L-阿拉伯糖對鋸谷盜成蟲毒殺作用及其過冷卻點和冰點的影響

盧少華, 劉嘉澍, 王爭艷, 魯玉杰, 2

(河南工業大學糧食和物資儲備學院1,鄭州 450001) (江蘇科技大學糧食學院2,鎮江 212100)

作為產糧大國,我國的糧食總產量已連續7年保持在1.3萬億斤以上[1]。原糧及成品糧儲備安全不僅是糧食安全體系的基礎,更是食品安全體系中至關重要的組成部分[2]。國家糧食和物資儲備局的統計數據顯示,我國糧食在儲藏、運輸和加工等產后環節損失量驚人,每年損失在700億斤以上[3]。而蟲霉為害是導致糧食產生損耗的主要原因之一,也是糧食倉儲保管工作中必須解決的問題。鋸谷盜Oryzaephilussurinamensis屬鞘翅目Coleoptera,鋸谷盜科Silvanidae,是一種重要的儲藏物害蟲,其適應能力強,繁殖速度快,常發生于糧倉和食品加工廠中,可為害糧食、油料、中草藥、干果等多種儲藏物[4, 5]。由于產品的特殊性和害蟲發生環境的復雜性,傳統的化學藥劑防治儲藏物害蟲面臨的挑戰越來越嚴峻,尋找安全、高效、綠色的儲藏物害蟲防治技術已迫在眉睫。

L-阿拉伯糖又稱為果膠糖、樹膠全糖,是一種天然的低熱量單糖,食品中常作為蔗糖的代糖[6]。其外觀與蔗糖相似,甜度是蔗糖甜度的二分之一,但被動物攝入后基本不產生熱量,不參與動物的代謝[7]。已有研究表明,L-阿拉伯糖具有引誘昆蟲取食的作用。例如通過分析埃及伊蚊Aedesaegypti、地中海粉螟Ephestiakuehniella對多種碳水化合物糖餐的選擇行為,發現兩者對含有阿拉伯糖的糖餐具有明顯的取食偏好性[8,9]。在研究野螟亞科昆蟲Uresiphitagilvata的幼蟲取食偏好性中發現,人工飼料中被消耗最多的碳水化合物是阿拉伯糖[10]。然而L-阿拉伯糖對昆蟲的生長發育是不利的,甚至對昆蟲具有毒殺作用。例如B型煙粉虱Bemisiatabaci取食添加質量分數10%L-阿拉伯糖的人工飼料后,3齡若蟲停止發育,不再蛻皮[11]。而用添加質量分數5%、10%L-阿拉伯糖的人工飼料飼喂煙粉虱后,B型和Q型煙粉虱成蟲的死亡率均顯著高于對照組[12, 13]。隨著人工飼料中L-阿拉伯糖的質量分數增加,棉鈴蟲幼蟲的生育期逐漸延長,幼蟲和蛹的體型變小[14]。而在由蔗糖和硼酸組成的胰酪大豆胨液體培養基(TSB)中添加L-阿拉伯糖也會降低埃及伊蚊的存活率[8]。由此可見,L-阿拉伯糖對哺乳動物無害,但對昆蟲卻有一定的毒殺作用。

糖是維持昆蟲生命活動的重要能量來源,也是刺激昆蟲取食的重要信號物質之一。L-阿拉伯糖廣泛存在于粗糧皮殼、水果中,通過抑制昆蟲腸道內蔗糖酶的活性,從而抑制昆蟲對蔗糖的吸收和代謝[15]。L-阿拉伯糖對人畜無害,作為減肥藥和食品添加劑已被大眾廣泛接受。而作為一種具有應用潛力的綠色殺蟲劑,L-阿拉伯糖對儲藏物害蟲的影響鮮有研究報道。因此,本研究擬通過比較L-阿拉伯糖對鋸谷盜存活率、抗氧化酶活性、過冷卻點和冰點的影響,探索利用L-阿拉伯糖防治儲藏物害蟲的可行性和可靠性,為利用L-阿拉伯糖對儲藏物害蟲進行安全綠色防控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試昆蟲:鋸谷盜O.surinamensis于河南工業大學儲藏物昆蟲實驗室以全麥粉標準化飼養了數十代,飼養條件為:溫度29～31 ℃,濕度70%～80%,光周期L∶D=24∶0。隨機選取新羽化3 d內的鋸谷盜成蟲用于實驗。

試劑及儀器:L-阿拉伯糖,谷胱甘肽S-轉移酶(GST)試劑盒,過氧化氫酶(CAT)活性檢測試劑盒。酶標儀,SUN-V型智能昆蟲過冷卻點測定儀,全自動樣品快速研磨儀,5430R冷凍高速離心機,GSP-9160MBE型隔水式恒溫培養箱。

1.2 實驗方法

1.2.1 人工飼料的制備

取0.5 gL-阿拉伯糖溶解于適量無菌水中,與9.5 g滅菌的全麥粉充分混勻后,置于50 ℃烘箱中烘干,后用研缽將其粉碎研磨,得到含質量分數5%L-阿拉伯糖的人工飼料。用此方法配成含質量分數2%、4%、6%、8%、10%、15%、20%L-阿拉伯糖的人工飼料。

1.2.2 鋸谷盜的死亡率測定

分別取含不同質量分數L-阿拉伯糖(5%、10%、15%、20%)的人工飼料和不添加L-阿拉伯糖的全麥粉各1 g,放入涂有聚四氟乙烯的養蟲盒內,不同糖含量處理重復6次。每個養蟲盒內放入隨機挑選新羽化3 d內的鋸谷盜成蟲50頭。觀察記錄取食72 h后的鋸谷盜成蟲存活情況,計算鋸谷盜的校正死亡率。

1.2.3 鋸谷盜的酶活性變化測定

將1.2.2中存活的試蟲分組收集到滅菌后的1.5 mL離心管中,各酶活測定分別隨機選用同等條件處理的3組試蟲進行,并用無菌水洗滌數次,然后加入試劑盒中的緩沖溶液,并將離心管置于預冷過的樣品快速研磨儀中將試蟲粉碎,后8 000 g離心10 min,置于冰上待測。將酶標儀預熱30 min以上后,調節波長至240 nm測定CAT活性,340 nm測定GST活性,并在測定前使用蒸餾水調零,并將酶活性檢測工作液置于25 ℃水浴10 min以上。在96孔UV板上依次加入樣本液及工作液,按照試劑盒說明書要求記錄不同時間的吸光值,計算相應的酶活性。檢測酶活性時每個重復進行5次檢測,以保證實驗數據的可靠性。CAT活性單位的定義:每g組織在反應體系中每分鐘催化1 μmol H2O2降解定義為1個酶活性單位;GST活性單位的定義:在25 ℃中,每g樣本每分鐘催化1 μmol CDNB與GSH結合為一個酶活性單位。

1.2.4 過冷卻點、冰點變化的測定

分別取含不同質量分數L-阿拉伯糖(2%、4%、6%、8%、10%)的人工飼料和不添加L-阿拉伯糖的全麥粉各1 g,放入涂有聚四氟乙烯的養蟲盒內,不同糖含量處理重復3次。每個養蟲盒內放入隨機挑選新羽化3 d內的鋸谷盜成蟲50頭放入養蟲盒內。隨機選取取食72 h的鋸谷盜活成蟲30頭測定過冷卻點和冰點。測定方法參考段云等[16]和張悅等[17]的方法,采用智能昆蟲過冷卻點測定儀(SUN-V型)及配套軟件測定過冷卻點和冰點。測定時先將待測蟲體放置在離心管內,將熱敏探頭導線塞進離心管,用少量脫脂棉固定,使熱敏探頭緊貼蟲體,置于低溫冰箱中,通過熱敏電阻元件跟蹤記錄蟲體的溫度變化,用計算機及其配套軟件進行記錄和分析,繪制蟲體溫度變化曲線,確定過冷卻點和冰點。待測蟲體溫度下降后突然回升的拐點溫度即是該試蟲的過冷卻點,隨著待測蟲體溫度上升而出現下降趨勢的拐點溫度為該試蟲的冰點。

1.3 數據處理

使用SPSS20.0軟件進行數據統計分析。首先檢測數據方差齊性和正態性,不符合正態分布的數據進行平方根反正弦轉換。采用單因素方差分析(One Way ANOVA)評價鋸谷盜的死亡率、CAT活性、GST活性、過冷卻點和冰點,當方差差異顯著時再用Duncan’s新復極差法對平均值進行多重比較。差異性顯著水平設置為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 L-阿拉伯糖對鋸谷盜成蟲死亡率的影響

通過對鋸谷盜飼喂不同質量分數L-阿拉伯糖的人工飼料發現,低質量分數的L-阿拉伯糖(5%、10%)對鋸谷盜的死亡率沒有顯著的影響,校正死亡率分別為3.46%、6.56%。而隨著飼料中L-阿拉伯糖質量分數的增大,鋸谷盜的死亡率也越來越高,鋸谷盜取食質量分數為15%和20%L-阿拉伯糖的人工飼料后,鋸谷盜成蟲的校正死亡率分別為21.04%、39.66%,顯著高于對照組和低L-阿拉伯糖濃度處理組,比對照組的死亡率分別提高了17.71%、36.33%。含高質量分數的L-阿拉伯糖飼料能顯著提高鋸谷盜的死亡率。

已有的研究表明L-阿拉伯糖能夠抑制動物體內蔗糖代謝相關酶類的活性,而使動物體內沒有充足可供吸收的葡萄糖或果糖,進而對其生長發育產生了一定的影響[7, 18, 19]。目前,L-阿拉伯糖在食品和藥品等行業中被大量使用,具有降低血糖、改善腸道功能與腸道菌群的作用[20]。已有研究表明L-阿拉伯糖是埃及伊蚊[7]、地中海粉螟[9]、野螟亞科昆蟲Uresiphitagilvata[10]等的引誘劑或激食劑;但對于取食次數較少的煙粉虱[12, 13]、棉鈴蟲Helicoverpaarmigera、煙草夜蛾Helicoverpaassulta、黑胸散白蟻Reticulitermeschinensis[15],L-阿拉伯糖可能被認為是一種拒食劑。而無論是作為引誘劑、激食劑或拒食劑,L-阿拉伯糖對某些昆蟲的確具有潛在的抑制發育或殺蟲作用。Sun等[15]報道了L-阿拉伯糖可以抑制棉鈴蟲幼蟲的攝食和腸道蔗糖酶的活性,這直接導致昆蟲生長發育所需能量的不足,從而導致昆蟲生長發育歷期延長、蛹重減輕、羽化率降低、死亡率升高等不良影響。通過比較L-阿拉伯糖對鋸谷盜存活率的影響發現,高質量分數的L-阿拉伯糖直接導致鋸谷盜的死亡率顯著增加,說明了L-阿拉伯糖對鋸谷盜成蟲的確具有致死作用。并且已有研究證明較低質量分數的L-阿拉伯糖就能降低埃及伊蚊的存活率[8],而5%以上的L-阿拉伯糖可以造成B型和Q型煙粉虱種群100%的死亡[11, 12]。昆蟲種類、個體大小、取食方式和生活環境的不同,可能是導致L-阿拉伯糖殺蟲效果不同的原因。

注:圖中數據為平均數±標準誤。不同字母表示差異顯著(ANOVA,Duncan檢驗,P<0.05)。

2.2 L-阿拉伯糖對鋸谷盜成蟲CAT、GST活性的影響

如表1所示,通過測定取食含不同質量分數L-阿拉伯糖飼料的鋸谷盜抗氧化酶活性發現,鋸谷盜取食質量分數10%、15%、20%L-阿拉伯糖的人工飼料后,體內的CAT活性均顯著升高(P<0.05),并且在取食15%L-阿拉伯糖的飼料后,試蟲的CAT活性最高,約是對照組的2倍,并且顯著高于質量分數10%、20%L-阿拉伯糖處理組的CAT活性(P<0.05)。而鋸谷盜取食含有不同質量分數的L-阿拉伯糖的人工飼料后,體內的解毒酶GST活性均顯著降低(P<0.05),并且隨著飼料中L-阿拉伯糖質量分數的增大,GST活性逐步降低,GST活性在L-阿拉伯糖質量分數為20%時最低(P<0.05),約為對照組的1/2。

表1 飼喂不同質量分數L-阿拉伯糖后鋸谷盜過冷卻點和冰點的變化

注:圖中數據為平均數±標準誤。不同大寫字母表示CAT活性差異顯著性,不同小寫字母表示GST活性差異顯著性(ANOVA,Duncan檢驗,P<0.05)。

L-阿拉伯糖通過抑制昆蟲體內海藻糖酶、麥芽糖酶和淀粉酶活性,導致昆蟲體內能源物質和營養物質無法得到正常的供給,對昆蟲的生長發育產生嚴重的不利影響[15]。而昆蟲體內的保護酶和解毒酶活性的變化與昆蟲所受外界刺激的強度密切相關,能夠反映昆蟲對某些藥劑的耐藥性或對不良環境的適應性。過氧化氫酶(CAT)是生物體內在抗氧化和細胞損傷等方面起著重要作用的保護酶,廣泛存在于昆蟲體內[21]。谷胱甘肽-S-轉移酶(GST)可以促使昆蟲體內還原型谷胱甘肽(GSH)和外來毒性化合物反應,產生更容易溶解的可排泄化合物排出體外,是昆蟲體內重要的解毒酶[22-24]。殺蟲劑能夠導致昆蟲體內CAT活性上升和GST活性下降,例如隨著吡蟲啉濃度的增加,赤子愛勝蚓Eiseniafetida的CAT活性逐步升高[25];隨著蓖麻堿處理濃度的增加,甜菜夜蛾Spodpteraexigua幼蟲體內GST活性逐步下降[26];隨著八角茴香提取物施用的劑量升高,玉米象Sitophiluszeamais體內的GST活性受到的抑制作用就越大[27]。而隨著人工飼料中L-阿拉伯糖質量分數的增加,鋸谷盜體內的CAT活性增大,而GST活性降低,說明L-阿拉伯糖對儲藏物昆蟲的抗氧化酶活性有顯著影響。

2.3 L-阿拉伯糖對鋸谷盜成蟲過冷卻點和冰點的影響

如表1所示,通過測定取食不同質量分數L-阿拉伯糖人工飼料鋸谷盜的過冷卻點和冰點發現,鋸谷盜成蟲體液的過冷卻點和冰點溫度均顯著性提高。隨著飼料中L-阿拉伯糖質量分數的增大,鋸谷盜成蟲體液的過冷卻點逐步升高,在飼料中L-阿拉伯糖質量分數為8%時,鋸谷盜成蟲體液的過冷卻點升高最大且顯著高于其他處理組,比對照組升高了3.83 ℃(P<0.05)。鋸谷盜成蟲體液的冰點隨著飼料中L-阿拉伯糖質量分數的增大而上升,在飼料中L-阿拉伯糖質量分數為8%時,鋸谷盜成蟲體液的冰點較其他處理組顯著升高,比對照組升高了3.43 ℃(P<0.05)。

過冷卻點和冰點是衡量昆蟲耐寒性的重要指標,過冷卻點和冰點越高的昆蟲對低溫的適應能力越差[28]。過冷卻點和冰點會受環境、發育階段、營養等多種因素的影響[29]。L-阿拉伯糖提高鋸谷盜的過冷卻點和冰點,可能是其抑制了鋸谷盜利用海藻糖、麥芽糖和淀粉的正常代謝,體內能源物質和營養物質無法得到正常的供給,進而導致耐低溫能力降低。

3 結論

隨著人工飼料中L-阿拉伯糖質量分數的增大,鋸谷盜成蟲的死亡率逐步增大,低質量分數的L-阿拉伯糖(5%、10%)對鋸谷盜的死亡率沒有顯著的影響,而高質量分數的L-阿拉伯糖(15%、20%)直接導致鋸谷盜的死亡率顯著增加,說明L-阿拉伯糖對鋸谷盜成蟲的確具有一定致死作用。并且L-阿拉伯糖顯著影響了鋸谷盜的抗氧化酶CAT和解毒酶GST的活性,這2種酶對昆蟲抗逆境脅迫和解毒至關重要,L-阿拉伯糖對鋸谷盜具有一定的毒殺作用。鋸谷盜取食含L-阿拉伯糖的飼料后,過冷卻點和冰點均有明顯上升,降低了鋸谷盜對低溫的抵抗能力。總的來說,L-阿拉伯糖對鋸谷盜具有防治效果,是一種有應用前景的儲藏物害蟲殺蟲劑的替代品。