干旱脅迫對(duì)棉花上棉蚜種群增長(zhǎng)影響的評(píng)價(jià)方法

王 晨, 劉金萍, 楊益眾, 陸宴輝*

(1.揚(yáng)州大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 揚(yáng)州 225007; 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所, 植物病蟲害生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100193)

干旱是一個(gè)世界性的生態(tài)問題,尤其近年來隨著平均氣溫不斷上升等全球氣候變化,很多國家與地區(qū)的干旱問題日益加劇,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-2]。嚴(yán)重干旱脅迫不但對(duì)農(nóng)作物的形態(tài)特征、光合速率、生物量積累等造成明顯負(fù)面影響并導(dǎo)致產(chǎn)量下降,還會(huì)改變農(nóng)作物生理特性比如水分、營養(yǎng)物質(zhì)、次生化合物的組成及含量,從而間接地影響害蟲的個(gè)體發(fā)育與種群消長(zhǎng),以及植物-害蟲-天敵之間的三營養(yǎng)級(jí)關(guān)系[3-5]。

新疆地處干旱半干旱區(qū),年降雨量少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,當(dāng)?shù)孛藁ǖ绒r(nóng)作物常遭受干旱脅迫。已有不少研究從棉花栽培生理學(xué)的角度,評(píng)價(jià)了干旱脅迫對(duì)棉花植株生長(zhǎng)、生理代謝的影響[6-9],發(fā)現(xiàn)干旱脅迫顯著影響棉花植株含水量、凈光合速率、最大光合量子產(chǎn)量、葉片滲透勢(shì)、葉片相對(duì)電導(dǎo)率、葉片脯氨酸含量及根部抗氧化酶活性等生理指標(biāo),從而影響棉花產(chǎn)量[10]。而干旱脅迫對(duì)棉花植株上害蟲發(fā)生的影響尚缺乏系統(tǒng)評(píng)價(jià)和深入研究。

棉蚜AphisgossypiiGlover是一種重要的刺吸式口器害蟲,以吸取植物木質(zhì)部和韌皮部汁液來滿足其自身生命活動(dòng)所需的營養(yǎng)物質(zhì),取食汁液不僅給植物帶來直接損傷,而且在取食過程中會(huì)傳播植物病毒和分泌蜜露誘發(fā)霉菌影響植物光合作用[11]。目前,棉蚜是新疆棉花生產(chǎn)中的首要害蟲,取食為害常造成棉花產(chǎn)量和品質(zhì)嚴(yán)重下降[12]。棉蚜種群增長(zhǎng)快、世代周期短,易受棉花植株生長(zhǎng)狀態(tài)變化的影響,是評(píng)價(jià)研究干旱脅迫影響棉花植株上害蟲種群發(fā)生消長(zhǎng)的理想對(duì)象。

本研究在室內(nèi)采用滲透調(diào)節(jié)劑聚乙二醇6000(PEG-6000)降低水勢(shì)干擾棉花根部吸水來模擬不同程度的干旱脅迫,探討干旱對(duì)棉花幼苗地上部生物量、葉片干重和相對(duì)含水量的影響以及對(duì)棉株上棉蚜種群數(shù)量的影響。以此,探索建立干旱脅迫對(duì)棉花植株生理代謝及棉蚜種群動(dòng)態(tài)影響的評(píng)價(jià)方法,為研究干旱脅迫條件下棉花-害蟲-天敵之間的相互作用關(guān)系奠定基礎(chǔ)。同時(shí),明確棉花植株上棉蚜對(duì)不同干旱脅迫條件的響應(yīng)程度,以期為解析新疆干旱脅迫環(huán)境下以及從漫灌到滴灌的灌溉方式變革中棉田棉蚜種群消長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及機(jī)制提供必要數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試棉花品種

棉花品種‘冀棉14’(‘JM14’)由創(chuàng)世紀(jì)種業(yè)有限公司提供,‘中棉49’(‘ZM49’)由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供。

1.2 供試棉蚜

棉蚜于2019年采集于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所新疆庫爾勒試驗(yàn)基地(41.45°N,85.48°E)棉田,隨后在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所廊坊科研中試基地(39.53°N,116.70°E)的光照培養(yǎng)箱中用4～5葉期‘ZM49’棉苗進(jìn)行繼代飼養(yǎng)。飼養(yǎng)環(huán)境條件為溫度(26±1)℃,相對(duì)濕度(50±5)%,光周期L∥D=16 h∥8 h。

1.3 營養(yǎng)液配方

營養(yǎng)液采用國際通用的霍格蘭營養(yǎng)配方,并進(jìn)行了適當(dāng)改良。具體配方組成為:5 mmol/L Ca(NO3)2·4 H2O、1 mmol/L KH2PO4、1 mmol/L K2SO4、2 mmol/L MgSO4·7 H2O、0.045 mmol/L H2BO3、8×10-3mmol/L ZnSO4·7 H2O、3×10-3mmol/L CuSO4·5 H2O、6.7×10-3mmol/L MnSO4·4 H2O、5×10-3mmol/L H2MoO4·4 H2O、0.02 mmol/L EDTA-Na2和0.02 mmol/L FeSO4·7 H2O。采用去離子水先配制為100倍的母液,保存于不透光的玻璃瓶中,置于陰涼處,使用時(shí)用自來水稀釋即可。

1.4 水培棉花種植

干旱脅迫試驗(yàn)所用棉花品種為‘JM14’,試驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行水培種植。水培棉花種植分為3個(gè)階段(圖1)。第Ⅰ階段,將棉花種子播種于育苗基質(zhì)(由泥炭土、蛭石和中壤土組成,體積比為6∶1∶1),待種子發(fā)芽長(zhǎng)至子葉完全展開時(shí),選取長(zhǎng)勢(shì)一致的棉苗,從基質(zhì)中輕輕取出,盡量不傷及根部,抖落多余基質(zhì)后用流水洗凈。第Ⅱ階段,將棉苗根基部用海綿包住,放入定植籃(上內(nèi)直徑為2.0 cm,上外直徑為2.5 cm,底部直徑1.4 cm,高度3.5 cm)中,然后固定于裝有1 L 0.5×營養(yǎng)液的黑色塑料罐中。塑料罐蓋上有大小2個(gè)圓孔,一個(gè)孔直徑為2.0 cm,用于固定定植籃,一個(gè)孔直徑為5 cm,用于放氧氣泵通氣。每個(gè)塑料罐培育一株棉苗,每天通氣3～4 h,每7 d更換1次營養(yǎng)液。0.5×營養(yǎng)液培養(yǎng)7 d后更換為全營養(yǎng)液,培養(yǎng)至4葉期開始進(jìn)行第Ⅲ階段的干旱脅迫試驗(yàn)。

圖1 水培棉花培養(yǎng)流程

1.5 干旱脅迫處理

試驗(yàn)所用聚乙二醇6000(PEG-6000)由北京酷來搏科技有限公司生產(chǎn)?；谇叭搜芯縖10,13]與我們預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,按質(zhì)量比將PEG-6000與營養(yǎng)液混合，設(shè)置1%、3%和5% 3個(gè)不同梯度模擬干旱脅迫,濃度越高干旱程度越大,3個(gè)濃度依次模擬輕度、中度、重度干旱脅迫。以不加PEG-6000作為空白對(duì)照。

1.6 棉花植株地上部分生物量、葉片干重及相對(duì)含水量測(cè)定

棉苗從4葉期開始進(jìn)行不同程度干旱脅迫處理。28 d后,取棉株地上部分(莖和葉片),去離子水洗凈后用濾紙吸干表面浮水,稱其鮮重。將莖和葉片分開,將莖放入牛皮紙袋中105℃殺青30 min,然后80℃烘干至恒重,得到棉花植株莖部生物量。同時(shí),將全部葉片在去離子水中浸泡24 h后稱其飽和鮮重,將葉片表面水分用濾紙吸干后置于牛皮紙袋內(nèi)105℃殺青30 min,然后80℃烘干至恒重,得到葉片干重。植物地上部分生物量為莖和葉片干重的總和。每個(gè)處理測(cè)試8株,即為重復(fù)8次。

葉片相對(duì)含水量=(鮮重-干重)/(飽和鮮重-干重)×100%。

1.7 棉蚜種群數(shù)量測(cè)定

挑取經(jīng)過干旱脅迫處理7 d后長(zhǎng)勢(shì)一致的棉苗,在其頂部第一片完全展開的葉片上接10頭棉蚜成蚜,12 h后保留5頭若蚜,將成蚜及多余的若蚜一并刷除。每隔5 d觀察記錄1次棉株上棉蚜數(shù)量,共記錄8次。每株棉苗單獨(dú)放置于長(zhǎng)28 cm×寬33 cm×高53 cm的120目的紗網(wǎng)籠中,防止棉蚜逃逸。每個(gè)處理測(cè)試8株,即為重復(fù)8次。

1.8 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,處理間差異顯著性采用Tukey HSD法檢驗(yàn)(P<0.05)。所有圖采用Graphpad Prism 8.0軟件進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)棉株地上部分生物量、葉片干重和相對(duì)含水量的影響

由圖2a可知,干旱脅迫對(duì)棉株地上部分生物量具有顯著影響(F=4.012,df=3,28,P=0.017),但各濃度PEG-6000處理間棉株地上部分生物量差異不顯著。棉花葉片干重和相對(duì)含水量均隨著PEG-6000濃度增加而逐漸下降(圖2b～c)。PEG-6000處理對(duì)棉花葉片干重和相對(duì)含水量均有極顯著影響(葉片干重：F=30.824,df=3,28,P<0.001；相對(duì)含水量：F=19.647,df=3, 28,P<0.001)。棉花葉片相對(duì)含水量在1%、3%和5% PEG-6000處理下分別為空白對(duì)照組的84.59%、69.76%和51.68%。

圖2 不同PEG-6000濃度處理下棉花地上部生物量、葉片干重和相對(duì)含水量的變化趨勢(shì)

2.2 干旱脅迫對(duì)棉株上棉蚜種群數(shù)量的影響

棉株受干旱脅迫7 d后,每株棉株上接入初產(chǎn)仔蚜5頭,5 d后每株棉株上棉蚜數(shù)量均為5頭。由圖3a可知,棉株上棉蚜種群數(shù)量均隨著干旱脅迫天數(shù)增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在1% PEG-6000處理下,除第35天外,其余時(shí)間棉株上棉蚜數(shù)量均顯著低于空白對(duì)照。在第10～40 天,3%和5% PEG-6000處理下棉株上棉蚜數(shù)量均顯著低于空白對(duì)照,且棉蚜種群數(shù)量下降時(shí)間早于空白對(duì)照和1% PEG-6000。干旱脅迫對(duì)棉蚜40 d內(nèi)的單株平均種群密度具有極顯著影響(圖3b,F=24.476,df=3,28,P<0.001),在所有濃度的PEG-6000處理下,棉蚜平均種群密度均顯著低于空白對(duì)照。

圖3 不同PEG-6000濃度處理下棉蚜種群數(shù)量

3 結(jié)論與討論

新疆棉區(qū)干旱問題突出,是影響棉花植株生長(zhǎng)與生理代謝的重要環(huán)境因素,從而可能進(jìn)一步影響棉花-害蟲-天敵三級(jí)營養(yǎng)互作關(guān)系。本文建立了干旱脅迫對(duì)棉花植株上棉蚜種群動(dòng)態(tài)影響的評(píng)價(jià)方法,為系統(tǒng)研究干旱脅迫對(duì)棉花-害蟲-天敵互作關(guān)系的影響奠定了重要基礎(chǔ)。

葉片是植物進(jìn)行光合作用的重要器官,同時(shí)也是蚜蟲等食葉類害蟲的主要取食部位,其生理狀態(tài)會(huì)直接影響害蟲種群的發(fā)生。植物葉片干重越大,說明其光合作用越強(qiáng),積累的干物質(zhì)量越多,植物營養(yǎng)成分越高[14]。害蟲主要依靠寄主植物獲取營養(yǎng),寄主植物組織內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的組成及質(zhì)量會(huì)直接影響害蟲的生長(zhǎng)發(fā)育及繁殖。前人研究發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫程度增加,棉花中可溶性糖、可溶性蛋白及游離氨基酸含量逐漸增加,這些物質(zhì)作為組織內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物,可使組織維持正常水平,緩解干旱脅迫造成的損傷[15-16]。而這些營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)害蟲的生長(zhǎng)發(fā)育及繁殖常具有重要作用[17-18],比如早期研究表明，植物組織中過高的可溶性糖不利于刺吸式口器害蟲的消化[19]。Karley等[20]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯葉片韌皮部蔗糖與氨基酸含量的比值對(duì)桃蚜Myzuspersicae和馬鈴薯長(zhǎng)管蚜Macrosiphumeuphorbiae生長(zhǎng)和繁殖影響不顯著,但氨基酸的組成特別是谷氨酰胺的變化對(duì)蚜蟲影響較大。祝愿等[21]基于昆蟲刺探電位技術(shù)發(fā)現(xiàn)早小洋菊Chrysanthemummorifolium頂葉中可溶性糖和可溶性蛋白含量與菊小長(zhǎng)管蚜Macrosiphoniellasanborni、棉蚜和桃蚜韌皮部取食時(shí)間成正相關(guān)。然而,葉片積累的有機(jī)物成分較為復(fù)雜,當(dāng)植物在干旱脅迫下生長(zhǎng)受到抑制時(shí),植物葉片還會(huì)積累大量的防御物質(zhì)適應(yīng)干旱環(huán)境,比如酚類、萜類和生物堿,這些物質(zhì)對(duì)害蟲具有抵御作用[22-23]。Ibrahim等[24]發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下棉花葉片黃酮類和酚類物質(zhì)含量顯著增加。馬惠等[13]研究發(fā)現(xiàn)棉花葉片的棉酚含量隨著干旱脅迫程度增加而逐漸升高,棉酚含量與棉蚜若蚜發(fā)育速率、成蚜產(chǎn)蚜量呈負(fù)相關(guān)。目前越來越多研究結(jié)果表明干旱脅迫對(duì)蚜蟲的種群增長(zhǎng)是不利的,且不受蚜蟲、寄主、地理分布等因素的影響[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn),棉株上棉蚜種群數(shù)量隨著干旱脅迫程度增加而逐漸降低,然而干旱脅迫下棉花葉片組織內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)、防御物質(zhì)的組成和含量如何變化、怎樣影響棉蚜種群發(fā)生有待進(jìn)一步研究。

葉片相對(duì)含水量不僅能反映葉片水分狀態(tài),還能反映葉片細(xì)胞是否處于膨脹狀態(tài)[27]。當(dāng)植物葉片水分缺失時(shí),氣孔會(huì)關(guān)閉以減少水分蒸發(fā),從而導(dǎo)致細(xì)胞膨壓降低[28]。對(duì)于刺吸式口器害蟲,寄主植物葉片細(xì)胞膨壓降低會(huì)直接影響其對(duì)韌皮部的被動(dòng)取食,不利于此類害蟲的種群增長(zhǎng)[29]。Guo等[30]發(fā)現(xiàn)蒺藜苜蓿Medicagotruncatula在干旱脅迫下葉片水分缺失,豌豆蚜Acyrthosiphonpisum取食蒺藜苜蓿韌皮部時(shí)間顯著縮短,種群數(shù)量減少。本研究發(fā)現(xiàn)棉蚜種群增長(zhǎng)隨著葉片相對(duì)含水量降低而逐漸下降,可能是棉蚜取食行為受阻,獲取的營養(yǎng)和水分不足所致。

植物地上部分莖葉生物量與植物的生長(zhǎng)有著密切的關(guān)系,是衡量植物抗旱性常用的重要指標(biāo)[31]。已有不少研究表明干旱脅迫對(duì)植物的地上部分莖葉生物量積累具有負(fù)面影響,比如Lama等[32]發(fā)現(xiàn)，麻風(fēng)樹Jatrophacurcas遭受干旱脅迫后,莖干生物量顯著下降。王娟等[33]和Zou等[10]通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤干旱脅迫不利于棉花蕾期和初花期地上部分莖葉生物量的積累。本研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對(duì)棉花幼苗莖葉干重具有負(fù)影響,說明相對(duì)較高的水分含量更有利于棉株地上部分莖葉的生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累。植物葉片對(duì)水分虧缺響應(yīng)十分敏感,當(dāng)植物處于缺水狀態(tài)時(shí),植物葉片很快會(huì)表現(xiàn)出萎蔫狀。葉片相對(duì)含水量是植物葉片實(shí)際含水量占葉片組織飽和含水量的百分比,是反映植物葉片水分虧缺的常用指標(biāo)。大量植物抗旱性研究表明,隨著干旱脅迫程度增加,植物葉片相對(duì)含水量逐漸下降[34-35]。植物葉片相對(duì)含水量低會(huì)直接影響氣孔開合導(dǎo)致光合作用效率降低,干物質(zhì)量積累減少,從而影響產(chǎn)量[36-37]。本研究發(fā)現(xiàn)棉花葉片相對(duì)含水量隨著干旱脅迫程度增加而逐漸下降,這可能是導(dǎo)致干旱脅迫下棉花地上部分莖葉生物量下降的原因。以上結(jié)果表明非干旱脅迫下,棉花長(zhǎng)勢(shì)更好,更有利于棉蚜種群增長(zhǎng)。

新疆屬于典型的灌溉農(nóng)業(yè),20世紀(jì)90年代前棉花種植主要采用漫灌方式,大水漫灌后土壤水分蒸發(fā)快、含水量極不穩(wěn)定,致使棉花植株頻繁遭受短期干旱脅迫。90年代初開始引進(jìn)并大面積使用覆膜種植及膜下滴灌技術(shù),棉田土壤含水量較為穩(wěn)定,棉花長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于漫灌方式下種植的棉花[38-39]。根據(jù)干旱脅迫對(duì)植物及害蟲影響的活力假說,即害蟲更喜歡取食長(zhǎng)勢(shì)較好的植物[40],同時(shí)結(jié)合本文研究結(jié)果,初步推測(cè)隨著新疆棉花膜下滴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用與不斷優(yōu)化,棉田土壤中水分的保持能力逐步增強(qiáng),這不僅促進(jìn)新疆棉花健康生長(zhǎng)及單產(chǎn)遞增,也可能是引起近年來新疆棉蚜發(fā)生危害加重的重要原因。

在棉花植株耐旱性評(píng)價(jià)中,常采用高濃度的PEG-6000溶液進(jìn)行短期處理。如張雪妍等[8]用17% PEG-6000溶液對(duì)3～6片真葉的棉花幼苗進(jìn)行12 h連續(xù)處理,來評(píng)價(jià)棉花幼苗耐旱性。胡根海等[16]用5%、10%、15%、20% PEG-6000溶液處理長(zhǎng)有3片真葉的棉花幼苗,7 d后評(píng)價(jià)植株抗旱生理指標(biāo)。我們預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),高于5%的PEG-6000溶液常顯著抑制棉花植株正常生長(zhǎng)甚至導(dǎo)致死亡,不適用于棉花植株的長(zhǎng)期脅迫處理,不能滿足棉蚜等害蟲的全生命周期研究及種群動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。本試驗(yàn)結(jié)果表明,與空白對(duì)照相比,1%、3%和5% PEG-6000溶液對(duì)棉花葉片相對(duì)含水量和棉蚜種群密度產(chǎn)生了顯著的梯度效應(yīng),特別是5% PEG-6000溶液處理既維持了棉花植株生長(zhǎng)和棉蚜種群增長(zhǎng),滿足了長(zhǎng)期性試驗(yàn)的要求,又充分顯示了干旱脅迫帶來的嚴(yán)重負(fù)面影響。馬惠等[13]比較了0%、2.5%和5% PEG-6000溶液處理下棉花上棉蚜若蟲發(fā)育速率和成蟲產(chǎn)仔量,發(fā)現(xiàn)兩者隨干旱脅迫力度增加而逐步降低,本研究結(jié)果與其一致。因此,本研究設(shè)置的1%、3%和5% PEG-6000溶液處理有效反映了輕度、中度、重度干旱脅迫,為后續(xù)干旱脅迫下棉花-害蟲-天敵互作關(guān)系的長(zhǎng)期評(píng)價(jià)與系統(tǒng)研究奠定了重要基礎(chǔ)。