消耗率和轉(zhuǎn)化率的產(chǎn)物，能表征昆蟲將取食的食物轉(zhuǎn)換為其體質(zhì)量的效率[20-21]。昆蟲在不同的環(huán)境條件下，可通過調(diào)整食物消耗率和轉(zhuǎn)化率之間的比例，以維持其正常生長發(fā)育所需的食物利用率[22-23]。本研究結(jié)果顯示，與對照相比，隨著齡期的增長，單寧處理組，美國白蛾幼蟲的取食量和排糞量整體變化趨勢一致，均表現(xiàn)為先促后抑。說明美國白蛾可通過調(diào)整取食量和排糞量之間的平衡來響應(yīng)食物質(zhì)量的變化。其食物消耗率、轉(zhuǎn)化率和食物利用率，在4齡時(shí)多與對照差異不顯著(P>0.05)；在5～6齡時(shí)，食物消耗率均顯著高于對照組，食物轉(zhuǎn)化率和利用率多顯著低于對照組(P<0.05)，且與對照的差異越來越大。說明美國白蛾5～6齡幼蟲的食物消耗率雖然在提高，但不足以彌補(bǔ)其轉(zhuǎn)化率的降低，進(jìn)而造成食物利用率顯著低于對照組(P<0.05)。Feeny[24]研究表明，單寧能降低植食性昆蟲對食物中營養(yǎng)物的消化利用，抑制其對食物的利用效率。有研究者認(rèn)為，單寧的營養(yǎng)拮抗作用可能歸結(jié)于它的毒性和抑食作用[25-26]。本研究中，美國白蛾幼蟲的食物利用對單寧不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng)未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，其原因可能是設(shè)定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度差異太小的緣故。

水楊苷多數(shù)處理組美國白蛾4～6齡幼蟲的取食量高于對照組，而排糞量隨齡期的增長逐漸低于對照，食物消耗率由4～5齡與對照差異不顯著，到6齡顯著高于對照，可能是由于水楊苷刺激了美國白蛾的取食。Yazdani et al.[22，27]發(fā)現(xiàn)，薰衣草(Lavandulaangustifolia)和百里香(Thymusvulgaris)精油均顯著提高桑螟(Glyphodespyloalis)的食物消耗率。董鈞鋒等[11]研究發(fā)現(xiàn)，棉酚會(huì)使棉鈴蟲幼蟲的取食量顯著增加，辣椒素會(huì)提高棉鈴蟲的食物消耗率。植物次生物質(zhì)對昆蟲食物利用的影響與其濃度密切相關(guān)[28]。李路莎等[29]研究結(jié)果顯示，類黃酮高質(zhì)量分?jǐn)?shù)抑制美國白蛾的食物利用，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)則促進(jìn)其食物利用。在本研究中，水楊苷處理下，美國白蛾的食物轉(zhuǎn)化率和利用率，0.75%處理組在各齡期與對照均無顯著差異(P>0.05)；1.00%處理組在5齡時(shí)與對照差異顯著且高于對照(P<0.05)；低質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.50%和高質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.50%處理組則隨著齡期的增長最終顯著低于對照。說明水楊苷對美國白蛾幼蟲食物利用的影響具有劑量效應(yīng)，表現(xiàn)為0.75%質(zhì)量分?jǐn)?shù)無明顯影響，1.00%質(zhì)量分?jǐn)?shù)有促進(jìn)作用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低(0.50%)或過高(1.50%)則為抑制作用。

綜上所述，單寧對美國白蛾幼蟲的食物利用具有明顯的抑制作用，而水楊苷對其食物利用的影響與劑量相關(guān)，在一定的劑量閾限內(nèi)表現(xiàn)為促進(jìn)作用，超出劑量閾限則表現(xiàn)為抑制作用。