棉長管蚜危害對棉花生理生化及其相關防御酶的影響

張玉棟，吳 娜，蔡曉虎，史亞輝，王俊剛

(石河子大學農學院/新疆綠洲農業病蟲害治理與植保資源利用重點實驗室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】隨著轉Bt基因抗蟲棉的大面積種植，棉田生態環境發生改變，棉鈴蟲和其他鱗翅目害蟲發生得到控制，但棉蚜、棉葉螨、棉盲蝽等刺吸式害蟲發生越來越嚴重，已經上升為棉田的主要防治害蟲[1, 2]。【前人研究進展】不同于咀嚼式昆蟲，刺吸式昆蟲的取食不會使宿主植物葉片產生缺痕，給宿主植物造成的傷口極微小，會將取食過程中對宿主植物造成的損傷降到最低。即使其采用特殊的取食方式降低了對宿主植物的損傷，但當其高密度、長時間取食時，也會引起宿主植物生理生化狀態發生改變[3]。有研究表明，蚜蟲在試探取食時，只會對植物篩管細胞造成輕微傷害，不會引起植物的強烈反應[4]，但是當其找到合適的取食位點后可以連續取食幾個小時甚至幾天[5]，誘導植物體內營養物質(可溶性糖、可溶性蛋白)、光合代謝相關物質(葉綠素、類胡蘿卜素)及次生代謝物質(丙二醛)等生理生化狀態發生改變[6, 7]。自由基作用于脂質發生過氧化反應，產生的丙二醛還能加劇細胞膜的損傷。植物為了減少次生代謝過程中產生的自由基、丙二醛等帶來的損傷，ROS系統中過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)等酶活性發生變化，來提升植物的防御能力[8, 9, 10]。植物可以通過改變體內營養代謝和ROS系統中抗氧化酶及抗氧化物質來抵御昆蟲的取食。【本研究切入點】棉長管蚜在北疆地區一般為4月底至5月初出現有翅蚜(南疆4月中旬出現有翅蚜)，主要危害苗期[11]，棉蚜一般在5月開始進入棉田，以中后期危害為主[12]。棉長管蚜種群數量在短時間內有較大變化，且苗期有棉長管蚜發生的棉田，中后期棉蚜的發生程度要比苗期無蚜害發生的棉田輕。預試驗中也發現棉長管蚜實驗室種群在棉苗上種群數量短時間內有較大的變化。分析棉長管蚜的危害會引起棉花生理生化變化對棉花防御系統的影響。【擬解決的關鍵問題】研究棉長管蚜危害對棉花營養物質(可溶性糖、可溶性蛋白)、光合作用相關物質(葉綠素、類胡蘿卜素)、次生代謝物質(丙二醛)及ROS系統關鍵酶(CAT、SOD、POD)活性變化，為棉田蚜蟲的生物防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 棉花品種

棉花品種為新陸早44號，棉種于55℃浸泡1 h后，置于常溫環境催芽12 h；待棉種露白后種植于塑料盆(高12 cm，直徑10 cm)中，以蛭石作為基質，定期澆灌營養液。將播種好的花盆置于人工培養箱培養。培養條件：00:00～08:00：24℃，08:00～24:00：27℃，L∶D=16 h∶8 h。當棉苗長至2片真葉時開始試驗。

1.1.2 棉長管蚜

棉長管蚜采集于石河子大學農學院試驗站棉田。接種在實驗室培養箱中的棉苗上，擴大種群用于保種和試驗所需。

1.1.3 試劑及儀器

乙醇，天津市致遠化學試劑有限公司；三氯乙酸，光復研究所；硫代巴比妥酸，南京建康化學制劑有限公司；可溶性糖、可溶性蛋白、SOD、POD、CAT檢測試劑盒，均為南京建成生物工程研究所產品。UV-1800日本島津紫外可見分光光度計，日本島津公司；電熱恒溫水浴鍋，北京長安科學儀器廠；玻璃勻漿器，上海壘固儀器有限公司；高速冷凍離心機，上海安亭科學儀器廠；LQP-B-4型制冰機，上海安亭科學儀器廠。

1.1.4 棉花營養液

棉花營養液配方：KNO3：0.2 g/L、KH2PO4：0.2 g/L、FePO4：0.1 g/L、Ga(NO3)2：0.8 g/L、MgSO4：0.2 g/L。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

選取生長狀況相近(2片真葉+2片子葉)的棉苗420株，分為7組，每組棉苗測定1個指標，依次測定可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素和類胡蘿卜素、丙二醛、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)。每組分為12個處理(依次為不接蚜(1 d、2 d、3 d)、接棉長管蚜5頭/株(1 d、2 d、3 d)、接棉長管蚜10頭/株(1 d、2 d、3 d)、接棉長管蚜15頭/株(1 d、2 d、3 d))，每個處理5株棉苗，棉苗接蚜后籠罩，置于人工培養箱中進行危害處理。

1.2.2 指標測定

待每個處理的棉長管蚜危害結束后，去除棉長管蚜并收集棉苗真葉用于測定相關指標。用相關試劑盒測定可溶性糖、可溶性蛋白的含量，及過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶的活性。葉綠素和類胡蘿卜素含量測定采用95%酒精浸提法；丙二醛( MDA) 含量測定采用硫代巴比妥酸法。

1.3 數據處理

所有原始數據在Excel 2007中進行整理，采用SPSS 20.0統計軟件進行方差分析和多重比較(LSD法)，P<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 棉長管蚜危害對棉花可溶性糖含量的影響

研究表明，除5頭/株棉長管蚜危害1 d、2 d和10頭/株棉長管蚜危害1 d的棉花葉片中可溶性糖含量與未受害棉花差異不顯著外(P>0.05)，其余各處理棉花葉片中可溶性糖含量均顯著高于未受害棉花(P<0.05)。棉花葉片中可溶性糖含量隨著棉長管蚜危害時間的延長而增加，危害3 d后各密度棉長管蚜危害的棉花葉片中可溶性糖含量均高于危害1和2 d的棉花。棉長管蚜危害相同時間后，棉花葉片中可溶性糖含量隨著棉長管蚜密度的增加而增加，且各密度棉長管蚜危害棉花3 d后，棉花葉片中可溶性糖含量差異性顯著(P<0.05)，15頭/株棉長管蚜危害不同時間段后的棉花葉片中可溶性糖含量均顯著高于其他處理組棉花(P<0.05)。圖1

注：誤差線代表標準偏差(n=3)。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 棉長管蚜危害對棉花可溶性蛋白含量的影響

研究表明，棉花葉片可溶性蛋白含量隨著棉長管蚜危害時間的延長而增加，其中10和15頭/株棉長管蚜危害2和3 d后棉花葉片中可溶性蛋白含量均高于危害1 d的棉花。3種密度棉長管蚜危害棉花1 d后，棉花葉片中可溶性蛋白含量與未受危害棉花均無顯著性差異(P>0.05)。10和15頭/株棉長管蚜危害2和3 d后的棉花葉片中可溶性蛋白含量均差異不顯著(P>0.05)，且顯著高于未受害棉花和棉長管蚜危害1 d的棉花(P<0.05)。圖2

圖 2 棉長管蚜危害下棉花葉片可溶性蛋白變化Fig.2 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on soluble protein in cotton leaves

2.3 棉長管蚜危害對棉花光合色素的影響

2.3.1 棉長管蚜危害對棉花葉綠素含量的影響

研究表明，棉長管蚜不同密度取食對棉花葉片中葉綠素含量沒有顯著性影響(P>0.05)。棉花葉片中葉綠素含量隨棉長管蚜危害時間的延長呈現下降趨勢。圖3

圖 3 棉長管蚜危害下棉花葉片葉綠素含量變化Fig.3 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on chlorophyll in cotton leaves

2.3.2 棉長管蚜危害對棉花類胡蘿卜素含量的影響

研究表明，棉長管蚜危害1 d時，棉花葉片中類胡蘿卜素含量變化與棉長管蚜的密度沒有顯著相關性；當棉長管蚜危害2和3 d時，棉花葉片中類胡蘿卜素含量隨著棉長管蚜密度增大而升高，且10和15頭/株棉長管蚜危害棉花葉片中類胡蘿卜素含量均顯著高于對照組棉花(P<0.05)。圖4

圖 4 棉長管蚜危取食下棉花葉片類胡蘿卜素含量變化Fig.4 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on carotenoids in cotton leaves

2.4 棉長管蚜危害對棉花葉片丙二醛含量的影響

研究表明，棉長管蚜危害1 d時，15頭/株棉長管蚜危害棉花葉片中丙二醛含量顯著高于其他試驗組棉花；取食2 d時，10和15頭/株棉長管蚜危害棉花葉片中丙二醛含量與對照組和5頭/株棉長管蚜危害的棉花相比，均顯著提高(P<0.05)；取食3 d時，10和15頭/株棉長管蚜危害棉花葉片中丙二醛含量均顯著高于對照組和5頭/株棉長管蚜危害的棉花(P<0.05)，且5頭/株棉長管蚜危害棉花葉片中丙二醛含量顯著高于對照組棉花(P<0.05)。圖5

圖 5 棉長管蚜危害下棉花葉片丙二醛含量變化Fig.5 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on MDA in cotton leaves

2.5 棉長管蚜危害對棉花ROS系統酶活性的影響

2.5.1 棉長管蚜危害對棉花CAT活性的影響

研究表明，棉長管蚜的密度和取食時間均對棉花葉片中CAT活性變化有較大影響，棉長管蚜危害1和2 d時，棉花葉片中CAT活性隨棉長管蚜密度增大而提高，且15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中CAT活性顯著高于5和10頭/株棉長管蚜危害的棉花(P<0.05)；當棉長管蚜危害3 d時，3個不同密度棉長管蚜危害的棉花葉片中CAT活性與15頭/株棉長管蚜危害2 d的棉花之間沒有顯著性差異(P>0.05)，且均顯著高于對照組棉花(P<0.05)。圖6

圖 6 棉長管蚜危害下棉花葉片CAT變化Fig.6 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on CAT in cotton leaves

2.5.2 棉長管蚜危害對棉花POD活性的影響

研究表明，棉長管蚜危害1 d時，15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中POD活性顯著高于對照組棉花(P<0.05)，而5和10頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中POD活性與對照組差異不顯著(P>0.05)。棉長管蚜危害2 d時，棉花葉片中POD活性隨棉長管蚜密度增大顯著提高(P<0.05)，5頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中POD活性與對照組差異不顯著(P>0.05)。棉長管蚜危害3 d時，10和15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中POD活性顯著高于對照組和5頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片(P<0.05)。圖7

圖 7 棉長管蚜危害下棉花葉片POD活性變化Fig.7 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on POD in cotton leaves

2.5.3 棉長管蚜危害對棉花SOD活性的影響

研究表明，棉長管蚜危害1 d時，5和10頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中SOD活性與對照組差異不顯著(P>0.05)，15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中SOD活性顯著高于對照組棉花(P<0.05)。棉長管蚜危害2 d時，10和15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中SOD活性均顯著高于對照組和5頭/株棉長管蚜危害的棉花(P<0.05)。棉長管蚜危害3 d時，3個密度棉長管蚜危害的棉花葉片中SOD活性均顯著高于對照組(P<0.05)。5頭/株棉長管蚜危害3 d后棉花葉片中SOD活性與取食1和2 d的棉花相比有所提高，10和15頭/株棉長管蚜危害的棉花葉片中SOD活性呈現出先增加，趨于穩定。圖8

圖 8 棉長管蚜危害下棉花葉片中SOD活性變化Fig.8 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on SOD in cotton leaves

3 討 論

植物有1套高效的生理防御機制。例如，刺吸式昆蟲通過特殊的口器穿透植物組織，在富含營養的韌皮部進行取食，植物為了應對植食性昆蟲這種特殊取食方式帶來的組織損傷和營養流失，會調控生理代謝途徑，改變體內一些可溶性糖類、可溶性蛋白類物質[13-15]。這些物質可以調節滲透壓，保護生物膜成分的穩定，維持植物在蟲害脅迫下仍能正常生長。研究表明，棉花葉片中可溶性糖含量與棉蚜的取食時間和密度都有較大的關系，隨著棉蚜取食時間的延長升高，隨著棉蚜密度的增大而下降[16]。花鈴期棉花葉片中可溶性蛋白含量也會隨著棉蚜取食時間的延長呈顯著的上升趨勢，在80頭/株棉蚜處理10 d后，棉花葉綠素含量與對照棉花相比顯著降低，丙二醛含量呈現出隨著取食時間的延長先升后降的趨勢[17]。研究結果中棉花可溶性糖和可溶性蛋白含量也呈現出隨著棉長管蚜危害時間的延長而升高，且高密度危害條件下棉花中可溶性蛋白含量與低密度危害下的棉花相比上升更快，表現為先上升后趨于平穩的趨勢。棉花葉片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的升高，不僅可以補充因蚜蟲刺吸造成的植物營養損失，還可以改變細胞與組織液間的滲透勢，從一定程度上影響蚜蟲營養吸取，可見，棉花有較好的忍耐蚜害脅迫的能力。

植食性昆蟲的危害會引起植物體營養狀態和組織結構的改變[18]。光合作用是植物獲取能量的重要方式，而光合色素是影響植物進行光合作用的關鍵因子之一。研究在棉長管蚜危害條件下，測定了在光吸收中起主要作用的葉綠素及具有吸收、傳遞光能和保護葉綠素功能的類胡蘿卜素。結果表明，棉長管蚜的取食對棉花葉片中葉綠素的含量沒有顯著性影響，與陳威等[19]在褐飛虱危害后水稻中葉綠素含量會有所下降的結果有所差異，可能與昆蟲取食時間的設定不同有關。而10和15頭/株棉長管蚜危害2和3 d后的棉花葉片中類胡蘿卜素含量顯著高于對照組棉花，可能與其抗氧化、免疫調節、延緩衰老等特殊功能有一定關系。

植食性昆蟲的取食還會造成植物體內自由基產生和清除的動態平衡被破壞，其中自由基與脂質發生過氧化反應，氧化終產物丙二醛不僅會影響線粒體呼吸鏈復合物及線粒體內關鍵酶活性，還會破壞細胞膜，是反映植物受損程度的重要指標之一。研究表明，煙粉虱取食后辣椒葉片中酚類化合物顯著升高[20]，苜蓿蚜刺吸取食過程會導致苜蓿中丙二醛含量升高[21]，綠盲蝽的危害脅迫會導致棉花葉片中丙二醛含量增加[22]。研究表明，棉長管蚜危害會導致棉花葉片中丙二醛含量升高，且棉長管蚜密度越高，棉花葉片中丙二醛含量升高越快，也越早趨于穩定，可能因棉花體內防御系統激活，一定程度上干擾了棉長管蚜的刺吸取食相關。

當植物接收到昆蟲刺吸的信息后，特定的信號開始在植物體內傳導，并促使植物生產抗氧化酶及抗氧化物，如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶等[23- 25]。劉裕強等[26]研究表明，褐飛虱刺吸會導致水稻植株體內脂氧合酶、脂氫過氧化物裂解酶、苯丙氨酸解氨酶的活性顯著升高。黃偉等[21]研究表明，在蚜蟲刺吸誘導過程中，苜蓿中SOD和POD活性表現出先上升后下降的趨勢，PAL活性上升到峰值后趨于穩定，CAT表現為交替的上升下降。張金鋒等[27]研究結果表明，白背飛虱和褐飛虱為害引起稻株體內的SOD、POD、CAT活性的變化不同，與2種蟲子的取食量有一定的相關性。SOD、CAT、POD作為ROS系統調控的3種關鍵酶，可以有效抑制活性氧自由基對機體的傷害，維持植物體內自由基的正常水平及活性氧系統平衡。研究結果表明，棉花中SOD、POD、CAT活性隨著棉長管蚜密度和取食時間的延長，總體呈現出升高趨勢，在危害3 d后高密度棉長管蚜危害的棉花中3種酶活性逐漸趨于穩定。可見，棉長管蚜短時間的取食也可以誘導激活棉花體內的防御系統，可以保護或一定程度上減輕植物受蟲害脅迫下自由基的侵害。棉長管蚜短期的取食可以誘導激活棉花的防御系統，可以對其進一步研究，為棉田蚜蟲的生物防治奠定基礎。

4 結 論

棉長管蚜短時間的取食會引起棉花體內可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛含量的升高，15頭/株棉長管蚜取食3 d后棉花葉片中這3種物質含量分別是對照組棉花葉片的3.81倍、1.72倍、1.88倍，表明棉長管蚜的取食使棉花一定程度上受到損傷。然而對光合作用中關鍵的葉綠素含量沒有顯著影響，具有抗氧化、免疫調節作用的類胡蘿卜素含量有所升高；同時，15頭/株棉長管蚜取食3 d后棉花葉片中SOD、POD、CAT活性分別是對照組棉花葉片的2.11倍、1.52倍、1.53倍。可見，棉長管蚜短期的取食可以誘導激活棉花的防御系統。