鮮食玉米品種心葉期對草地貪夜蛾抗性評價及不同品種受害后的產(chǎn)量損失

張楠 李小鳳 李余良 劉建華 李武 李高科

關(guān)鍵詞：草地貪夜蛾；鮮食玉米；抗蟲性；產(chǎn)量損失；發(fā)育歷期

草地貪夜蛾起源于美洲，屬鱗翅目Lepidoptera夜蛾科Noctuidae，是一種重大遷飛性農(nóng)業(yè)害蟲，常年生活在南至阿根廷北至美國佛羅里達(dá)州、德克薩斯州范圍內(nèi)的熱帶和亞熱帶地區(qū)，季節(jié)性地遷飛至溫帶玉米種植區(qū)，形成周年性為害。2016年，非洲西部的尼日利亞、貝寧、多哥、加納等地發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾，這是首次在美洲以外的地區(qū)報道草地貪夜蛾的蹤跡。草地貪夜蛾因具有生育期短、遷飛能力強、寄主范圍廣、繁殖能力強等生物學(xué)特性，在撒哈拉沙漠以南的所有國家迅速擴散，使非洲部分國家的玉米生產(chǎn)遭受重大的產(chǎn)量損失。2018年5月，印度南部的卡瑪塔克邦（Kamataka）首次發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾，草地貪夜蛾開始危害亞洲。2018年12月，草地貪夜蛾首次在我國云南省江城縣被發(fā)現(xiàn)，2019年6月底全國19個?。▍^(qū)）1070個縣（市、區(qū)）見蟲，截至2020年該蟲已入侵我國27個省份，作物受害面積達(dá)127.8萬hm2。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計（FAOSTAT 2021），我國2020年玉米種植面積為4126萬hm2，產(chǎn)量為2.607億t，消費量為2.89億t，是僅次于美國的世界第二大玉米生產(chǎn)和消費國。玉米穩(wěn)產(chǎn)對于維護我國糧食安全具有重大意義。

目前化學(xué)防治仍為我國玉米種植戶的主要應(yīng)急策略。對云南德宏州的351個玉米種植戶的調(diào)查結(jié)果顯示，超過98%的農(nóng)戶以噴施農(nóng)藥為主要防治措施。多次噴施化學(xué)藥劑極大地增加了種植成本。2020年云南農(nóng)戶的農(nóng)藥使用量是2018年的3倍，購買農(nóng)藥的支出由2018年的81美元/hm2增至2020年的276美元/hm2，增加部分主要為防治草地貪夜蛾的農(nóng)藥支出。大量使用農(nóng)藥對環(huán)境造成的影響更是難以估算。

提升寄主植物抗性是草地貪夜蛾綜合防治體系的重要組成部分，種植抗蟲品種不僅可以降低農(nóng)藥、人工成本，還有益于環(huán)境，是防治蟲害的最佳長期策略。美國、巴西、阿根廷等美洲國家先后通過種植轉(zhuǎn)Bt基因玉米來解決草地貪夜蛾的為害問題。2019年，我國的兩個國產(chǎn)轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米獲得了生產(chǎn)應(yīng)用安全證書，為轉(zhuǎn)Bt普通玉米品種的商業(yè)化種植鋪平了道路，但轉(zhuǎn)Bt的鮮食玉米品種尚未得到許可。我國草地貪夜蛾的周年發(fā)生區(qū)在云南、廣東、廣西、海南等地的熱帶和南亞熱帶地區(qū)，這些地區(qū)也是我國重要的鮮食玉米產(chǎn)區(qū)。農(nóng)戶長期、周年性的錯期播種鮮食玉米，導(dǎo)致草地貪夜蛾周年繁殖、世代重疊，年發(fā)生6～8代。如果在此區(qū)域種植Bt玉米，草地貪夜蛾會面臨連續(xù)世代高頻汰選抗性，使得抗性演化風(fēng)險增加，對其他玉米種植區(qū)的Bt玉米利用構(gòu)成嚴(yán)重威脅。與普通玉米相比，鮮食玉米植株鮮嫩，果穗含糖量高，更受到草地貪夜蛾的偏愛，大量噴施化學(xué)農(nóng)藥會引發(fā)消費者對于食品安全的擔(dān)憂。因此挖掘抗性資源，培育抗蟲的鮮食玉米品種是解決鮮食玉米抗草地貪夜蛾的根本途徑。本研究利用草地貪夜蛾大暴發(fā)的自然發(fā)生環(huán)境，選取了28個不同類型的鮮食玉米品種，通過對其葉部受害級別、果穗產(chǎn)量損失進(jìn)行調(diào)查研究，并進(jìn)行室內(nèi)飼喂試驗觀察幼蟲發(fā)育情況，初步探究了這些品種對草地貪夜蛾的抗性水平，為抗性品種的培育提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗選用28份不同類型的玉米品種，其中甜玉米10份（‘粵甜26號’‘粵甜28號’‘粵甜40號’‘粵甜41號’‘粵白甜2號’‘粵美甜2號’‘粵甜黑珍珠2號’‘正甜68’‘雪甜7401’‘廣良甜27號’）；甜糯玉米8份（‘粵白甜糯7號’‘粵白甜糯8號’‘粵白甜糯9號’‘粵白甜糯10號’‘粵白甜糯168’‘徽甜糯1號’‘京甜糯807’‘金甜糯663’）；糯玉米10份（‘粵彩糯2號’‘粵鮮糯6號’‘粵白糯6號’‘粵白糯168’‘蘇玉糯5號’‘美玉29號’‘京科糯337’‘京科糯837’‘農(nóng)科糯2000L’‘金糯1913’）。其中粵系列和‘正甜68’為廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所自主選育，其余品種為2020年廣東省區(qū)試參試或?qū)φ掌贩N。

1.2供試蟲源

2021年11月在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院白云試驗基地（23°17'N，113°27'E）采獲草地貪夜蛾幼蟲，放置于養(yǎng)蟲籠（30cm×30cmX30cm）中飼養(yǎng)，籠內(nèi)放置鮮食玉米的幼苗，在人工氣候箱飼養(yǎng)至成蟲階段并使其交配產(chǎn)卵，孵化的初孵幼蟲為室內(nèi)研究的試驗蟲源。培養(yǎng)條件為：光照強度300001x，溫度25℃，濕度60%，光照周期L∥D=16h∥8h。

1.3田間種植情況

28個鮮食玉米品種于2021年7月播種于廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院白云試驗基地。采取防治和不防治草地貪夜蛾兩個處理，防治區(qū)和不防治區(qū)間隔11.6m。每個品種種植2行，行長5m，行距65cm，株距30cm，保苗30株以上，設(shè)3個重復(fù)，四周設(shè)置保護行。按照常規(guī)玉米生產(chǎn)田進(jìn)行田間管理。不防治組利用草地貪夜蛾自然為害，在玉米生長過程中不采取任何防治措施，讓自然發(fā)生的草地貪夜蛾持續(xù)為害玉米。防治組則在玉米生長過程中噴施5%甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽懸浮劑（佛山市高明區(qū)萬邦生物有限公司）和200g/L氯蟲苯甲酰胺懸浮劑（美國杜邦）的混合制劑防治幼蟲，制劑用量分別為300mL/hm2和225mL/hm2。藥劑防治共實施5次，前4次分別在苗期、拔節(jié)期、小喇叭口期、大喇叭口期，散粉后3天最后一次噴施藥劑。利用性誘劑誘捕成蟲（深圳百樂寶），同時人工摘除蟲卵、捕捉成蟲，保障玉米整個生育期不受到草地貪夜蛾為害。

1.4抗性水平評價

玉米生長發(fā)育至大喇叭口期對葉片被害情況進(jìn)行調(diào)查。逐株調(diào)查每個品種和每個植株的葉片被害程度對其進(jìn)行評級，計算該品種葉片的受害級別平均值，確定其心葉期的抗性水平。葉片受害級別及其抗性評價標(biāo)準(zhǔn)見表1和表2。

1.5產(chǎn)量損失計算

散粉后23d收獲玉米鮮穗。每個小區(qū)按順序收獲玉米鮮穗10穗，對防治處理和不防治處理的玉米品種分別稱重。以平均單穗重計算產(chǎn)量損失。

1.6不同玉米品種對草地貪夜蛾幼蟲生長發(fā)育的影響

取20粒玉米種子浸泡過夜，待種子充分吸脹后播種于花盆內(nèi)（直徑15cm，高15cm）放置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。生長期間去除長勢不好的幼苗，每盆保留10株，待玉米長至三葉一心期，每個品種接30頭初孵幼蟲。接蟲后將玉米苗放置于養(yǎng)蟲籠中（30cmX30cm×30cm）。每日8：30與17：30觀察幼蟲生長發(fā)育情況，記錄幼蟲從1齡到化蛹的發(fā)育時間。試驗設(shè)置3次生物學(xué)重復(fù)。培養(yǎng)條件為：光照強度30000 lx，溫度25℃，濕度60%，光照周期L∥D=16h∥8h。

1.7數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理分析。用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，用ANOVA對不同類型鮮食玉米的受害級別、產(chǎn)量損失和幼蟲歷期進(jìn)行比較，用Pearson相關(guān)系數(shù)法對受害級別、產(chǎn)量損失和幼蟲歷期進(jìn)行相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

2.1 28個鮮食玉米品種的抗性水平、產(chǎn)量損失及對幼蟲發(fā)育歷期的影響

28個鮮食玉米品種受草地貪夜蛾為害后的受害級別、抗性水平、產(chǎn)量損失及室內(nèi)飼喂結(jié)果如表3所示。在喇叭口期對葉片損傷程度進(jìn)行統(tǒng)計分析，28個品種中無高抗及抗蟲品種，中抗品種12個，感蟲品種15個，高感品種1個，分別占鑒定資源總數(shù)的42.86%、53.57%和3.57%。中抗品種中甜玉米品種2個，甜糯品種4個，糯玉米品種6個，分別占各類參試玉米品種的20%、50%和60%。

草地貪夜蛾為害后，28個品種的產(chǎn)量變化均達(dá)到了顯著水平（P<0.05），產(chǎn)量損失為8.30%～40.93%，‘農(nóng)科糯2000L’產(chǎn)量損失最低，‘徽甜糯1號’產(chǎn)量損失最高。甜玉米產(chǎn)量損失為10.07%～34.40%，甜糯玉米品種產(chǎn)量損失為13.32%～40.93%，糯玉米品種產(chǎn)量損失為8.30%～32.92%。

對三葉一心期的玉米接種草地貪夜蛾1齡幼蟲，觀察記錄草地貪夜蛾取食不同品種玉米幼苗葉片后的發(fā)育過程。經(jīng)統(tǒng)計，草地貪夜蛾1～6齡幼蟲的發(fā)育歷期為11.29～15.31d，歷期最短為‘粵鮮糯6號’和‘美玉29號’處理，最長為‘粵甜40號’處理。其中在甜玉米上草地貪夜蛾發(fā)育歷期為11. 88～15.31d，甜糯玉米上為12.46～13.71d，糯玉米上為11.29～15.20d。

2.2不同類型玉米品種的葉部受害級別、產(chǎn)量損失及對幼蟲發(fā)育歷期的影響

如表4所示，草地貪夜蛾對甜玉米、甜糯玉米、糯玉米葉片造成的受害級別分別為6.2、5.9和5.9，三類鮮食玉米無顯著差異；對甜玉米、甜糯玉米、糯玉米造成的產(chǎn)量損失分別為26.65%、25.84%和19.97%，三類鮮食玉米無顯著差異；三種類型的玉米喂食草地貪夜蛾，幼蟲發(fā)育平均歷期分別為12.97、13.09d和13.19d，三類鮮食玉米也無顯著差異。結(jié)果表明，鮮食玉米葉片的受害級別、產(chǎn)量損失和幼蟲發(fā)育歷期的差異與品種類型無關(guān)。

2.3葉片受害級別、產(chǎn)量損失及幼蟲發(fā)育歷期的關(guān)系

對不同類型玉米品種葉片受害級別、產(chǎn)量損失和幼蟲發(fā)育歷期進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。甜玉米、糯玉米的葉片受害級別與產(chǎn)量損失呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.610和0.790。甜糯玉米的葉片受害級別與產(chǎn)量損失無相關(guān)性。甜玉米、甜糯玉米、糯玉米的葉片受害級別與幼蟲的發(fā)育歷期無相關(guān)性，產(chǎn)量損失與幼蟲發(fā)育歷期無相關(guān)性。

3結(jié)論與討論

20世紀(jì)80、90年代，一些育種學(xué)家已經(jīng)開展抗草地貪夜蛾玉米材料的篩選和品種培育工作，培育出‘MP409’‘MP70l_Mp708’‘MP713’‘MP714’和‘MP716’等一系列抗蟲自交系。但隨著轉(zhuǎn)Bt基因玉米成功解決了品種抗蟲的問題，相關(guān)工作被擱置。草地貪夜蛾成為全球性重大害蟲后，不同國家對于轉(zhuǎn)Bt基因玉米的接受程度不同，利用玉米自身的抗蟲基因進(jìn)行抗蟲品種選育被重新提上日程?？夏醽啞⒖溌?、津巴布韋、贊比亞、南非等非洲國家先后對本國的種植面積較大的玉米品種對草地貪夜蛾的抗性情況進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)少數(shù)品種具有抗蟲性。2017年-2020年，國際玉米小麥改良中心（Centro Internacional de Mejoramientode MaizyTrigo，CIMMYT）通過IRMA（Insect-ResistantMaize for Africa）項目在肯尼亞基博科（Kiboko，Kenya）對6000多份玉米材料進(jìn)行了抗草地貪夜蛾的人工接種鑒定，成功篩選出一系列抗蟲材料；CRUBELATI-MULATI等對巴西的10份甜玉米資源進(jìn)行鑒定，其中5份表現(xiàn)出一定程度的抗蟲性。我國學(xué)者近兩年開始對國內(nèi)玉米材料和品種對草地貪夜蛾的抗性開展評估，發(fā)現(xiàn)了一個抗蟲自交系‘Xi502’，張楠等在54份鮮食玉米資源中發(fā)現(xiàn)1個在葉片和果穗表現(xiàn)出中抗水平的甜糯玉米品種‘粵五彩甜糯’。

戴釬萱等用3個甜玉米和3個糯玉米品種的葉片飼養(yǎng)草地貪夜蛾，發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾在甜玉米品種上生存適合度最高。楊亞軍利用甜玉米、糯玉米、甜糯玉米和普通玉米4種不同類型玉米喂食草地貪夜蛾幼蟲，發(fā)現(xiàn)4種玉米葉片對草地貪夜蛾的生長發(fā)育和繁殖無顯著影響。本研究中的鮮食玉米品種來源于3種不同類型：甜玉米、甜糯玉米和糯玉米，盡管心葉期抗性達(dá)到中抗水平品種的占比為糯玉米>甜糯玉米>甜玉米．但3種類型的玉米葉片受害級別、產(chǎn)量損失和草地貪夜蛾幼蟲的發(fā)育歷期均無顯著差異?？剐运?、產(chǎn)量損失和幼蟲發(fā)育歷期的差異是由品種本身差異造成的，與品種類型無關(guān)。

在供試的28個鮮食玉米品種中，甜玉米品種‘正甜68’、糯玉米品種‘粵白糯168’和‘農(nóng)科糯2000L’，葉片表現(xiàn)出中抗，且果穗產(chǎn)量損失較少。甜玉米、糯玉米品種葉片受害級別與產(chǎn)量損失存在一定程度的正相關(guān)。但甜糯玉米品種的葉片受害級別與產(chǎn)量損失卻無相關(guān)性，比如‘徽甜糯1號’和‘金甜糯663’，盡管在葉部表現(xiàn)為中抗，但果穗產(chǎn)量損失卻較高。特別是‘徽甜糯1號’在28個品種中產(chǎn)量損失最高，達(dá)到了40.93%。這可能是由于甜玉米、糯玉米果穗籽粒組成單一，而甜糯玉米籽粒由甜玉米和糯玉米籽粒按照1：3的比例混合組成，造成果穗產(chǎn)量損失的因素更為復(fù)雜。不論是甜玉米、甜糯玉米還是糯玉米，葉片受害級別和產(chǎn)量損失均與取食苗期玉米葉片的草地貪夜蛾幼蟲的發(fā)育歷期無相關(guān)性。這與Kasoma等的調(diào)查結(jié)果相似，即玉米早期的葉片損傷程度與產(chǎn)量不相關(guān)，中后期功能葉片的損傷程度與產(chǎn)量相關(guān)。

本研究采用苗期玉米室內(nèi)飼養(yǎng)草地貪夜蛾的方法觀察幼蟲整個發(fā)育歷期，田間調(diào)查的喇叭口期和果穗期草地貪夜蛾幼蟲的組成更為復(fù)雜，為不同齡期的幼蟲復(fù)合為害。此外，1～3齡的低齡幼蟲和4～6齡的高齡幼蟲均可為害心葉，而果穗多為高齡幼蟲為害，且為害心葉和果穗的幼蟲并非同一世代，因此僅憑葉片受害級別不能夠完全預(yù)測鮮食玉米的產(chǎn)量損失。不同組織的結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分影響著草地貪夜蛾的適合度，葉片的厚度、硬度、絨毛密度、纖維素、半纖維素的含量、細(xì)胞壁的厚度、維管束密度等形態(tài)和生理特征影響著葉片的損傷程度，苞葉緊實度、果穗的香味、籽粒的甜度、果皮厚度等因素影響著果穗的產(chǎn)量損失。本試驗中的品種‘粵甜41號’葉片達(dá)到中抗水平，該品種果穗包裹緊實，草地貪夜蛾不能鉆入果穗但可咬斷花絲，使籽粒不能正常授粉結(jié)實，影響了果穗的產(chǎn)量?！浱?8號’‘粵甜黑珍珠2號’的部分果穗被草地貪夜蛾幼蟲啃食后，感染了穗粒腐病，進(jìn)一步影響了果穗的質(zhì)量和產(chǎn)量。

近年來對抗草地貪夜蛾的材料進(jìn)行抗蟲機制的解析表明，與感蟲品種相比，‘Mp708’體內(nèi)茉莉酸（JA）和揮發(fā)性萜類物質(zhì)（terpenoids） （E）-β-caryo-phyllene含量更高；抗鱗翅目害蟲玉米被草地貪夜蛾幼蟲取食后，心葉中的一種33 kD的半胱氨酸蛋白酶含量會明顯增加，而‘Xi502’葉片中則具有較高含量的苯并惡唑嗪酮類化合物（benzoxazi-noids）。Kamweru等對424份DH系材料人工接草地貪夜蛾幼蟲，對葉片受害、果穗受害和產(chǎn)量損失進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide associationstudy，GWAS）共獲得56個與抗性相關(guān)的SNPs，Womack等在抗蟲自交系‘MP705’中定位到2個主效QTL，可解釋35.7%的表型變異，其中位于bin9.03的位點與2018年的定位結(jié)果一致。這些研究結(jié)果表明，挖掘玉米自身的抗蟲基因，應(yīng)用分子標(biāo)記輔助選擇或者全基因組選擇的方法聚合抗蟲基因提高品種的抗性，具有巨大的潛力。我國應(yīng)繼續(xù)對現(xiàn)有材料進(jìn)行抗蟲性鑒定，同時引進(jìn)國外已經(jīng)鑒定的具有抗蟲性的種質(zhì)資源，培育具有持久抗性的品種。