施硅降低麥長管蚜對小麥寄主選擇偏好的化學機理

王明飛，戚秀秀，王中華，劉藝凝，姜 瑛*，孫 曉

（1 河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南鄭州 450002；2 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌 712199；3 華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣東廣州 510642；4 河南大學生命科學學院，河南開封 475000）

小麥作為世界上最重要的糧食作物之一，是僅次于玉米和水稻的第三大糧食作物[1]，而蚜蟲是小麥減產(chǎn)的主要害蟲之一[2]。我國黃淮地區(qū)比較常見的蚜蟲有麥長管蚜Sitobion avenae(Fabricius)、禾谷縊管蚜Rhopalosiphum padi、麥無網(wǎng)長管蚜Metopolophium dirhodum(Walker) 等，其中麥長管蚜是小麥幼苗期、揚花至灌漿期蚜蟲的優(yōu)勢種之一[3]。麥長管蚜從小麥的韌皮部吸取汁液，使其穗部受害，造成麥粒癟小，以致嚴重減產(chǎn)。研究表明，當小麥穗部的麥長管蚜蟲達100頭/穗時，小麥減產(chǎn)高達44.26%[4]。此外，麥長管蚜還會傳播小麥病毒病[5]。研究表明可通過增加小麥葉片顏色以及蠟質(zhì)層厚度等物理防御來調(diào)控小麥外部環(huán)境[6]；也可以使用化學防治技術(shù)，但傳統(tǒng)合成殺蟲劑不僅會對部分有益昆蟲產(chǎn)生有害影響，還會影響環(huán)境安全[7]，蚜蟲也會通過進化從而增強對殺蟲劑的抗性[8]。

硅是地球表面含量僅次于氧的大量元素[9]，能夠緩解作物的生物(如病蟲害)脅迫[10]。研究表明，硅在植物細胞表皮的沉積提高了葉表的粗糙度與機械強度，增加植食性昆蟲刺吸與取食的困難[11]。施硅后的小麥可通過增加多酚氧化酶、苯丙氨酸解氨酶和過氧化物酶3種防御酶的活性，增強小麥對麥二叉蚜Schizaphisgraminum(Rondani) 的抗性[12]。此外，研究發(fā)現(xiàn)小麥對蚜蟲的抗性與植株體內(nèi)可溶性糖含量呈正相關(guān)，與可溶性蛋白和氨基酸的含量呈負相關(guān)[13–15]。

植物揮發(fā)物是植物防御害蟲侵襲的一類物質(zhì)，對植食性昆蟲有趨避的作用。植物揮發(fā)物屬于植物代謝次生物質(zhì)，一般分子量在100～200，包括烴、醇、醛、酮、酯和有機酸等[16]，揮發(fā)物在植物體內(nèi)的積累有利于促進植物之間的相互交流，同時也有助于植物進行主動防御[17]。植物揮發(fā)物與植食性昆蟲的寄主選擇存在密切的關(guān)系，昆蟲可以識別不同濃度的植物揮發(fā)物，對適宜的寄主植物進行定位和選擇[18]。研究表明馬鈴薯甲蟲Leptinotarsa decemlineata(Say)對馬鈴薯葉片氣味有著非常敏感的嗅覺定位，只要有馬鈴薯葉片的氣味存在，就可以產(chǎn)生對寄主的定向選擇[19]。在水稻與甘藍(非寄主)上也發(fā)現(xiàn)，二化螟幼蟲Chilo suppressalis(Walker) 顯著趨向水稻揮發(fā)物而回避非寄主揮發(fā)物，證實了水稻揮發(fā)物在其寄主定位中的作用[20]。

關(guān)于施硅提高小麥對病蟲害防御的研究多集中在機械阻礙、營養(yǎng)物質(zhì)和次生物質(zhì)代謝等方面[21]。從小麥揮發(fā)物與蚜蟲寄主選擇兩方面去探究施硅對小麥麥長管蚜抗性方面的研究還鮮見報道。本研究通過Y形嗅覺儀探究施硅對麥長管蚜寄主選擇偏好的影響，采用頂空吸附法對小麥揮發(fā)物進行收集，通過GC-MS鑒定。從小麥揮發(fā)物方面對施硅影響蚜蟲寄主選擇偏好的原因進行探究，以期為豐富植物施硅抗蟲機制的理論提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 小麥品種 試驗所選用的麥種為黃淮主栽品種‘鄭麥1036’，挑選小麥種子洗凈后經(jīng)10%的雙氧水消毒30 min，蒸餾水洗凈后，常溫下浸泡12 h，在25℃下催芽。選取萌發(fā)一致的小麥，移栽塑料盆中于光照培養(yǎng)室中培養(yǎng)，待用。

1.1.2 蚜蟲飼養(yǎng) 供試蚜蟲為黃淮地區(qū)的優(yōu)勢種麥長管蚜。于溫度為20℃、相對濕度為70%、光照(LED 燈)周期為 L∶D=14 h∶10 h，光強為 3000 lx的光照培養(yǎng)箱內(nèi)的小麥植株上培養(yǎng)，小麥品種為‘鄭麥1036’，選取大小和日齡一致的無翅成蟲用于試驗。

1.1.3 硅試劑的制備 有機硅：首先將4 mL無水乙醇與 190 mL 蒸餾水充分攪拌 0.5 h，將 0.1344 mL硅酸四乙酯 (TEOS)、4 mL 無水乙醇以及 2 mL 吐溫80的混合液緩緩滴入，充分攪拌2 h，配制成總體積為200 mL的硅制劑。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用水培試驗，共設(shè)置不施硅不接蚜蟲(CK)、不施硅接蚜蟲(A)、施硅不接蚜蟲(Si)、施硅接蚜蟲(SiA) 4個處理。選取萌發(fā)一致的小麥，移栽塑料盆中于光照培養(yǎng)室中培養(yǎng)。每3天更換一次營養(yǎng)液，每個處理于小麥兩葉一心、三葉一心時分別噴施200 mL的硅試劑，于小麥五葉一心時用毛筆將無翅成蟲接到小麥葉片上，每盆小麥接30頭蚜蟲，為防止蚜蟲從接蟲植株上遷出，用上端開口的玻璃紙罩將植株罩住，開口處再蓋上用0.178 mm的尼龍網(wǎng)做成的蓋子，每個處理30株苗/盆，每個處理重復(fù)3次(共3盆)。麥長管蚜在溫度為24℃、相對濕度為 70%、光照 (LED 燈)周期為 L∶D=14 h∶10 h，光強為3000 lx的光照培養(yǎng)室內(nèi)培養(yǎng)。在接蟲后的48 h測定蚜蟲的寄主選擇，取有效重復(fù)數(shù)60個進行統(tǒng)計，同時進行取樣，樣品于河南大學生命科學學院進行氣體揮發(fā)物的收集鑒定，試驗重復(fù)4次。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 Y形嗅覺儀測定麥長管蚜對不同處理小麥氣味的選擇 Y形嗅覺儀由玻璃制作，其內(nèi)徑4 cm，側(cè)臂和柄(主臂)長25 cm，兩側(cè)臂夾角為90°。

選取長勢大致相同的CK和Si處理小麥各30株，分別放入兩個圓柱形玻璃缸內(nèi)進行試驗。Y形嗅覺儀基部一端為麥長管蚜的釋放管，兩個臂用硅膠管分別連接氣味源，氣味源連接真空泵，氣流從QC-1 型大氣采樣儀吹出使管道中保持持續(xù)的氣味源，氣流進入氣味源前經(jīng)活性碳過濾器過濾，并保持氣流在流出每個味源時以500 mL/min的速度進入Y形管兩臂。測試前將成蟲饑餓處理，每測試1頭蚜蟲，改變選擇臂的方向，以排除位置或者環(huán)境因素對寄主選擇的影響；每測試10頭蚜蟲更換Y形嗅覺儀。記錄每頭麥長管蚜成蟲的選擇行為，如果2 min內(nèi)測試的麥長管蚜沒有做出選擇則棄去不算，直至獲得60個有效數(shù)據(jù)為1組，重復(fù)4組。測試完成后，選取A和SiA處理的小麥各30株，重復(fù)上述操作。整個測試過程在相對濕度為70%～80%、溫度為(27±1)℃的室內(nèi)進行。每次測定完成后用酒精或丙醇清洗Y形嗅覺儀與連接膠管。

1.3.2 小麥揮發(fā)物收集與鑒定 采用動態(tài)頂空吸附收集揮發(fā)物，將需要收集揮發(fā)物的小麥放置于玻璃燒杯，捕集過濾器用二氯甲烷清洗3次，置于圓形玻璃罐(高45 cm，內(nèi)徑22 cm，杭州定制)內(nèi)。氣流進入玻璃罐之前先經(jīng)過活性炭、硅膠和分子篩來凈化空氣和除去水分；接著進入填充有Super Q吸附劑(孔徑100目)的吸附管，裝置用聚四氟乙烯管連接。每次采集持續(xù)4 h，每個處理重復(fù)4次。每次采集揮發(fā)物后，用1 mL的二氯甲烷從吸附劑中萃取，樣品儲存于–40℃的冰箱中。

采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(日本，島津 GCMSQP2010)對植物揮發(fā)物進行定量定性分析。氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)有自動流量控制、AOC-20s自動進樣器。毛細管柱：HP-5MS (30 mm × 0.25 mm × 0.25 μm)。質(zhì)量掃描范圍35～335 m/z，噴射器的溫度維持在230℃，電導(dǎo)率維持在60 cm/s，間隔沖洗流量設(shè)定為3 mL/min。以氦氣為載體氣體，流速1.0 mL/min，電壓應(yīng)小于 2.0 kV。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對小麥揮發(fā)物GC-MS分析的質(zhì)譜圖進行檢索，篩選出可能的化合物質(zhì)，列出化合物成分的化學式與名稱，以及各個化合物峰面積的相對含量。試驗測得的數(shù)據(jù)用Excel 2010整理，使用SPSS 23.0、Microsoft Office 2010 和 Metabo Analyst進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，采用LSD法檢驗處理間的差異顯著性(P<0.05)，采用Pearson進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施硅對麥長管蚜寄主選擇的影響

圖1為施硅與不施硅對麥長管蚜寄主選擇的影響，不施硅處理(CK、A)小麥被蚜蟲選擇的百分比均顯著高于施硅處理(Si、SiA)。在無蚜蟲組中，麥長管蚜對Si與CK處理的小麥趨性存在極顯著性差異(F=15.79，P=0.0073)，施硅使麥長管蚜對小麥的選擇百分比降低了28.57% [(Si處理蚜蟲選擇百分比平均值?CK處理蚜蟲選擇百分比平均值)/CK處理蚜蟲選擇百分比平均值]；在接蚜蟲組中，麥長管蚜對A和SiA處理的小麥趨性同樣存在極顯著性差異(F=346.80，P<0.0001)，麥長管蚜對SiA處理小麥的選擇百分比較A處理降低了44.16%，這表明無論接蟲與否，施硅均能夠顯著降低蚜蟲對寄主的選擇。

圖1 不同施硅和接蟲處理對麥長管蚜選擇偏好的影響Fig. 1 Selection preference ofSitobion avenae F. to host wheat as affected by Si application and aphid infection

2.2 施硅對小麥各揮發(fā)物相對含量的影響

施硅對小麥各揮發(fā)物含量、種類及物質(zhì)類別均存在較大的影響(表1)。CK處理共收集7種化合物，其中烷烴類4種，約占總含量84.60%；苯類2種，約占總含量的10.80%；醇類1種，約占總量的4.60%，其中2,4-二甲基-庚烷相對含量較高。A處理共收集到32種化合物，其中烯類14種，約占總含量62.10%；烷烴類9種，約占總含量23.10%；酯類3種，約占總含量8.90%；苯類3種，約占總含量3.20%；醇類2種，約占總含量1.90%；炔類1種，約占總含量0.76%，其中α-蒎烯相對含量較高。Si處理共收集6種化合物，其中烷烴類3種，約占總含量77.60%；醛類1種，約占總含量9.70%；醇類1種，約占總含量5.10%；苯類1種，約占總含量7.60%，2,4-二甲基-庚烷相對含量較高。SiA處理共收集8種化合物，其中烷烴類3種，約占總含量46.80%；烯類2種，約占總含量26.10%；醛類1種，約占總含量9.60%；苯類1種，約占總含量7.30%；醇類1種，約占總含量10.20%，其中辛烷相對含量較高。

表1顯示，相較CK在不接蟲條件下，施硅處理(Si)下辛烷、十二甲基環(huán)己氧烷、2,4-二甲基-庚烷、3-己烯-1-醇(E)的含量分別降低了1.64%、10.00%、14.77%、5.26%，甲苯的相對含量提高了35.00%，但差異均未達到顯著水平，且施硅處理(Si)比CK處理多出了一種“3-己烯醛”揮發(fā)性物質(zhì)，缺少了“四戊烷”和“對二甲苯”兩種揮發(fā)性物質(zhì)。

相比不施硅處理(A)，在接蟲條件下，施硅處理(SiA)的十二甲基環(huán)己氧烷、3-己烯-1-醇(E)、D-檸檬烯含量分別顯著提高了56.25%、112.00%、117.78%，2,4-二甲基-庚烷的相對含量顯著降低了81.02 %，甲苯、辛烷、可巴烯的含量雖有所提高，但未達到顯著水平(表1)。

表1 不同處理小麥揮發(fā)物的種類和相對含量Table 1 Collected volatile compounds and their relative contents in wheat under different treatments

2.3 主成分分析與相關(guān)性分析

各處理間主成分分析結(jié)果(圖2)表明，第一主成分 (principal component 1, PC1)占 71.70%，第二主成分 (principal component 2, PC2)占 20.20%，第三主成分 (principal component 3, PC3)占 4.20%，第四主成分 (principal component 4, PC4)占 2.50%，第五主成分 (principal component 5, PC5) 占 0.80% (圖 2a)。無論接蟲與否，施硅均能夠使CK、Si、A、SiA 4個處理顯著分離，而且PC2顯著分離了不施硅接蟲(A)處理(圖2b)。氣體揮發(fā)物的主成分分析如圖2c所示，3-己烯醛、3-己烯-1-醇、十二甲基環(huán)己氧烷、辛烷 4種物質(zhì)顯著影響了PC1；四戊烷、對二甲苯、2,4-二甲基-庚烷、11-甲基三氯乙烷 4種物質(zhì)顯著影響了PC2。

圖2 揮發(fā)性化合物的主成分分析Fig. 2 Principal component analysis of volatile compounds

為了進一步探究蚜蟲取食為害情況下，施硅對氣體揮發(fā)物與寄主選擇之間關(guān)系的影響。將表1中與處理A相比SiA處理中相對含量有差異的7種氣體揮發(fā)物，與寄主選擇之間進行相關(guān)性分析(表2)，同時對處理A與SiA全體氣體揮發(fā)物與寄主選擇蚜蟲百分比進行相關(guān)矩陣和熱圖分析(圖3、圖4)。結(jié)果表明，麥長管蚜對寄主的選擇與氣體揮發(fā)物2,4-二甲基-庚烷呈顯著正相關(guān)；與氣體揮發(fā)物十二甲基環(huán)己氧烷、3-己烯-1-醇(E)、D-檸檬烯物質(zhì)呈顯著負相關(guān)。

表2 蚜蟲侵染后揮發(fā)性化合物與寄主選擇之間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation of volatile compounds and host selection under aphid infection

圖3 硅誘導(dǎo)蚜蟲趨性和小麥揮發(fā)物的相關(guān)矩陣Fig. 3 The correlation analysis of silicon-induced aphid tropism and wheat volatiles

圖4 硅誘導(dǎo)蚜蟲趨性和小麥揮發(fā)物的熱圖分析Fig. 4 The heat map analysis of silicon-induced aphid tropism and wheat volatiles

3 討論

植物的抗蟲性是在一定條件下植物與害蟲之間表現(xiàn)出的相互適應(yīng)與相互制約關(guān)系[22]。植物的抗蟲機制表現(xiàn)為抗生性(antibiosis)、耐害性(tolerance)和不選擇性(non-preference) 3個方面。不選擇性表現(xiàn)為植物使昆蟲不趨向植物棲息、產(chǎn)卵或取食的特性。植物的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，從而減輕害蟲對其為害。研究表明，施硅能夠降低許多經(jīng)濟作物的生物營養(yǎng)從而影響昆蟲的取食路徑[23]。使用硅石灰處理的甘蔗莖稈可以抑制甘蔗非洲莖螟Eldana saccharina幼蟲的取食[24]。在玉米的葉片上噴施二氧化硅會影響玉米葉蚜Rhopalosiphum maidis(Fitch)的生長，降低其取食量[25]。本研究對蚜蟲寄主選擇的結(jié)果表明蚜蟲趨向于不施硅處理的數(shù)量顯著高于施硅處理，這說明施硅可以減少麥長管蚜的寄主選擇。

植物揮發(fā)物是植物在生長過程中不同組織如葉片、果實或枝條所釋放的微量次生化合物，包括醇、醛、酯、烷類等。同種植物的不同生長期、不同的植物之間、不同的環(huán)境條件下、蟲害與否等都會對釋放的揮發(fā)物造成一定的影響，這些影響主要體現(xiàn)在揮發(fā)物的種類和量的變化上，對植物的生態(tài)適應(yīng)性具有重要作用。植物可通過多種途徑向周圍生物展示自身及狀態(tài)，釋放揮發(fā)性有機化合物是其主要手段之一[26]。小麥在自然狀態(tài)下會釋放出各種揮發(fā)物，這些揮發(fā)物在植食性昆蟲的取食、寄主識別等方面發(fā)揮著重要作用[27]。

寄主植物所釋放的特異性或普通氣味化合物能夠影響昆蟲的多種行為，比如定位寄主、取食、產(chǎn)卵、交配、傳粉等[28]。許多植食性昆蟲能夠通過識別植物特異揮發(fā)物來選擇寄主植物，通常這些組分對所涉及的昆蟲表現(xiàn)出很強的吸引力或排斥力[29]。多數(shù)昆蟲依賴植物體所釋放的揮發(fā)性信息化合物對適宜的寄主植物進行近距離搜索和定向，這是其生存及繁衍的重要保證[30]。前人的研究發(fā)現(xiàn)：植物中的一些特征性揮發(fā)物是促使蛾類昆蟲取食行為的“標志性刺激物”[31]。例如，桑樹葉片中的檸檬醛、氧化芳樟醇、乙酸萜品酯等揮發(fā)物對家蠶Bombyx mori(Linnaeus) 幼蟲有強烈的引誘活性[32]；棉鈴蟲Helicoverpa armigera(Hübner) 為害后的棉花大量釋放的類萜烯及單寧等物質(zhì)會導(dǎo)致3-己烯-1-醇(E)的含量較少，而施硅使棉花的3-己烯-1-醇(E)含量較多[33]。本研究也表明施硅能產(chǎn)生更多的3-己烯-1-醇(E)來驅(qū)避麥長管蚜。研究發(fā)現(xiàn)水稻揮發(fā)物中3-己烯醛對褐飛虱Nilaparvata lugens(Stal)成蟲有顯著的驅(qū)避作用[34]。本研究結(jié)果表明施硅能產(chǎn)生更多的3-己烯醛來驅(qū)避麥長管蚜。本研究在蚜蟲取食為害后，與不施硅(A)處理相比，施硅處理(SiA)分別顯著提高了十二甲基環(huán)己氧烷 (56.25%)、3-己烯-1-醇 (E)(112.00%)、D-檸檬烯(117.78%)的相對含量，且顯著降低了2,4-二甲基-庚烷的相對含量。本研究結(jié)果表明，蚜蟲為害與施硅共同作用下，可能會誘導(dǎo)寄主小麥產(chǎn)生復(fù)雜的防御反應(yīng)。

4 結(jié)論

麥長管蚜更傾向于選擇不施硅的小麥為寄主。在蚜蟲侵害后，施硅可通過減少小麥揮發(fā)物2,4-二甲基-庚烷的釋放，提高十二甲基環(huán)己氧烷、3-己烯-1-醇(E)、D-檸檬烯等氣體的釋放，從而減少麥長管蚜對寄主小麥的趨向性。