小菜蛾成蟲對(duì)幾種甜味和苦味物質(zhì)的味覺反應(yīng)

武菊平，謝佼昕，郝 赤，閆喜中

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，山西 太谷 030801）

小菜蛾P(guān)lutella xylostellaL.又名小青蟲、兩頭尖，屬于鱗翅目（Lepidoptera）菜蛾科（Plutellidae）昆蟲，是一種為害十字花科植物的主要農(nóng)業(yè)害蟲之一，危害嚴(yán)重發(fā)生時(shí)可減產(chǎn)90%，甚至絕收，使十字花科蔬菜產(chǎn)量造成毀滅性損失，每年給世界經(jīng)濟(jì)造成的損失數(shù)以億計(jì)[1-2]。小菜蛾在世界各地均有分布[3]，從20世紀(jì)70年代起小菜蛾已經(jīng)成為我國(guó)主要害蟲之一[3-4]，目前化學(xué)防治仍是控制害蟲種群的主要防治方法，但小菜蛾對(duì)多種化學(xué)藥劑均具有較強(qiáng)的抗藥性[5-8]，防治難度進(jìn)一步增大。因此，尋求安全綠色友好的防治技術(shù)與途徑是解決小菜蛾抗藥性這一世界性難題的關(guān)鍵。

自然界中的昆蟲的味覺感受系統(tǒng)極為靈敏，味覺感器分布在身體多個(gè)部位，這對(duì)其取食選擇、產(chǎn)卵交配、寄主識(shí)別和識(shí)別有害物質(zhì)具有重要作用，通常昆蟲能夠識(shí)別到糖、氨基酸、植物次生物質(zhì)及有毒化學(xué)物質(zhì)等。在取食過(guò)程中，昆蟲觸角或足上的味覺感器接收到刺激物，其內(nèi)部的味覺感受神經(jīng)元通過(guò)一系列電生理活動(dòng)，將刺激信息傳送到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)信息整合并輸出指令，進(jìn)而做出取食或者忌避等行為[9-13]。糖感受神經(jīng)元存在于多數(shù)昆蟲中，這類神經(jīng)元可以刺激昆蟲取食，如棉鈴蟲側(cè)栓錐感器內(nèi)存在一個(gè)敏感的蔗糖感受神經(jīng)元[14]，美洲棉鈴蟲H.zea味覺感器內(nèi)存在一個(gè)敏感的葡萄糖感受神經(jīng)元[15]。因此，昆蟲取食蔗糖、葡萄糖和果糖等糖類物質(zhì)為其生存和繁殖提供能量[16]。通常糖類作為能源物質(zhì)，為昆蟲生長(zhǎng)發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)[17]；苦味物質(zhì)則呈相反作用，昆蟲識(shí)別后做出忌避行為，使其有效避免有害物質(zhì)或有毒物質(zhì)影響。

小菜蛾成蟲依靠味覺系統(tǒng)來(lái)尋找適合寄主和取食的植物，以此來(lái)獲取其中的糖類物質(zhì)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)回避對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育不利的物質(zhì)。但小菜蛾對(duì)植物中常見的幾種重要甜味和苦味物質(zhì)的味覺反應(yīng)未見報(bào)道。本研究利用喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)測(cè)定了小菜蛾成蟲觸角末端對(duì)5種不同濃度的甜味物質(zhì)和3種苦味物質(zhì)的味覺反應(yīng)，探討其取食選擇行為的味覺基礎(chǔ)，為研究小菜蛾成蟲取食機(jī)制提供行為上的依據(jù)，也為尋找新型防治害蟲的方法提供新思路。

1 材料和方法

1.1 供試蟲源

小菜蛾成蟲為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)昆蟲神經(jīng)行為與感官生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室繼代飼養(yǎng)種群，使用人工氣候箱進(jìn)行飼養(yǎng)，飼養(yǎng)條件：溫度（25±1）℃，相對(duì)濕度70%±5%，光周期14 L∶10 D。將雌、雄蛹單獨(dú)分裝于玻璃指形管中，以羽化后2～3 d的小菜蛾成蟲作為研究對(duì)象。

1.2 供試化合物

蔗糖（Sucrose）、葡萄糖（D-glucose）、海藻糖（Trehalose）、麥芽糖（Maltose），果糖（Fructose）、奎寧（Quinine）、苯甲地那銨（Denatonium benzoate）、黃連素（Berberine）購(gòu)自Sigma-Aldrich 公司。用雙蒸水將5 種甜味物質(zhì)配制成1、10、100、500 mmol/L 濃度梯度溶液，在前期研究確定苦味物質(zhì)濃度基礎(chǔ)上，將3 種苦味物質(zhì)分別配制成奎寧50 mmol/L、苯甲地那銨1 mmol/L 和黃連素溶液10 mmol/L，并分別與500 mmol/L 蔗糖混合。配制的待測(cè)溶液用于喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取剛羽化2～3 d后的雌、雄小菜蛾成蟲單頭置于指形玻璃管中，每20 頭作為一組，共3 組用于試驗(yàn)。在飽和水分的脫脂棉供給條件下將成蟲饑餓12 h，取100μL的移液槍頭將其頂端用單面刀片切除，將每頭小菜蛾固定于槍頭中，僅使其頭部伸至槍頭外，保證觸角和喙管不受損傷且可以自由活動(dòng)。將固定好的小菜蛾放置12 h，期間采用雙蒸水喂食，使其適應(yīng)新的環(huán)境。在體視鏡下用吸收了待測(cè)溶液的棉芯觸碰成蟲觸角的頂端部位，并觀察小菜蛾喙管30 s內(nèi)有無(wú)伸長(zhǎng)反應(yīng)。

1.3.1 雌、雄蟲的敏感性試驗(yàn) 通過(guò)喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)分別測(cè)定了雌、雄小菜蛾成蟲觸角對(duì)100 mmol/L的蔗糖、葡萄糖、海藻糖、麥芽糖和果糖的味覺反應(yīng)。

1.3.2 甜味物質(zhì)的試驗(yàn) 測(cè)試的溶液有1、10、100、500 mmol/L的蔗糖、葡萄糖、海藻糖、麥芽糖和果糖溶液，所有溶劑都溶解在雙蒸水中，雙蒸水作為對(duì)照溶液。選取雌成蟲進(jìn)行試驗(yàn)。若小菜蛾在30 s內(nèi)喙管伸長(zhǎng)，則認(rèn)為此溶液對(duì)其取食有刺激反應(yīng)；反之，則認(rèn)為此溶液對(duì)其取食沒有刺激反應(yīng)。

1.3.3 苦味物質(zhì)的試驗(yàn) 測(cè)試溶液有50 mmol/L奎寧、1 mmol/L 苯甲地那銨和10 mmol/L 黃連素分別與500 mmol/L蔗糖混合的溶液，以500 mmol/L蔗糖溶液作為對(duì)照。用含飽和水分或500 mmol/L 蔗糖溶液的棉芯刺激小菜蛾雌蟲觸角的頂端，選取對(duì)雙蒸水（對(duì)照）不起反應(yīng)而對(duì)500 mmol/L 蔗糖溶液有喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)的昆蟲繼續(xù)試驗(yàn)，其他則從試驗(yàn)組去除。用蒸餾水清洗測(cè)試后的刺激物，清洗干凈并吸干水分用于下一次測(cè)試，2次測(cè)試之間間隔10 min。

在測(cè)試甜味物質(zhì)對(duì)小菜蛾的味覺刺激作用時(shí)，喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)率越接近100 表示對(duì)甜味物質(zhì)的敏感性越強(qiáng)，越接近0 則表示敏感性越弱；在測(cè)試苦味物質(zhì)時(shí)情況相反[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 21 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理，利用單因素方差分析（One-way ANOVA）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小菜蛾雌、雄成蟲對(duì)甜味物質(zhì)的敏感性比較

由圖1 可知，這5 種糖均不同程度刺激小菜蛾產(chǎn)生喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)，雌蛾對(duì)蔗糖、葡萄糖、海藻糖、麥芽糖和果糖的伸喙反應(yīng)率均顯著強(qiáng)于雄蛾。蔗糖引起雌性小菜蛾喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)最為強(qiáng)烈，反應(yīng)率為57.5%，其次為麥芽糖、葡萄糖、海藻糖，果糖最弱，僅為20%。雌蛾對(duì)葡萄糖和海藻糖的敏感性稍微弱于麥芽糖，三者之間無(wú)顯著差異。對(duì)于雄蟲，對(duì)蔗糖的喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)率最高，其次為葡萄糖、果糖和海藻糖，對(duì)果糖與海藻糖的反應(yīng)率差異較小，對(duì)麥芽糖的喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)率最低。

2.2 小菜蛾雌蟲對(duì)不同濃度甜味物質(zhì)的味覺反應(yīng)

由敏感性試驗(yàn)可知，雌性小菜蛾對(duì)甜味物質(zhì)更為敏感，可能跟雌蛾尋找產(chǎn)寄主產(chǎn)卵位點(diǎn)有極大關(guān)系。由圖2 可知，雌蛾對(duì)蔗糖的敏感性最大，對(duì)果糖的敏感性最弱，這5種糖引起雌蛾的喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)率存在劑量依賴，總體而言，隨著糖類物質(zhì)濃度的增大，小菜蛾的伸喙反應(yīng)率增加，500 mmol/L 的蔗糖引起雌蛾的喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)最大，反應(yīng)率達(dá)到了60%，但是此濃度下的海藻糖引起雌蛾的喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)弱于100 mmol/L 下的反應(yīng)，反應(yīng)率僅為20%。

2.3 小菜蛾雌蟲對(duì)不同苦味物質(zhì)的味覺反應(yīng)

苦味物質(zhì)可抑制昆蟲喙管伸長(zhǎng)，一般對(duì)昆蟲有驅(qū)避作用，小菜蛾可以感知植物中存在的苦味物質(zhì)，從而對(duì)其回避，另尋產(chǎn)卵位點(diǎn)。從圖3可以看出，3 種混合溶液對(duì)小菜蛾雌蟲喙管伸長(zhǎng)有顯著的抑制效果，對(duì)照組雌性小菜蛾對(duì)500 mmol/L蔗糖的伸喙反應(yīng)率為60%，測(cè)試組中雌性小菜蛾的伸喙反應(yīng)率均下降，50 mmol/L 奎寧和蔗糖的混合溶液的伸喙率下降最低，下降至6.7%，1 mmol/L 苯甲地那銨和10 mmol/L黃連素與500 mmol/L蔗糖的混合溶液的伸喙反應(yīng)率分別下降至8.3%和11.7%，3 種物質(zhì)與對(duì)照組均具有顯著性差異。

3 結(jié)論與討論

糖類、氨基酸等營(yíng)養(yǎng)成分和次生化合物是寄主植物的化學(xué)成分，多數(shù)植食性昆蟲在成蟲階段能識(shí)別這些化學(xué)成分，這種識(shí)別能力是其對(duì)食物或寄主植物取食與否的關(guān)鍵[18]，并且由嗅覺和味覺系統(tǒng)支配，味覺系統(tǒng)在評(píng)估食物質(zhì)量和區(qū)分可食用和有毒物質(zhì)中起重要作用[19-21]。觸角是昆蟲重要的感覺器官，兼有化學(xué)感受器和溫濕度感受器等多種功能[22]。觸角具有不同功能，歸因于其上附著的不同種類的感器，如小菜蛾的毛型感器主要感受氣味信息，且具有雌雄二型性；腔錐形感器感受溫度、CO2及氣味信息[23]。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院昆蟲神經(jīng)行為與感官生物學(xué)課題組前期通過(guò)掃描電鏡和透射電鏡研究發(fā)現(xiàn)，小菜蛾觸角末端主要是刺形感器，推測(cè)其功能可能和味覺相關(guān)[24]。喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)是研究昆蟲味覺常用的生物學(xué)測(cè)定方法，廣泛應(yīng)用于昆蟲味覺感器研究中[17]，目前在其他昆蟲的味覺感器研究中也運(yùn)用了此方法，包括果蠅[25-26]、蜜蜂[27]、鱗翅目蛾類[12]和蝴蝶[28]等。

本研究表明，100 mmol/L 的5 種糖類均能不同程度地誘導(dǎo)雌、雄小菜蛾成蟲產(chǎn)生喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)，其中，蔗糖是最強(qiáng)的取食刺激物，雌性小菜蛾對(duì)蔗糖的反應(yīng)最強(qiáng)，反應(yīng)率達(dá)57.5%，而果糖為弱取食刺激物，反應(yīng)率僅為20%，且蔗糖、葡萄糖、麥芽糖和果糖這4 種糖引起雌蛾的喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)率存在明顯劑量依賴關(guān)系，而海藻糖在500 mmol/L時(shí)的反應(yīng)率為20%，低于對(duì)100 mmol/L 海藻糖的反應(yīng)率。ROMEIS 等[29]在對(duì)大菜粉蝶Pieris brassicae味覺感器的研究中，結(jié)果表明，僅在蔗糖和果糖刺激的情況下，才能引起其喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)；在棉鈴蟲Helicoverpa armigera（Hübner）雌性成蟲的味覺感器對(duì)糖類物質(zhì)敏感性研究中，通過(guò)刺激跗節(jié)發(fā)現(xiàn)，果糖可以引起其伸喙反應(yīng)，并且喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)率呈現(xiàn)劑量依賴[12]。WINKLER 等[30]同樣研究了小菜蛾對(duì)糖類物質(zhì)的敏感性，結(jié)果是蔗糖引起了小菜蛾較強(qiáng)的伸喙反應(yīng)，同時(shí)引起較強(qiáng)伸喙反應(yīng)的還有麥芽糖、棉子糖和松三糖，海藻糖反應(yīng)最弱，這與本研究結(jié)果有一定差異，這可能與小菜蛾具有地域性差異有關(guān)。BLANEY等[31]研究表明，蔗糖和果糖能夠刺激引起甜菜夜蛾Spodoptera exigua喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)。JRGENSEN 等[32-33]對(duì) 煙 芽 夜 蛾Heliothis virescens的研究表明，觸角感器對(duì)蔗糖、肌醇等有較強(qiáng)的反應(yīng)，對(duì)桔小實(shí)蠅Bactrocera dorsalis Hendel成蟲的前足跗節(jié)的刺激能夠有效的識(shí)別蔗糖、葡萄糖、海藻糖、果糖、麥芽糖、樹膠醛糖和山梨糖醇等7種甜味物質(zhì)，且對(duì)每種甜味物質(zhì)的反應(yīng)均呈濃度梯度反應(yīng)[17]。而蜜蜂對(duì)葡萄糖的反應(yīng)較為敏感[34]。由此可見，不同的昆蟲對(duì)不同的甜味物質(zhì)的反應(yīng)差異很大，這可能與昆蟲取食習(xí)性不同有關(guān)。

小菜蛾能有效識(shí)別奎寧、苯甲地那銨和黃連素3 種苦味物質(zhì)，并且這3 種苦味物質(zhì)較低濃度時(shí)能有效地抑制小菜蛾的伸喙反應(yīng)，在500 mmol/L蔗糖溶液中分別加入50 mmol/L 的奎寧、1 mmol/L 的黃連素和10 mmol/L的苯甲地那銨，3種混合溶液均使小菜蛾對(duì)蔗糖溶液的喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)率下降到12%以下。奎寧、咖啡因、黃連素和苯甲地那銨4 種苦味物質(zhì)在較低的濃度下能引起桔小實(shí)蠅B.dorsalis的忌避行為，引起的忌避反應(yīng)達(dá)90%以上[17]。KNIG 等[34]對(duì)黑腹果蠅Drosophila melanogaster幼蟲和成蟲研究發(fā)現(xiàn)，奎寧能夠抑制其幼蟲對(duì)果糖的偏愛性，苯甲地那銨能夠顯著抑制其成蟲對(duì)蔗糖的喙管伸長(zhǎng)反應(yīng)，并且隨著苯甲地那銨濃度的增加，抑制作用越顯著。HOSTACHY 等[35]對(duì)小地老虎Agrotis ypsilon的研究表明，奎寧能夠抑制其成蟲對(duì)蔗糖的伸喙反應(yīng)。奎寧、苯甲地那銨和黃連素等苦味物質(zhì)對(duì)大部分昆蟲起厭惡作用。

本研究表明，糖類物質(zhì)對(duì)小菜蛾具有刺激取食的作用，而苦味物質(zhì)抑制其對(duì)糖類物質(zhì)的取食，這與小菜蛾喙管和觸角上的味覺感器有緊密聯(lián)系。并且在試驗(yàn)中也觀察到小菜蛾觸角接觸刺激物后，喙管伸長(zhǎng)去取食時(shí)，喙管在不同溶液中停留的時(shí)間不同。在接觸到甜味物質(zhì)時(shí)，喙管在溶液中停留時(shí)間較長(zhǎng)，在接觸到苦味物質(zhì)時(shí)，極少數(shù)的喙管伸入溶液，并且都迅速將喙管卷曲。這個(gè)現(xiàn)象表明，小菜蛾喙管上也存在能感知不同味道的感器。因此，小菜蛾喙管和觸角味覺感器在取食過(guò)程中對(duì)化學(xué)信息的識(shí)別加工機(jī)理還有待更深層次的研究和驗(yàn)證，同時(shí)為害蟲防治提供了新思路。