褐飛虱對二化螟為害誘導水稻揮發(fā)物的行為反應

汪曉龍，蘇雙麗，胡曉云，尹新明*，李云河*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學植物保護學院, 鄭州 450002；2.中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所/植物病蟲害生物學國家重點實驗室，北京 100193）

在自然生態(tài)系統(tǒng)中，植物與不同營養(yǎng)層的多種昆蟲種群存在直接或間接的互作關系[1-3]。蟲害誘導植物揮發(fā)物（herbivore-induced plant volatiles，HIPVs）作為植物-昆蟲之間溝通的重要信息化合物，可以被害蟲、天敵或鄰近植物等生物識別和利用，在昆蟲行為調(diào)控和群落組成中發(fā)揮至關重要的作用[4-7]。據(jù)報道，HIPVs 能夠有效調(diào)控同種昆蟲的產(chǎn)卵和取食行為[8-11]。如番茄天蛾Manducaquinquemaculata取食為害煙草后，誘導煙草植株釋放的萜類化合物芳樟醇可驅(qū)避番茄天蛾成蟲產(chǎn)卵[12]。Jiao 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，二化螟Chilosuppressalis取食為害水稻誘導水稻釋放的2-壬酮、2-庚醇、α-雪松烯、β-月桂烯和石竹烯5 種信息化合物對二化螟成蟲產(chǎn)卵具有顯著的驅(qū)避作用。然而，同種植食性昆蟲為害誘導植物釋放的信息揮發(fā)物對同種昆蟲并非總具有驅(qū)避作用。茶樹被茶尺蠖Ectropisoblique幼蟲為害后釋放的順式-3-己烯醛、順-3-己烯基乙酸酯和順式-己酸-3-己烯酯3 種信息化合物可顯著吸引已交配的茶尺蠖雌成蟲[14]；玉米被草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda取食為害后釋放的芳樟醇對其6 齡幼蟲具有顯著的吸引作用[15]。

HIPVs 不僅能調(diào)節(jié)同種昆蟲的種內(nèi)關系，在調(diào)控異種昆蟲種間關系中也發(fā)揮重要作用[16,17]。譬如，經(jīng)灰翅夜蛾spodopteralittoralis反芻物處理的玉米植株驅(qū)避玉米蚜Rhopalosiphummaidis的取食，源于玉米釋放的揮發(fā)物中含有大量蚜蟲報警信息素反式-β-法尼烯，該化合物能顯著驅(qū)避有翅玉米蚜蟲的取食；另外，玉米揮發(fā)物中的順式-3-己烯醇、己烯醇和反式-2-己烯醛3 種信息化合物均驅(qū)避玉米蚜的產(chǎn)卵[18]。煙蚜夜蛾Heliothisvirescens為害煙草誘導植株釋放的煙堿對西花薊馬Frankliniellaoccidentalis具有驅(qū)避作用[19]。同樣，HIPVs 亦可引誘異種植食性昆蟲的取食和產(chǎn)卵，如馬鈴薯甲蟲Leptinotarsadecemlineata偏愛在甜菜夜蛾Spodopteraexigua為害的馬鈴薯上取食[20]。蟲害誘導的植物揮發(fā)物組分高度特異化，各組分濃度比也隨同一昆蟲的為害程度不同而改變[21,22]，HIPVs 組分及濃度比的復雜變化直接影響對昆蟲的行為調(diào)控作用[13]。因此，蟲害誘導植物揮發(fā)物對昆蟲行為調(diào)控作用的深入研究對研制昆蟲驅(qū)避劑和引誘劑，開展害蟲綠色防控具有重要的實踐意義。

蟲害誘導水稻揮發(fā)物對昆蟲行為的調(diào)控作用近年也得到了廣泛研究[13,23,24]。作者所在實驗室前期研究發(fā)現(xiàn)，相較于健康稻株，褐飛虱對二化螟為害稻株具有顯著的取食偏愛性[25]。研究分析了健康和二化螟為害水稻釋放的信息揮發(fā)物的差異，明確了二化螟為害誘導揮發(fā)物對褐飛虱具有顯著的吸引作用[25]。但上述研究并沒有鑒定出調(diào)控褐飛虱寄主選擇發(fā)揮關鍵作用的具體揮發(fā)物。本研究通過對前期研究數(shù)據(jù)的進一步分析（Figure 4-source data 1 in the reference[26]），篩選出二化螟為害誘導水稻釋放的新的化合物（2-十五烷酮，大根香葉烯D，DMNT，TMTT，2-十三烷酮）、釋放量顯著上升的化合物（α-蒎烯，β-石竹烯，2-十一烷酮，十三醛，異氟爾酮，鄰傘花烯烴，肉豆蔻酸異丙酯，2-壬酮，水楊酸甲酯），以及苯甲酸苯甲酯，該化合物在二化螟為害后釋放量雖無顯著性變化，但是釋放量呈現(xiàn)下降趨勢[26]。本文通過“H”型嗅覺儀研究了二化螟為害誘導水稻釋放的15 種重要水稻揮發(fā)物對褐飛虱寄主選擇行為的調(diào)控作用，為研制褐飛虱驅(qū)避劑和引誘劑提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試水稻

試驗所用的水稻Oryzasativa品種為明恢63，由華中農(nóng)業(yè)大學提供。水稻栽培方法同Jiao 等[13]文中所述。將提前浸種催芽的水稻種子播種到育秧盤上，15 d 后將幼苗分別移栽到塑料盆缽（直徑8 cm，高10 cm）中種植，每缽一株，育苗所用的土壤由泥炭和蛭石（3:1）混合而成。然后將帶苗盆缽置于水床上，定期施肥。溫室溫度（27±2）℃，光周期16L:8D，RH（75±10）%。移栽4～5 周后，水稻處于分蘗期，主莖葉數(shù)為10 至12 葉，取生長健壯、長勢均一的水稻植株用于試驗。

1.2 供試昆蟲

試驗所用3 齡褐飛虱來源于實驗室種群，采用褐飛虱敏感品系水稻Taichuang Native1 在人工培養(yǎng)箱中進行飼養(yǎng)，溫度為（27±2）℃，光周期為16L:8D，RH（75±10）%。

1.3 供試試劑

試驗中所用試劑見表1。

表1 試驗中所用試劑Table 1 Reagents used in the experiment

1.4 褐飛虱對不同濃度信息化合物的行為反應

采用由Khan 和Saxena[27]的方法改進制作的聚乙烯“H”型嗅覺儀測定褐飛虱對不同信息化合物的行為反應（圖1）。嗅覺儀兩臂高55 cm，直徑10 cm，在兩直臂離基部20 cm 處各開一直徑為2 cm 的小孔，用以連接橫臂（長20 cm，直徑2 cm），橫臂的兩端用100 目紗布封住以防昆蟲進入豎臂。在橫臂的中間有一個用以釋放蟲子的直徑為0.5 cm 的圓孔。

圖1 用于飛虱行為生測的H 型嗅覺儀Fig.1 “H” olfactomerer for testing planthopper behaviour

將15 種信息化合物分別溶于正己烷，配制成濃度為5 ng 化合物/μL 正己烷、50 ng 化合物/μL 正己烷、500 ng 化合物/μL 正己烷的單組分信息化合物溶液，試驗時，將長勢一致的水稻植株兩兩配對，在每株水稻培養(yǎng)缽中靠近苗子的根部插一支帶有小孔的小管，小管的上端可放置昆蟲誘芯。試驗開始前，在誘芯中加入100 μL 正己烷（空白對照）或100 μL 配置好的信息化合物溶液。然后，將嗅覺儀兩個直臂塑料筒罩著供試稻株作為味源，直臂頂端用海綿封口。在橫臂中間小孔中輕輕釋放15 頭3 齡褐飛虱。釋蟲2 h 后統(tǒng)計距離接蟲口6.0 cm 范圍內(nèi)的飛虱數(shù)目即A 區(qū)飛虱數(shù)目，及橫臂兩側飛虱數(shù)目（超過接蟲口6.0 cm 即B區(qū)和C 區(qū)）。整個裝置在人工氣候培養(yǎng)箱，溫度（27±2）℃，光周期16L:8D，RH（75±10）%中進行。A 區(qū)飛虱標記為無反應，B 區(qū)、C 區(qū)飛虱標記為做出選擇。每個處理8～12 個重復。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)分析采用 Wilcoxon’s signed-ranks test 比較褐飛虱對不同信息化合物的行為選擇，數(shù)據(jù)均用SPSS 22.0（IBM SPSS，Somers，NY，USA）進行統(tǒng)計分析[28]。

2 結果與分析

結果顯示，相較于對照（正己烷），大根香葉烯D、2-壬酮、DMNT 和β-石竹烯在一定濃度下對褐飛虱有顯著的吸引作用（P＜0.05）。其中，大根香葉烯D 和2-壬酮在5 ng/μL 和50 ng/μL 時均顯著或極顯著吸引褐飛虱（P＜0.05 或0.01），但當濃度達到500 ng/μL 對褐飛虱行為沒有影響；DMNT 僅在5 ng/μL時對褐飛虱具有顯著的吸引作用（P＝0.026）；相反，β-石竹烯在高濃度500 ng/μL 時顯著吸引褐飛虱（P＝0.034），在兩個低濃度下對褐飛虱行為沒有影響（圖2 A～D）。TMTT、2-十一烷酮和水楊酸甲酯三種化合物在一定濃度下對褐飛虱有顯著的驅(qū)避作用（P＜0.05）。其中，TMTT 在5 ng/μL 和50 ng/μL 時分別極顯著（P＝0.008）和顯著排斥褐飛虱（P＝0.046）；2-十一烷酮僅在5 ng/μL 時顯著排斥褐飛虱（P＝0.012）；水楊酸甲酯在高濃度500 ng/μL 時顯著排斥褐飛虱（P＝0.028）（圖2 E～G）。其余8 種信息化合物即α-蒎烯、2-十三烷酮、十三醛、苯甲酸苯甲酯、異氟爾酮、2-十五烷酮、鄰傘花烯烴和肉豆蔻酸異丙酯對褐飛虱的行為選擇沒有影響（P＞0.05）（圖2 H～O）。

圖2 褐飛虱對不同信息化合物的行為反應（餅圖中深灰色部分代表反應飛虱比例，淺灰色部分代表無反應飛虱比例）Fig.2 Responses of Nilaparvata lugens to different volatile compounds (dark gray area represents proportion of reactive planthoppers,while light gray area represents proportion of nonreactive planthoppers in the pie charts)

3 討論

蟲害誘導植物釋放的信息揮發(fā)物是影響植食性昆蟲寄主選擇的重要因子[14,15,29-31]。當植物遭受植食性昆蟲攻擊時，植物會迅速釋放蟲害誘導的揮發(fā)物來影響植食性昆蟲的取食、產(chǎn)卵、交配等行為。二化螟為害誘導水稻釋放揮發(fā)物驅(qū)避其成蟲產(chǎn)卵，但可引誘褐飛虱的取食[13,25]。鑒定蟲害誘導植物釋放揮發(fā)物對昆蟲寄主選擇的影響，有利于闡明植物介導昆蟲種間關系的生化機制，同時對研制昆蟲引誘劑或驅(qū)避劑對害蟲開展綠色防控具有重要的意義。

萜烯類化合物在植物防御反應中發(fā)揮著重要作用[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，萜烯類化合物β-石竹烯、大根香葉烯D 和(3E)-4,8-二甲基壬-1,3,7-三烯（DMNT）在一定濃度下對褐飛虱具有顯著引誘作用。這些化合物在調(diào)控其他害蟲和天敵上也起著非常重要的作用。在水稻中，許多害蟲利用β-石竹烯進行寄主定位[33,34]，如白背飛虱Sogatellafurcifera對β-石竹烯有很強的偏好性，因此相對于(E)-β-石竹烯缺失水稻突變體，白背飛虱雌成蟲偏好在對照稻株上取食和產(chǎn)卵[35]。此外，玉米釋放的β-石竹烯不僅為玉米根螢葉甲Diabroticavirgiferavirgifera定位寄主提供線索[36]，還對玉米根螢葉甲的寄生天敵昆蟲病原線蟲Heterorhabditismegidis有很強的引誘作用[37]。大根香葉烯D 也是一種重要的信息化合物，據(jù)報道相較于對照煙草植株（寄主植物＋正己烷的誘芯），處理植株（寄主植株＋500 μg 大根香葉烯D 的誘芯）顯著引誘煙蚜葉蛾成蟲的產(chǎn)卵，且在處理株上煙蚜葉蛾成蟲產(chǎn)卵量顯著多于對照株[38]。DMNT 是蟲害誘導植物釋放的少數(shù)重要萜類化合物之一，在植物間接防御中起著重要作用，也可被鄰近植株“竊聽”并啟動防御反應[39-41]。如DMNT 顯著引誘二斑葉螨Tetranychusurticae的天敵智利小植綏螨Phytseiuluspersimilis[39]和褐邊綠刺蛾Latoiaconsocia的天敵雌性甜菜夜蛾盤絨繭蜂Cotesiamarginiventris[40]。另外，DMNT 可誘導鄰近利馬豆葉片中防御基因的上調(diào)[41]。

在二化螟為害誘導水稻釋放的揮發(fā)物中，除了對褐飛虱具有引誘作用的成分，還發(fā)現(xiàn)一些成分對褐飛虱具有排斥作用。譬如，本研究發(fā)現(xiàn)水楊酸甲酯在高濃度500 ng/μL 時顯著排斥褐飛虱的取食。已有研究表明，水楊酸甲酯在植物防御過程中發(fā)揮多種生態(tài)功能，除了調(diào)控植食性昆蟲的寄主選擇行為，如驅(qū)避忽布疣額蚜Phorodonhumuli對蛇麻草的取食[42]，還可以吸引天敵昆蟲，對植物起到間接防御作用，如黃瓜苗經(jīng)二斑葉螨取食為害后產(chǎn)生的水楊酸甲酯可顯著引誘智利小植綏螨Phytseiuluspersimilis[43]。本研究還發(fā)現(xiàn)（3E,7E)-4,8,12-三甲基十三-1,3,7,11-四烯（TMTT）和2-十一烷酮兩種化合物也有排斥褐飛虱的作用。其中，TMTT 是一類廣泛存在于多種高等植物中的植物揮發(fā)物，不僅能直接調(diào)控植食性昆蟲的寄主選擇行為，如順式茉莉酸處理誘導棉花釋放TMTT 對棉蚜Aphisgossypii有顯著的驅(qū)避作用[44]；同時，其還在植物間接防御反應中發(fā)揮重要作用，如被二斑葉螨侵害的番茄比野生型番茄產(chǎn)生更多的TMTT，可強烈地吸引蜘蛛螨的天敵——捕食螨Phytoseiuluspersimili[45]。此外，2-十一烷酮對棉鈴蟲Heliothiszea和煙草天蛾Manducasexta均具有很強的直接毒殺作用[46,47]。

蟲害誘導的水稻揮發(fā)物對植食性昆蟲寄主選擇的影響因信息化合物的種類和濃度而異[35]，因此，本研究測定了褐飛虱對不同濃度水稻揮發(fā)物的行為反應。結果表明一些化合物在不同濃度下對褐飛虱的行為調(diào)控作用具有顯著差異。譬如，大根香葉烯D 在較低濃度下對褐飛虱有顯著的吸引作用，當濃度提高到500 ng/μL時，對褐飛虱選擇行為無影響；TMTT 在較低濃度下顯著排斥褐飛虱，而在高濃度（500 ng/μL）情況下對褐飛虱選擇行為也沒有影響（圖2）。不同結構化合物和同一化合物不同濃度下其生態(tài)功能不盡相同，這一現(xiàn)象在其他研究中也得到證實[23,33]。由此可見，昆蟲對信息化合物的識別不僅與化合物種類有關，還與化合物的濃度關系密切。因此，此類研究中要多設定幾個濃度，明確昆蟲行為與植物信息揮發(fā)物的劑量關系，才能制備出精準高效的昆蟲驅(qū)避劑和誘殺劑。

總之，本研究結果進一步揭示了二化螟為害誘導褐飛虱的生化機制，更重要的是為制備褐飛虱引誘劑或驅(qū)避劑，對褐飛虱開展綠色防控具有重要實踐意義。然而，本研究只進行了單一化合物對褐飛虱寄主選擇行為的研究，而蟲害誘導的植物揮發(fā)物是由多組分化合物組成，不同化合物組合及不同組分之間的特定比例對昆蟲行為的調(diào)控作用會有較大差異[48]，因此，需要開展進一步的研究，通過不同信息化合物成分和不同比例的組合，為創(chuàng)制對飛虱具有更加高效的引誘劑和驅(qū)避劑提供數(shù)據(jù)支撐。同時需要開展溫室和田間試驗，明確其在不同條件下的應用效果。