棉長管蚜危害對棉花生理生化及其相關(guān)防御酶的影響

張玉棟，吳 娜，蔡曉虎，史亞輝，王俊剛

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆綠洲農(nóng)業(yè)病蟲害治理與植保資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】隨著轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉的大面積種植，棉田生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變，棉鈴蟲和其他鱗翅目害蟲發(fā)生得到控制，但棉蚜、棉葉螨、棉盲蝽等刺吸式害蟲發(fā)生越來越嚴(yán)重，已經(jīng)上升為棉田的主要防治害蟲[1, 2]。【前人研究進(jìn)展】不同于咀嚼式昆蟲，刺吸式昆蟲的取食不會使宿主植物葉片產(chǎn)生缺痕，給宿主植物造成的傷口極微小，會將取食過程中對宿主植物造成的損傷降到最低。即使其采用特殊的取食方式降低了對宿主植物的損傷，但當(dāng)其高密度、長時(shí)間取食時(shí)，也會引起宿主植物生理生化狀態(tài)發(fā)生改變[3]。有研究表明，蚜蟲在試探取食時(shí)，只會對植物篩管細(xì)胞造成輕微傷害，不會引起植物的強(qiáng)烈反應(yīng)[4]，但是當(dāng)其找到合適的取食位點(diǎn)后可以連續(xù)取食幾個小時(shí)甚至幾天[5]，誘導(dǎo)植物體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)(可溶性糖、可溶性蛋白)、光合代謝相關(guān)物質(zhì)(葉綠素、類胡蘿卜素)及次生代謝物質(zhì)(丙二醛)等生理生化狀態(tài)發(fā)生改變[6, 7]。自由基作用于脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的丙二醛還能加劇細(xì)胞膜的損傷。植物為了減少次生代謝過程中產(chǎn)生的自由基、丙二醛等帶來的損傷，ROS系統(tǒng)中過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)等酶活性發(fā)生變化，來提升植物的防御能力[8, 9, 10]。植物可以通過改變體內(nèi)營養(yǎng)代謝和ROS系統(tǒng)中抗氧化酶及抗氧化物質(zhì)來抵御昆蟲的取食?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】棉長管蚜在北疆地區(qū)一般為4月底至5月初出現(xiàn)有翅蚜(南疆4月中旬出現(xiàn)有翅蚜)，主要危害苗期[11]，棉蚜一般在5月開始進(jìn)入棉田，以中后期危害為主[12]。棉長管蚜種群數(shù)量在短時(shí)間內(nèi)有較大變化，且苗期有棉長管蚜發(fā)生的棉田，中后期棉蚜的發(fā)生程度要比苗期無蚜害發(fā)生的棉田輕。預(yù)試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)棉長管蚜實(shí)驗(yàn)室種群在棉苗上種群數(shù)量短時(shí)間內(nèi)有較大的變化。分析棉長管蚜的危害會引起棉花生理生化變化對棉花防御系統(tǒng)的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究棉長管蚜危害對棉花營養(yǎng)物質(zhì)(可溶性糖、可溶性蛋白)、光合作用相關(guān)物質(zhì)(葉綠素、類胡蘿卜素)、次生代謝物質(zhì)(丙二醛)及ROS系統(tǒng)關(guān)鍵酶(CAT、SOD、POD)活性變化，為棉田蚜蟲的生物防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 棉花品種

棉花品種為新陸早44號，棉種于55℃浸泡1 h后，置于常溫環(huán)境催芽12 h；待棉種露白后種植于塑料盆(高12 cm，直徑10 cm)中，以蛭石作為基質(zhì)，定期澆灌營養(yǎng)液。將播種好的花盆置于人工培養(yǎng)箱培養(yǎng)。培養(yǎng)條件：00:00～08:00：24℃，08:00～24:00：27℃，L∶D=16 h∶8 h。當(dāng)棉苗長至2片真葉時(shí)開始試驗(yàn)。

1.1.2 棉長管蚜

棉長管蚜采集于石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站棉田。接種在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)箱中的棉苗上，擴(kuò)大種群用于保種和試驗(yàn)所需。

1.1.3 試劑及儀器

乙醇，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；三氯乙酸，光復(fù)研究所；硫代巴比妥酸，南京建康化學(xué)制劑有限公司；可溶性糖、可溶性蛋白、SOD、POD、CAT檢測試劑盒，均為南京建成生物工程研究所產(chǎn)品。UV-1800日本島津紫外可見分光光度計(jì)，日本島津公司；電熱恒溫水浴鍋，北京長安科學(xué)儀器廠；玻璃勻漿器，上海壘固儀器有限公司；高速冷凍離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；LQP-B-4型制冰機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.1.4 棉花營養(yǎng)液

棉花營養(yǎng)液配方：KNO3：0.2 g/L、KH2PO4：0.2 g/L、FePO4：0.1 g/L、Ga(NO3)2：0.8 g/L、MgSO4：0.2 g/L。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取生長狀況相近(2片真葉+2片子葉)的棉苗420株，分為7組，每組棉苗測定1個指標(biāo)，依次測定可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素和類胡蘿卜素、丙二醛、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)。每組分為12個處理(依次為不接蚜(1 d、2 d、3 d)、接棉長管蚜5頭/株(1 d、2 d、3 d)、接棉長管蚜10頭/株(1 d、2 d、3 d)、接棉長管蚜15頭/株(1 d、2 d、3 d))，每個處理5株棉苗，棉苗接蚜后籠罩，置于人工培養(yǎng)箱中進(jìn)行危害處理。

1.2.2 指標(biāo)測定

待每個處理的棉長管蚜危害結(jié)束后，去除棉長管蚜并收集棉苗真葉用于測定相關(guān)指標(biāo)。用相關(guān)試劑盒測定可溶性糖、可溶性蛋白的含量，及過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶的活性。葉綠素和類胡蘿卜素含量測定采用95%酒精浸提法；丙二醛( MDA) 含量測定采用硫代巴比妥酸法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有原始數(shù)據(jù)在Excel 2007中進(jìn)行整理，采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較(LSD法)，P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉長管蚜危害對棉花可溶性糖含量的影響

研究表明，除5頭/株棉長管蚜危害1 d、2 d和10頭/株棉長管蚜危害1 d的棉花葉片中可溶性糖含量與未受害棉花差異不顯著外(P>0.05)，其余各處理棉花葉片中可溶性糖含量均顯著高于未受害棉花(P<0.05)。棉花葉片中可溶性糖含量隨著棉長管蚜危害時(shí)間的延長而增加，危害3 d后各密度棉長管蚜危害的棉花葉片中可溶性糖含量均高于危害1和2 d的棉花。棉長管蚜危害相同時(shí)間后，棉花葉片中可溶性糖含量隨著棉長管蚜密度的增加而增加，且各密度棉長管蚜危害棉花3 d后，棉花葉片中可溶性糖含量差異性顯著(P<0.05)，15頭/株棉長管蚜危害不同時(shí)間段后的棉花葉片中可溶性糖含量均顯著高于其他處理組棉花(P<0.05)。圖1

注：誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 棉長管蚜危害對棉花可溶性蛋白含量的影響

研究表明，棉花葉片可溶性蛋白含量隨著棉長管蚜危害時(shí)間的延長而增加，其中10和15頭/株棉長管蚜危害2和3 d后棉花葉片中可溶性蛋白含量均高于危害1 d的棉花。3種密度棉長管蚜危害棉花1 d后，棉花葉片中可溶性蛋白含量與未受危害棉花均無顯著性差異(P>0.05)。10和15頭/株棉長管蚜危害2和3 d后的棉花葉片中可溶性蛋白含量均差異不顯著(P>0.05)，且顯著高于未受害棉花和棉長管蚜危害1 d的棉花(P<0.05)。圖2

圖 2 棉長管蚜危害下棉花葉片可溶性蛋白變化Fig.2 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on soluble protein in cotton leaves

2.3 棉長管蚜危害對棉花光合色素的影響

2.3.1 棉長管蚜危害對棉花葉綠素含量的影響

研究表明，棉長管蚜不同密度取食對棉花葉片中葉綠素含量沒有顯著性影響(P>0.05)。棉花葉片中葉綠素含量隨棉長管蚜危害時(shí)間的延長呈現(xiàn)下降趨勢。圖3

圖 3 棉長管蚜危害下棉花葉片葉綠素含量變化Fig.3 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on chlorophyll in cotton leaves

2.3.2 棉長管蚜危害對棉花類胡蘿卜素含量的影響

研究表明，棉長管蚜危害1 d時(shí)，棉花葉片中類胡蘿卜素含量變化與棉長管蚜的密度沒有顯著相關(guān)性；當(dāng)棉長管蚜危害2和3 d時(shí)，棉花葉片中類胡蘿卜素含量隨著棉長管蚜密度增大而升高，且10和15頭/株棉長管蚜危害棉花葉片中類胡蘿卜素含量均顯著高于對照組棉花(P<0.05)。圖4

圖 4 棉長管蚜危取食下棉花葉片類胡蘿卜素含量變化Fig.4 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on carotenoids in cotton leaves

2.4 棉長管蚜危害對棉花葉片丙二醛含量的影響

研究表明，棉長管蚜危害1 d時(shí)，15頭/株棉長管蚜危害棉花葉片中丙二醛含量顯著高于其他試驗(yàn)組棉花；取食2 d時(shí)，10和15頭/株棉長管蚜危害棉花葉片中丙二醛含量與對照組和5頭/株棉長管蚜危害的棉花相比，均顯著提高(P<0.05)；取食3 d時(shí)，10和15頭/株棉長管蚜危害棉花葉片中丙二醛含量均顯著高于對照組和5頭/株棉長管蚜危害的棉花(P<0.05)，且5頭/株棉長管蚜危害棉花葉片中丙二醛含量顯著高于對照組棉花(P<0.05)。圖5

圖 5 棉長管蚜危害下棉花葉片丙二醛含量變化Fig.5 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on MDA in cotton leaves

2.5 棉長管蚜危害對棉花ROS系統(tǒng)酶活性的影響

2.5.1 棉長管蚜危害對棉花CAT活性的影響

研究表明，棉長管蚜的密度和取食時(shí)間均對棉花葉片中CAT活性變化有較大影響，棉長管蚜危害1和2 d時(shí)，棉花葉片中CAT活性隨棉長管蚜密度增大而提高，且15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中CAT活性顯著高于5和10頭/株棉長管蚜危害的棉花(P<0.05)；當(dāng)棉長管蚜危害3 d時(shí)，3個不同密度棉長管蚜危害的棉花葉片中CAT活性與15頭/株棉長管蚜危害2 d的棉花之間沒有顯著性差異(P>0.05)，且均顯著高于對照組棉花(P<0.05)。圖6

圖 6 棉長管蚜危害下棉花葉片CAT變化Fig.6 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on CAT in cotton leaves

2.5.2 棉長管蚜危害對棉花POD活性的影響

研究表明，棉長管蚜危害1 d時(shí)，15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中POD活性顯著高于對照組棉花(P<0.05)，而5和10頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中POD活性與對照組差異不顯著(P>0.05)。棉長管蚜危害2 d時(shí)，棉花葉片中POD活性隨棉長管蚜密度增大顯著提高(P<0.05)，5頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中POD活性與對照組差異不顯著(P>0.05)。棉長管蚜危害3 d時(shí)，10和15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中POD活性顯著高于對照組和5頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片(P<0.05)。圖7

圖 7 棉長管蚜危害下棉花葉片POD活性變化Fig.7 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on POD in cotton leaves

2.5.3 棉長管蚜危害對棉花SOD活性的影響

研究表明，棉長管蚜危害1 d時(shí)，5和10頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中SOD活性與對照組差異不顯著(P>0.05)，15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中SOD活性顯著高于對照組棉花(P<0.05)。棉長管蚜危害2 d時(shí)，10和15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中SOD活性均顯著高于對照組和5頭/株棉長管蚜危害的棉花(P<0.05)。棉長管蚜危害3 d時(shí)，3個密度棉長管蚜危害的棉花葉片中SOD活性均顯著高于對照組(P<0.05)。5頭/株棉長管蚜危害3 d后棉花葉片中SOD活性與取食1和2 d的棉花相比有所提高，10和15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中SOD活性呈現(xiàn)出先增加，趨于穩(wěn)定。圖8

圖 8 棉長管蚜危害下棉花葉片中SOD活性變化Fig.8 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on SOD in cotton leaves

3 討 論

植物有1套高效的生理防御機(jī)制。例如，刺吸式昆蟲通過特殊的口器穿透植物組織，在富含營養(yǎng)的韌皮部進(jìn)行取食，植物為了應(yīng)對植食性昆蟲這種特殊取食方式帶來的組織損傷和營養(yǎng)流失，會調(diào)控生理代謝途徑，改變體內(nèi)一些可溶性糖類、可溶性蛋白類物質(zhì)[13-15]。這些物質(zhì)可以調(diào)節(jié)滲透壓，保護(hù)生物膜成分的穩(wěn)定，維持植物在蟲害脅迫下仍能正常生長。研究表明，棉花葉片中可溶性糖含量與棉蚜的取食時(shí)間和密度都有較大的關(guān)系，隨著棉蚜取食時(shí)間的延長升高，隨著棉蚜密度的增大而下降[16]?；ㄢ徠诿藁ㄈ~片中可溶性蛋白含量也會隨著棉蚜取食時(shí)間的延長呈顯著的上升趨勢，在80頭/株棉蚜處理10 d后，棉花葉綠素含量與對照棉花相比顯著降低，丙二醛含量呈現(xiàn)出隨著取食時(shí)間的延長先升后降的趨勢[17]。研究結(jié)果中棉花可溶性糖和可溶性蛋白含量也呈現(xiàn)出隨著棉長管蚜危害時(shí)間的延長而升高，且高密度危害條件下棉花中可溶性蛋白含量與低密度危害下的棉花相比上升更快，表現(xiàn)為先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢。棉花葉片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的升高，不僅可以補(bǔ)充因蚜蟲刺吸造成的植物營養(yǎng)損失，還可以改變細(xì)胞與組織液間的滲透勢，從一定程度上影響蚜蟲營養(yǎng)吸取，可見，棉花有較好的忍耐蚜害脅迫的能力。

植食性昆蟲的危害會引起植物體營養(yǎng)狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)的改變[18]。光合作用是植物獲取能量的重要方式，而光合色素是影響植物進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵因子之一。研究在棉長管蚜危害條件下，測定了在光吸收中起主要作用的葉綠素及具有吸收、傳遞光能和保護(hù)葉綠素功能的類胡蘿卜素。結(jié)果表明，棉長管蚜的取食對棉花葉片中葉綠素的含量沒有顯著性影響，與陳威等[19]在褐飛虱危害后水稻中葉綠素含量會有所下降的結(jié)果有所差異，可能與昆蟲取食時(shí)間的設(shè)定不同有關(guān)。而10和15頭/株棉長管蚜危害2和3 d后的棉花葉片中類胡蘿卜素含量顯著高于對照組棉花，可能與其抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、延緩衰老等特殊功能有一定關(guān)系。

植食性昆蟲的取食還會造成植物體內(nèi)自由基產(chǎn)生和清除的動態(tài)平衡被破壞，其中自由基與脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)，氧化終產(chǎn)物丙二醛不僅會影響線粒體呼吸鏈復(fù)合物及線粒體內(nèi)關(guān)鍵酶活性，還會破壞細(xì)胞膜，是反映植物受損程度的重要指標(biāo)之一。研究表明，煙粉虱取食后辣椒葉片中酚類化合物顯著升高[20]，苜蓿蚜刺吸取食過程會導(dǎo)致苜蓿中丙二醛含量升高[21]，綠盲蝽的危害脅迫會導(dǎo)致棉花葉片中丙二醛含量增加[22]。研究表明，棉長管蚜危害會導(dǎo)致棉花葉片中丙二醛含量升高，且棉長管蚜密度越高，棉花葉片中丙二醛含量升高越快，也越早趨于穩(wěn)定，可能因棉花體內(nèi)防御系統(tǒng)激活，一定程度上干擾了棉長管蚜的刺吸取食相關(guān)。

當(dāng)植物接收到昆蟲刺吸的信息后，特定的信號開始在植物體內(nèi)傳導(dǎo)，并促使植物生產(chǎn)抗氧化酶及抗氧化物，如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等[23- 25]。劉裕強(qiáng)等[26]研究表明，褐飛虱刺吸會導(dǎo)致水稻植株體內(nèi)脂氧合酶、脂氫過氧化物裂解酶、苯丙氨酸解氨酶的活性顯著升高。黃偉等[21]研究表明，在蚜蟲刺吸誘導(dǎo)過程中，苜蓿中SOD和POD活性表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，PAL活性上升到峰值后趨于穩(wěn)定，CAT表現(xiàn)為交替的上升下降。張金鋒等[27]研究結(jié)果表明，白背飛虱和褐飛虱為害引起稻株體內(nèi)的SOD、POD、CAT活性的變化不同，與2種蟲子的取食量有一定的相關(guān)性。SOD、CAT、POD作為ROS系統(tǒng)調(diào)控的3種關(guān)鍵酶，可以有效抑制活性氧自由基對機(jī)體的傷害，維持植物體內(nèi)自由基的正常水平及活性氧系統(tǒng)平衡。研究結(jié)果表明，棉花中SOD、POD、CAT活性隨著棉長管蚜密度和取食時(shí)間的延長，總體呈現(xiàn)出升高趨勢，在危害3 d后高密度棉長管蚜危害的棉花中3種酶活性逐漸趨于穩(wěn)定?？梢?，棉長管蚜短時(shí)間的取食也可以誘導(dǎo)激活棉花體內(nèi)的防御系統(tǒng)，可以保護(hù)或一定程度上減輕植物受蟲害脅迫下自由基的侵害。棉長管蚜短期的取食可以誘導(dǎo)激活棉花的防御系統(tǒng)，可以對其進(jìn)一步研究，為棉田蚜蟲的生物防治奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

棉長管蚜短時(shí)間的取食會引起棉花體內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛含量的升高，15頭/株棉長管蚜取食3 d后棉花葉片中這3種物質(zhì)含量分別是對照組棉花葉片的3.81倍、1.72倍、1.88倍，表明棉長管蚜的取食使棉花一定程度上受到損傷。然而對光合作用中關(guān)鍵的葉綠素含量沒有顯著影響，具有抗氧化、免疫調(diào)節(jié)作用的類胡蘿卜素含量有所升高；同時(shí)，15頭/株棉長管蚜取食3 d后棉花葉片中SOD、POD、CAT活性分別是對照組棉花葉片的2.11倍、1.52倍、1.53倍?？梢姡揲L管蚜短期的取食可以誘導(dǎo)激活棉花的防御系統(tǒng)。