康 奎,蔡尤俊,龔 俊,張道偉*
(1.遵義師范學(xué)院生物與農(nóng)業(yè)科技學(xué)院/貴州省赤水河流域動(dòng)物資源保護(hù)與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遵義 563002;2.中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/有害生物控制與資源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275)
褐飛虱Nilaparvatalugens(St?l),以單食水稻為主,是亞太地區(qū)一種重要的農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)害蟲。以其繁殖力強(qiáng)、具遷飛性的特點(diǎn)在種植水稻的國家肆虐,已被國際應(yīng)用生物科學(xué)中心(CABI)列為世界十大害蟲之一。褐飛虱旺盛的繁殖力是造成水稻經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重?fù)p失的主要原因之一,褐飛虱的繁殖受卵巢發(fā)育和環(huán)境條件的調(diào)控,強(qiáng)大的繁殖能力是褐飛虱大面積暴發(fā)的基礎(chǔ)[1]。害蟲的繁殖主要基于卵巢的發(fā)育程度,卵巢的發(fā)育由卵黃蛋白(Vitellin,Vn)直接提供營養(yǎng)物質(zhì),而卵黃蛋白原(Vitellogenin,Vg)是卵黃蛋白的前體物質(zhì),有許多研究表明卵黃原蛋白基因Vg對(duì)于昆蟲的繁殖力有著非常重要的影響[2-4]。因此作為 Vn前體物質(zhì)的Vg在卵黃發(fā)育過程中對(duì)昆蟲卵巢的成熟起著舉足輕重的作用。
雌性害蟲的繁殖力決定了害蟲的蟲源基數(shù),為了控制農(nóng)業(yè)害蟲的數(shù)量,有機(jī)殺蟲劑由于其快速有效的特點(diǎn)被濫用,然而有機(jī)殺蟲劑的不合理使用給農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染,帶來了如“3R”(抗藥性、殘留和害蟲再猖獗)等一系列問題[5],害蟲對(duì)有機(jī)殺蟲劑的抗藥性也不斷增強(qiáng),據(jù)悉,至少有586種昆蟲對(duì)325種殺蟲劑中的至少一種產(chǎn)生抗藥性[6]。本著對(duì)水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的利益出發(fā),綠色防控將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必要趨勢(shì)。
近年來,微生物殺蟲劑因?yàn)榄h(huán)境友好型的特性正在蓬勃發(fā)展,特別是昆蟲病原真菌已經(jīng)作為重要的生物防治制劑用于各類害蟲的防治[7,8]。金龜子綠僵菌Metarhiziumanisopliae是一種被廣泛使用的昆蟲病原真菌,據(jù)報(bào)道能感染包括鱗翅目、膜翅目、雙翅目、鞘翅目在內(nèi)的200多種農(nóng)業(yè)害蟲[9-11],還能寄生螨類及線蟲,但是綠僵菌對(duì)人畜無害[12],且這種真菌對(duì)水稻微生物群落沒有實(shí)質(zhì)性影響[13]。所以,綠僵菌是極其適合作為生物農(nóng)藥的真菌[14]。綠僵菌可掩蓋自身菌絲體細(xì)胞壁的抗原結(jié)構(gòu)成分,防止血細(xì)胞識(shí)別[15],在附于宿主表面的分生孢子正常萌發(fā)后分泌幾丁質(zhì)酶、蛋白酶、脂肪酶等水解酶,逐漸累積,將宿主體表幾丁質(zhì)和蛋白質(zhì)水解,破壞宿主體表侵入到宿主內(nèi)部[16,17],隨著綠僵菌的侵染程度不斷加重,宿主抵抗力下降、行動(dòng)緩慢、機(jī)體衰弱,最后營養(yǎng)衰竭而死[18],此外還能在寄主體內(nèi)分泌綠僵菌素,抑制寄主的免疫效應(yīng)[19,20],加劇宿主的死亡。綠僵菌的傳播可減少如鱗翅目[21]、蜚蠊目[22]、雙翅目[23]等昆蟲的產(chǎn)卵量,對(duì)若蟲的數(shù)量具有潛在的控制能力。
已有研究發(fā)現(xiàn)綠僵菌對(duì)稻飛虱、二化螟Chilosuppressalis、卷葉螟Cnaphalocrocismedinalis等多種水稻害蟲有較好的防治效果,但關(guān)于綠僵菌是否能對(duì)褐飛虱的繁殖有影響還缺少研究,本研究可為綠僵菌控制褐飛虱的繁殖潛力提供理論依據(jù)。
褐飛虱種群由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所提供,在昆蟲飼養(yǎng)溫室中用分蘗期的黃華占水稻品種飼養(yǎng),飼養(yǎng)溫室的溫度(27±2)℃,相對(duì)濕度(80±10)%,光周期16L:8D。佛岡基地飼養(yǎng)水稻為柯博士有機(jī)稻,水稻品種為常規(guī)品種,對(duì)褐飛虱為弱抗性。
供試病原真菌為重慶大學(xué)提供的8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌懸浮劑。
將8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌懸浮劑按1:500的比例兌水稀釋,裝入超低容量噴霧器進(jìn)行低容量噴霧。取6個(gè)養(yǎng)蟲籠各放入3盆長勢(shì)相近的黃華占水稻,在每盆水稻上接入30頭4、5齡健康褐飛虱。設(shè)置試驗(yàn)組與對(duì)照組各3個(gè)養(yǎng)蟲籠,分別置于兩個(gè)環(huán)境相同的溫室中,溫度為(27±2)℃,讓褐飛虱適應(yīng)一天。每個(gè)養(yǎng)蟲籠噴施15 mL 8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌懸浮劑稀釋液,將綠僵菌稀釋液用超低容量噴霧器均勻噴施于實(shí)驗(yàn)組養(yǎng)蟲籠中的水稻莖、葉部和供試褐飛虱體表,取相同量的純凈水噴施于對(duì)照組養(yǎng)蟲籠中。之后每天觀察、統(tǒng)計(jì)各籠中供試褐飛虱數(shù)量共10 d,計(jì)算8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌懸浮劑稀釋液對(duì)褐飛虱的校正致死率。校正死亡率(%)=(處理死亡率—對(duì)照死亡率)/(1—對(duì)照死亡率)×100。
試驗(yàn)田采用統(tǒng)一的人工耕作管理方式,試驗(yàn)期間不使用其他農(nóng)藥,供試水稻采用柯博士有機(jī)稻,待有機(jī)稻生長至分蘗盛期開始對(duì)各試驗(yàn)田進(jìn)行施藥處理,所有試驗(yàn)采用常規(guī)容量噴霧。設(shè)置1個(gè)陽性對(duì)照組、1個(gè)處理組、1個(gè)空白對(duì)照組,每組0.2畝,重復(fù)3次。陽性對(duì)照田施以25%吡蚜酮可濕性粉劑(廣州仟壹華琪生物技術(shù)有限公司),按25 g/畝的量用藥;處理田施以8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌懸浮劑,按50 mL/畝的量用藥;空白對(duì)照田施以相應(yīng)量的自來水。每一對(duì)照田、處理田均采用五點(diǎn)法于施藥后3、7、10 d進(jìn)行抽樣調(diào)查,每個(gè)調(diào)查點(diǎn)抽取5叢水稻進(jìn)行褐飛虱的數(shù)量統(tǒng)計(jì),每塊供試稻田共調(diào)查水稻75叢。調(diào)查時(shí)根據(jù)蟲量多少采用直接計(jì)數(shù)法或盤拍法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)褐飛虱數(shù)量后計(jì)算褐飛虱的相對(duì)防治效果,計(jì)算公式如下:相對(duì)防效(%)=(空白對(duì)照區(qū)蟲口數(shù)—藥劑處理區(qū)蟲口數(shù))/空白對(duì)照區(qū)蟲口數(shù)×100。
田間調(diào)查得到各試驗(yàn)田褐飛虱的數(shù)量后,根據(jù)褐飛虱發(fā)生程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其為害程度進(jìn)行分級(jí)(表1)。
表1 褐飛虱發(fā)生程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The grading standards of brown planthopper degree of hazard
用1.2的方法處理褐飛虱,分別于噴灑金龜子綠僵菌或純凈水后3、6、9 d取試驗(yàn)組與對(duì)照組水稻上存活的羽化1 d雌性褐飛虱,每個(gè)時(shí)間點(diǎn)各取15頭褐飛虱,用液氮速凍后置于-86 ℃超低溫冰箱中備用。
RNA提取采用Trizol試劑(Invitrogen公司),RNA的完整性通過1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),RNA濃度的測(cè)定在Nano Drop 2000核酸蛋白分析儀上進(jìn)行,并通過OD260/OD280驗(yàn)證純度。采用TaKaRa反轉(zhuǎn)錄試劑盒進(jìn)行基因組DNA的消除及第一鏈cDNA的合成(TaKaRa Code:DRR047A)。
使用PCR多孔板按下列組分配置定量PCR反應(yīng)體系(10 μL反應(yīng)體系):SYBR premix ExTaq,5 μL;cDNA 模板,1 μL;PCR Forward Primer(F),0.2 μL;PCR Reverse Primer(R),0.2 μL;ddH2O,3.6 μL;共10 μL。每個(gè)處理進(jìn)行3次生物學(xué)重復(fù),引物序列如表2所示,q-PCR反應(yīng)程序如下:95 ℃預(yù)變性10 s;95 ℃變性5 s;58 ℃退火15 s;72 ℃延伸20 s;共40個(gè)循環(huán)。反應(yīng)結(jié)束后確認(rèn)q-PCR的擴(kuò)增曲線和熔解曲線。定量數(shù)據(jù)由Light Cycler 480儀器自帶的軟件分析導(dǎo)出,導(dǎo)出數(shù)據(jù)為Ct值。Ct值表示每個(gè)反應(yīng)管內(nèi)的熒光信號(hào)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)所經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表,采用2-ΔΔCT法進(jìn)行基因相對(duì)表達(dá)量分析,2-ΔΔCT=2-[(CT待測(cè)組—CT待測(cè)18S)—(CT對(duì)照組—CT對(duì)照18S)]。
表2 定量PCR反應(yīng)的引物Table 2 Primers of quantitative RT-PCR
用1.2的方法處理褐飛虱,分別取噴灑金龜子綠僵菌或純凈水后第6 d水稻上存活的羽化第1 d雌性褐飛虱若干頭,以每管1頭的數(shù)量將它們分別接入產(chǎn)卵試管(直徑3 cm,高20 cm)中,同時(shí)每支試管中接入1頭健康的羽化第1 d雄性褐飛虱與其配對(duì),把所有試管放在試管架上,置于溫室中(28±2)℃,讓褐飛虱自由交配。
交配后第4 d,觀察產(chǎn)卵試管中雌性褐飛虱的存活情況。若雌性褐飛虱死亡,則認(rèn)定該試管內(nèi)的褐飛虱產(chǎn)卵無效,應(yīng)舍棄;若雌性褐飛虱存活,則認(rèn)定該試管內(nèi)的褐飛虱產(chǎn)卵有效,將試管內(nèi)的水稻根莖取出放在解剖鏡下解剖、觀察統(tǒng)計(jì)褐飛虱交配后0~4 d的產(chǎn)卵量,并放入一根新的水稻根莖讓褐飛虱繼續(xù)產(chǎn)卵。交配后第 8 d,繼續(xù)觀察產(chǎn)卵的雌性褐飛虱存活情況,若雌褐飛虱死亡,則解剖、觀察水稻根莖統(tǒng)計(jì)褐飛虱交配后4~8 d的產(chǎn)卵量,且認(rèn)定該褐飛虱8~16 d的產(chǎn)卵量為0粒;若雌褐飛虱存活,則將試管內(nèi)的水稻根莖取出放在解剖鏡下解剖、觀察統(tǒng)計(jì)褐飛虱交配后4~8 d的產(chǎn)卵量,并放入一根新的水稻根莖讓褐飛虱繼續(xù)產(chǎn)卵。交配后第16 d,取出所剩試管中的水稻根莖,放在解剖鏡下解剖、觀察統(tǒng)計(jì)褐飛虱8~16 d的產(chǎn)卵量。已產(chǎn)卵的水稻根莖繼續(xù)放置,一周后統(tǒng)計(jì)其孵化率。同時(shí),統(tǒng)計(jì)褐飛虱的存活率。處理組、對(duì)照組各30組,共檢測(cè)60組有效產(chǎn)卵量及孵化率。
按照1.2的方法處理褐飛虱,分別取噴灑金龜子綠僵菌或純凈水后存活的成蟲第3 d和第6 d的雌性褐飛虱30頭,冰浴PBS研磨;然后4 ℃、1000 g離心20 min,上清液采用楊萌萌等[24]的方法測(cè)定褐飛虱體內(nèi)海藻糖的含量,3次重復(fù)。
數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤,采用單因素方差分析(one-way ANOVA),t-test,q-test等方法檢驗(yàn)平均數(shù)之間的差異顯著性,所有步驟均在軟件EXCEL 2007中進(jìn)行,作圖使用GraphPad Prism 6。
用稀釋500倍的金龜子綠僵菌懸浮劑噴灑的褐飛虱與空白處理的褐飛虱相比,隨天數(shù)的增加校正死亡率呈上升趨勢(shì),并在第10 d時(shí)平均校正死亡率達(dá)到55.67%(圖1),這說明在溫室(28±2)℃中8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌懸浮劑具生物活性,并且對(duì)褐飛虱的致死效果明顯,該金龜子綠僵菌懸浮劑可用于后續(xù)試驗(yàn)。
圖1 金龜子綠僵菌懸浮劑對(duì)褐飛虱的校正死亡率Fig.1 The corrected mortality rate of the M.anisopliae suspending agent to N.lugens in greenhouse experiment
隨天數(shù)的增加藥效對(duì)褐飛虱的致死效果越強(qiáng),褐飛虱的存活數(shù)量呈明顯的下降趨勢(shì)(圖 2)。在田間條件下檢測(cè)施藥后3、7、10 d對(duì)褐飛虱的防效,結(jié)果顯示陽性對(duì)照噴灑吡蚜酮的防效分別為79.16%、89.13%和95.84%,噴灑8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌懸浮劑對(duì)褐飛虱的防效分別為22.03%、27.75%和63.81%,施藥后第7 d處理組、陽性對(duì)照組、空白對(duì)照組試驗(yàn)田中褐飛虱的數(shù)量都有一定量的下降,是因?yàn)槭┧幒?~7 d當(dāng)?shù)爻掷m(xù)降雨,沖走一定數(shù)量的褐飛虱,但不影響計(jì)算相對(duì)防效(圖3)。
圖2 不同處理后田間褐飛虱數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.2 The number of N.lugens in field after spraying with different reagent
圖3 金龜子綠僵菌懸浮劑對(duì)褐飛虱田間防控效果Fig.3 The relative control effects of the M.anisopliae suspending agent to N.lugens in field
噴灑8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌懸浮劑6 d后開始檢測(cè)羽化第1 d雌性褐飛虱的產(chǎn)卵量。結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比處理組的雌性褐飛虱產(chǎn)卵量和卵孵化率都有相應(yīng)的下降(圖4)。在3個(gè)檢測(cè)時(shí)間段的卵孵化率對(duì)照組都在80%以上,而處理組的卵孵化率都在50%以下,卵孵化率顯著降低(圖4A)。在褐飛虱交配后的前4 d產(chǎn)卵量較少,處理組褐飛虱產(chǎn)卵量為對(duì)照組的60.35%;交配后的4~8 d處理組褐飛虱產(chǎn)卵量比對(duì)照組褐飛虱的少71.35粒,為正常褐飛虱產(chǎn)卵量的60.73%;交配后的8~16 d處理組產(chǎn)卵量為對(duì)照組的63.26%(圖4B)。在檢測(cè)的16 d內(nèi),處理組褐飛虱共產(chǎn)卵208.52粒,對(duì)照組共產(chǎn)卵338.33粒,金龜子綠僵菌的侵染使得褐飛虱平均少產(chǎn)129.81粒卵,產(chǎn)卵量下降了38.37%。
圖4 金龜子綠僵菌懸浮劑處理后褐飛虱產(chǎn)卵量和卵孵化率測(cè)定Fig.4 The oviposition amount and hatching rate of N.lugens eggs after infection of M.anisopliae
取金龜子綠僵菌侵染3 d后尚存活的羽化第1 d雌性褐飛虱進(jìn)行Vg基因表達(dá)量的檢測(cè),結(jié)果顯示此時(shí)雌性褐飛虱Vg的基因表達(dá)量極低,僅為對(duì)照組Vg基因表達(dá)量的32.26%;取金龜子綠僵菌侵染6 d后尚存活的成蟲第1 d雌性褐飛虱,檢測(cè)Vg基因表達(dá)量,與對(duì)照組相比Vg表達(dá)量為對(duì)照組的73.78%;而取金龜子綠僵菌侵染9 d后尚存活的成蟲第1 d雌性褐飛虱,處理組Vg表達(dá)量與對(duì)照組接近,為對(duì)照組的93.33%(圖5)。
圖5 金龜子綠僵菌侵染不同時(shí)間褐飛虱Vg基因相對(duì)表達(dá)量Fig.5 The relative expression level of Vg in N.lugens after infection
取金龜子綠僵菌侵染3 d尚存活的羽化第1 d雌性褐飛虱進(jìn)行海藻糖含量檢測(cè),結(jié)果顯示金龜子綠僵菌侵染褐飛虱體內(nèi)海藻糖含量顯著低于對(duì)照組,分別為0.25和0.56 nmol/μg,降低了55.4%。6 d后褐飛虱體內(nèi)海藻糖含量有所上升,但含量仍顯著低于對(duì)照組,分別為0.42和0.62 nmol/μg,降低了32.3%(圖6)。
圖6 金龜子綠僵菌侵染不同時(shí)間褐飛虱海藻糖含量檢測(cè)Fig.6 The content level of trehalose in N.lugens at different treatment time after infection
本研究所使用的 8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌制劑是由重慶大學(xué)近年研發(fā)而成的,在防治水稻害蟲褐飛虱的初步試驗(yàn)上取得了良好效果[25]。結(jié)果顯示在溫室環(huán)境中,用8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌懸浮劑噴灑褐飛虱,褐飛虱的校正死亡率逐天升高,并且在第10 d達(dá)到了最高,達(dá)55.67%(圖1)。金少鋒等[26]在田間施用多種不同株系的金龜子綠僵菌制劑防治稻飛虱,有兩個(gè)菌株對(duì)稻飛虱的校正死亡率達(dá)到50%;使用濃度為1×108孢子/mL的真菌菌株IsariafumosoroseaPfu-5侵染紫背粉虱Aleurodicusrugioperculatus,對(duì)于卵和1齡若蟲的平均致死率較高分別為44.03%和44.80%[27];球孢白僵菌Beauveriabassiana的真菌分離物 MTCC 4495在濃度為 1×109孢子/mL下對(duì)菜青蟲Pierisbrassicae的 3齡幼蟲最高死亡率達(dá)到86.66%[28]。可見高濃度的昆蟲病原真菌對(duì)害蟲都有較高的致死效果,本試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在試驗(yàn)條件下確認(rèn)了該金龜子綠僵菌的致病效果后,通過田間試驗(yàn)檢驗(yàn)金龜子綠僵菌的野外適應(yīng)能力。研究結(jié)果表明自然條件下金龜子綠僵菌的相對(duì)防效仍能保持在20%以上,并在第10 d相對(duì)防效達(dá)到了63.81%(圖2),說明該濃度同樣適用于野外環(huán)境防治褐飛虱,且效果明顯。
通過產(chǎn)卵量的含量檢測(cè)發(fā)現(xiàn),感染金龜子綠僵菌的褐飛虱產(chǎn)卵量較正常情況下降了38.37%(圖3),且卵的孵化率也在下降,這與Dimbi等[23]、Pablo等[29]、王寶輝等[30]的研究結(jié)果一致,害蟲在感染綠僵菌后害蟲的產(chǎn)卵水平都有明顯的減少。但是并非所有昆蟲的繁殖力和產(chǎn)卵功能都會(huì)受到綠僵菌的影響,如番茄潛麥蛾Tutaabsoluta在感染綠僵菌后只影響了它的生存并未影響它的繁殖[31],而灰黑心結(jié)蟻Cardiocondylaobscurior的蟻后則在感染綠僵菌后導(dǎo)致繁殖投資加強(qiáng)從而提高了產(chǎn)卵率[32]。
檢測(cè)8×1010孢子/mL金龜子綠僵菌懸浮劑處理后褐飛虱Vg的表達(dá)量,結(jié)果顯示噴灑金龜子綠僵菌第3 d后羽化第1 d雌性褐飛虱的Vg相對(duì)表達(dá)量最低,噴灑金龜子綠僵菌第9 d后的雌性褐飛虱Vg相對(duì)表達(dá)量無明顯差異。由前3個(gè)結(jié)果得知,褐飛虱繁殖力可能與其壽命相關(guān),但繁殖力的降低不僅與成蟲壽命的縮短有關(guān),而且還可能與真菌感染而導(dǎo)致宿主卵子成熟所需的資源減少有關(guān)[33,34]。產(chǎn)卵是雌性昆蟲生活中最耗能的事件之一,在卵子發(fā)生過程中,卵黃蛋白原(Vg)在脂肪體內(nèi)合成,分泌到血淋巴中,然后通過卵黃蛋白原受體(VgR)介導(dǎo)的內(nèi)吞作用摻入發(fā)育中的卵母細(xì)胞中[35,36]。除了Vg,還必須提供大量的碳水化合物以滿足卵母細(xì)胞生長的能量需求[37]。本研究結(jié)果表明,感染了金龜子綠僵菌的褐飛虱體內(nèi)海藻糖的含量顯著降低,海藻糖是用于卵母細(xì)胞生長的主要循環(huán)糖[38],已在東亞飛蝗Locustamigratoria中證實(shí)了海藻糖參與脂肪體中Vg的合成[39]。而綠僵菌能分泌海藻糖酶將昆蟲血淋巴中的海藻糖分解為葡萄糖為自身提供碳源[40]。
綜上所述,褐飛虱感染了金龜子綠僵菌后其體內(nèi)海藻糖含量和Vg基因的表達(dá)量都顯著降低,同時(shí)其產(chǎn)卵量、孵化率都顯著低于對(duì)照。推測(cè)金龜子綠僵菌可能是通過消耗褐飛虱體內(nèi)的海藻糖導(dǎo)致其產(chǎn)卵和孵化率都顯著降低,同時(shí)因營養(yǎng)物質(zhì)減少,導(dǎo)致其死亡率提高,其具體機(jī)理尚待進(jìn)一步研究。