硅处理茶树对茶尺蠖取食的调控作用

李荣林， 杨亦扬， 万 青， 李 欢， 胡振民， 李全华， 蒋川花

(1.江苏省农业科学院休闲农业研究所，江苏南京 210014； 2.常州日日春农业科技发展有限公司，江苏常州 213200)

茶尺蠖是目前我国茶区最主要的一种害虫，发生率高，危害严重。茶尺蠖防治方法多样，研究广泛，到目前为止仍然以化学农药防治为主，积极探索新的防治方法和策略依然是这一领域的研究重点[1-3]。

硅(Si)是地壳中最丰富的元素之一，已有研究证实硅是植物生长的必需元素之一[4]。由于硅对水稻的生理作用已较为明确，有关硅对水稻抗虫作用的研究也较多，基本结论认为，施用硅肥对水稻防御二化螟、卷叶螟是有益的[5-6]。

硅对其他植物抗病、抗虫、抗非生物逆境作用的研究也有很多报道[7-8]，硅可以在植物表面形成直接的物理障碍或在植物组织内沉积阻止害虫取食[9-10]。Mccolloch等首先提出，二氧化硅对玉米抗黑森瘿蚊有重要作用[11]，之后研究表明，施用硅肥可增强大多数作物对植食性昆虫的抗性[12-15]。植物吸收的硅可能参与了植物受到生物或非生物胁迫后的生理代谢，通过生理性防卫机制减轻或降低危害，这种防御机制可能与硅作为单一物理屏障的防御机制相互协同，也可能针对不同的胁迫各自发挥主导作用[16-17]。有机硅作为作物生长调理剂，可调节植物的生长发育，提高作物的生长性能，这可能间接影响害虫的取食和繁衍[18-19]。

然而，也有不少研究认为，植物吸收了硅以后对植物抗虫性没有影响。Massey等研究发现，植物硅含量升高并未对蚜虫或粉虱产生不利影响[20-21]。Korndrfer等研究表明，施用硅酸钙增加了5种草坪草的硅含量，但对切叶野螟(Herpetogrammaphaeopteralis)的生长发育没有产生不良影响，也未能降低根部害虫小地老虎(Agrotisypsilon)的嗜食性、适合度以及圆头犀金龟(Cyclocephalaspp.)的虫口密度和虫体质量[22]。有些试验结果表明，硅促进了植食性昆虫种群的增长，如凤梨硅含量与佛州长叶螨(Dolichotetranychusfloridanus)的种群密度之间存在显著正相关关系[23]。因此，植物硅含量对不同取食方式昆虫的抗性难以形成一致性的结论。此外，硅的形态以及使用方式的不同对昆虫也将产生不同的影响，因此利用硅来防控害虫仍值得深入探索，毕竟硅是一种廉价易得，无毒无害的物质。

有关硅作为茶树生长有益元素的作用已有报道，方兴汉等研究茶树矿质营养时指出，硅对茶树的生长有着重要作用[24]。杨凌云研究认为，对茶树单一施硅(500 mg/L)可以促进氨基酸、可溶性糖的合成，但不利于咖啡碱和多酚的积累，若硅铝配施(铝肥1.34 g/kg土，硅肥0.41 g/kg土)能使氨基酸、咖啡碱、茶多酚和可溶性糖含量均达到一个合理水平[25]。硅的这种生长调节作用对于增强茶树的抗性可能是有利的，但硅在茶树害虫防控上是否确实能够发挥一定作用未见明确报道。

鉴于各类硅制剂产品不断出现，硅制剂用于植物病虫害绿色防控的实践也越来越多[26-27]，本研究选取几种不同形态的硅对茶树进行处理，以考察不同类型硅制剂对茶尺蠖生长发育作用效果的差异及其可能的机制。

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

主要试剂有硅酸钠(分析纯，南京化学试剂有限公司，含22.9% Si)、硅鲨(深圳百乐宝生物农业科技有限公司，含 26.7% SiO2，相当于含12.6% Si)、有机硅分散剂(农药助剂，山东百士威农药有限公司，含5 400 mg/L Si)、硅消泡剂(食品级，重庆迎龙化工有限公司，含2 500 mg/L Si)。

供试茶树：迎霜2年生，盆栽(选用上口直径为23 cm，高为19 cm的花盆，下层装10 cm厚茶园土，上层装6～7 cm厚花卉基质，基质由珍珠岩与草炭土按质量比为1 ∶2混合而成)，定期施肥，浇水。于江苏省溧阳市采集茶尺蠖，在室内用龙井43茶树新鲜叶片饲养继代，饲养条件：温度为25 ℃，相对湿度为75%，光—暗周期为16 h—8 h，供试用尺蠖幼虫为室内饲养第2代，选择大小相对一致的3龄幼虫供测试用，取食试验前将幼虫饥饿3 h。

1.2 仪器设备

主要仪器有YMJ-C型叶面积测量仪(浙江托普云农科技股份有限公司)、Microfuge 20离心机(美国Bekman有限公司)、754N紫外可见分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司)。

1.3 硅喷雾处理方法

4种不同形态的硅制品按硅含量一致的原则用水配制成水溶液或悬浊液，本试验中用于喷雾的硅溶液含硅量以Si计算均为200 mg/L。按每棵茶树100 mL的喷液量均匀喷洒于叶片上，同时设置清水对照，每组5棵茶树，施药48 h后采集芽下第2张叶或第3张叶，用打孔器打成直径为1.5 cm的叶盘，用于茶尺蠖取食测试。同时，采集1芽2叶和1芽3叶用于生理生化分析。

1.4 硅溶液叶面浸渍试验方法

同样按硅含量一致的原则将4种硅制剂配制成含 200 mg/L 硅的溶液置于三角瓶中。采集一定数量面积大小接近，未经任何化学处理的芽下第2张叶作为供试叶片，用打孔器打成直径为1.5 cm的叶盘，叶盘在硅溶液中浸没5～6 s，取出，用吸水纸吸干叶片表面水分。

1.5 茶尺蠖饲喂

1.5.1 选择性试验 选用直径为9 cm的培养皿，编号，底部放置1张滤纸，将滤纸用蒸馏水湿润。每个培养皿放置4张经硅喷雾处理的叶盘和4张未经处理的对照叶盘，交错排列置于滤纸上，每皿接种预先称质量的1头茶尺蠖幼虫。每处理测试10头幼虫。48 h后移走幼虫，称其质量。用叶面积测量仪测定残留叶片的面积，计算取食量。

1.5.2 非选择性试验 取各硅喷雾处理试验组8张叶盘，分别均匀排布于培养皿中，每皿接种1头预先称质量的茶尺蠖幼虫，每处理测试10头幼虫。48 h后移走幼虫，称其质量。用叶面积测量仪测定残留叶片的面积，计算取食量。

1.5.3 茶树叶片浸渍处理对茶尺蠖取食和生长的效应 按预定浓度配制各种硅制剂溶液，放入广口三角瓶中，将叶盘浸入硅溶液5～8 s，取出，用吸水纸吸去表面残留溶液，于每个培养皿中放置经硅溶液浸没处理的6张叶盘，接种预先称质量的1头茶尺蠖幼虫，每个处理测试10头幼虫。48 h后移走幼虫，称其质量。用叶面积测量仪测定残留叶片的面积，计算取食量。

1.6 茶树叶片组织中酶提取和活性测定

酶提取和活性测定参考文献[28-29]的方法并稍加改进。多酚氧化酶(polyphenol oxidase，简称PPO)、过氧化物酶(perxidase，简称POD)和葡萄糖苷酶(glucosidase，简称GUS)提取用pH值为6.2的柠檬酸-磷酸缓冲液，苯丙氨酸解氨酶(phenylalanineammonialyase，简称PAL)提取用含0.05 mol/L疏基乙醇的0.1 mol/L pH值为 8.8的硼酸缓冲液。测定酶活性时，PPO、POD、GUS反应温度为37 ℃，PAL反应温度为 40 ℃。在多次试验中发现，用偏硅酸钠或碳酸钠作为酶反应终止剂常引起反应液浑浊，为此根据其他文献所描述的方法并稍加调整[13]，在反应结束时将所有聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，简称PET)试管放进-20 ℃冰箱快速冷却3 min，取出再加入 2.5 mL 冰冻融化的蒸馏水，混匀，以此终止酶反应。

PPO酶活性定义为1 g样品吸光度1 min增加0.1为1个酶活力单位。POD酶活性定义为1 g样品吸光度1 min增加0.1为1个酶活力单位(U)。PAL酶活性定义为1 g样品吸光度1 min增加0.1为1个酶活力单位(U)。GUS酶活性定义为相当于1 g样品的酶提取液在10 min内催化生成 1 μmol 对硝基苯酚为1个酶活力单位(U)。

理化成分分析[11-12]：鲜叶样品用微波杀青、干燥，沸水浴中浸提。游离氨基酸采用茚三酮比色法测定；咖啡碱用紫外测定法测定；多酚用酒石酸铁比色法测定。

所有生理生化指标测定均重复3次。采用Excel 2007、SSR 13.2进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 叶面施硅处理非选择试验下茶尺蠖的取食和生长量

由表1可知，在非选择性试验测试下，硅酸钠水溶液、硅分散剂、硅鲨处理虫体体质量增量极显著低于对照，其中硅分散剂和硅鲨处理虫体体质量增量分别只相当于对照的52.1%、57.1%，硅酸钠处理只达到对照的84.0%，但硅消泡剂处理虫体体质量增量达到对照的131.3%。硅消泡剂处理的食物转化率也显著高于对照。拒食率以硅酸钠水溶液处理最高，硅分散剂处理拒食率最低，其食物转化率也是最低的，硅鲨处理与对照的食物转化率基本接近，硅酸钠水溶液处理与硅消泡剂处理食物转化率接近，且两者均显著高于对照。

表1 非选择性试验条件下硅处理与茶尺蠖食物转化率

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下表同；非选择性拒食率=(对照组取食叶面积-处理组取食叶面积)/对照组取食叶面积×100%；食物转化率=虫体体质量增量/取食叶片质量。

由表2可知，在选择性试验测试下，与对照相比，所有处理取食量均有所下降，其中硅酸钠水溶液处理取食量为对照的58.2%，硅鲨处理取食量为对照的80.4%，硅分散剂处理取食量为对照的66.8%，硅消泡剂处理取食量为对照的57.8%；硅鲨处理的拒食率最低，硅分散剂处理与硅消泡剂、硅酸钠水溶液相比，拒食率明显较低，但又高出硅鲨处理近1倍。

表2 选择性试验测试下的茶尺蠖取食量

注：选择性拒食率=(对照组取食叶面积-处理组取食叶面积)/(对照组取食叶面积+处理组取食叶面积)×100%。

2.3 叶片经硅浸渍处理对茶尺蠖的取食和生长影响

由表3可知，与对照相比，硅鲨和硅分散剂处理下虫体体质量增长率显著降低，其他各处理与对照差异不显著；对食物转化率而言，硅酸钠水溶液处理与对照基本相同，而其他各处理的食物转化率均较对照有所提高。

2.4 硅喷雾处理对叶片酶系统的影响

由表4可知，与对照相比，硅酸钠水溶液、硅鲨、硅分散剂处理均显著降低了多酚氧化酶的活性，只有硅消泡剂处理使PPO活性上升，升高幅度为11.0%。与对照相比，硅酸钠水溶液、硅鲨处理后苯丙氨酸解氨酶活性略有上升，但与对照差异不显著；硅分散剂处理的PAL活性略有下降，但硅消泡剂处理使PAL活性得到显著提升，升高幅度为2.30倍。

与对照相比，硅处理明显降低了葡萄糖苷酶的活性，硅酸钠水溶液处理、硅鲨处理、硅分散剂处理显著降低葡萄糖苷酶活性，硅消泡剂处理使葡萄糖苷酶活性略有降低，硅酸钠水溶液、硅鲨、硅分散剂、硅消泡剂处理后相应葡萄糖苷酶活性分别为对照的20.6%、16.6%、39.5%、94.3%。

表3 硅浸渍处理叶片对茶尺蠖取食和增长率的影响

表4 不同形态的硅喷雾处理后的叶片酶活性

与对照相比，硅酸钠水溶液处理过氧化物酶活性升高66.1%，其他几种硅制剂处理均使POD活性降低，硅鲨处理和硅分散剂处理使POD活性显著降低，硅鲨处理后POD活性降低了74.5%，硅消泡剂处理后POD活性降低39.3%，硅分散剂处理后POD活性降低至方法检测限以下。

由表5可知，与对照相比，硅酸钠水溶液处理后茶多酚含量有所降低，另外3种硅制剂处理使茶多酚含量有所上升，硅消泡剂处理的茶多酚含量比对照增加56.5%，硅鲨处理茶多酚含量比对照增加26.0%；与对照相比，硅处理下咖啡碱含量普遍降低，但硅鲨处理后咖啡碱含量变化不明显，其他处理咖啡碱含量降低28.4%～37.3%。

表5 不同形态的硅喷雾处理后的叶片多酚含量和咖啡碱含量

3 讨论

在非选择性试验测试下4种供试材料对茶尺蠖均有拒食作用，其中硅分散剂处理拒食作用较弱。发生拒食作用处理组的幼虫生长大多受到明显的阻滞，只有硅消泡剂处理例外，对幼虫发育似乎有促进作用。有研究表明，硅处理促进了佛州长叶螨种群的增长[23]，说明在特定情形下硅制剂刺激某些害虫的生长是可能的。而在选择性试验测试下所有处理均在较大程度上影响了茶尺蠖的取食，因此利用硅制剂防控茶树害虫值得进一步开展试验。

在非选择性试验条件下，硅酸钠水溶液处理拒食率最高，说明硅酸钠有可能作为一种即时发挥效用的材料用于对茶尺蠖的防治。对于食物转化率来说，取食硅分散剂处理的茶树叶片后食物转化率最低，说明硅分散剂对茶尺蠖的生长繁殖和种群延续是不利的，硅分散剂处理可能是一种长效机制。因此，如果将硅酸钠与硅分散剂进行组合处理可能会取得更好的效果。

以硅短时直接浸泡离体茶树叶片，硅不会被吸收，也不会对叶片的生理生化特性产生明显影响，因此本试验评估的主要是硅的形态及硅制剂的助剂对茶尺蠖取食和生长的可能影响。试验结果表明，各处理的茶尺蠖取食量均较对照有所降低，但以虫体体质量增长率而言，硅分散剂和硅鲨处理下增质量率比对照显著降低，其他各处理与对照相比差异不显著；而对食物转化率而言，硅酸钠水溶液处理与对照基本相同，其他各处理的食物转化率均较对照有所提高。结合硅喷雾处理的结果来看，不同类型硅制剂处理对茶尺蠖取食和生长的影响既受硅形态和制剂方式的制约，也受硅诱导茶树生理生化变化的制约。

有研究报道表明，硅可能参与植物防卫信号转导，激活寄主防卫基因，诱导产生一系列小分子代谢物质，从而增强植物的抗性，但硅处理引起的诱导反应不是在施硅后立即产生，而是在发生病虫侵害时发生[28-29]。从本试验结果来看，经硅处理一定时间后，即使未受取食刺激植物也发生了生理生化响应，这种差异可能是由硅试验材料、受试作物类型的差异引起的。

植物与昆虫的互作过程可能远比想象的更复杂[30]，植物的生理响应与害虫的取食倾向以及食物在害虫体内的转化效率之间远不是一种简单的因果关系。分析硅处理引起的茶多酚和咖啡碱等2种次生物质、4种与抗性相关酶活性的变化与茶尺蠖取食之间的关联性，发现难以得到规律性的结论。普遍认为，茶多酚及其伴随的PPO、POD是植物防御的关键系统之一[29，31]，在本试验条件下，硅消泡剂处理48 h后叶片多酚含量、PPO活性均是最高的，但硅消泡剂处理下茶尺蠖的食物转化率最高，并显著高于对照。但硅酸钠水溶液处理引起茶多酚含量的下降，这与硅酸钠造成较高的拒食率不相对应。PAL活性除了与茶多酚合成有关，与木质素的形成也有一定关联，因此硅酸钠水溶液处理引起POD活性和PAL活性的上升可以解释硅酸钠水溶液处理拒食率较高的原因，但硅酸钠处理又降低了PPO的活性。与对照相比，硅消泡剂处理使POD活性下降，PPO活性上升，2种氧化酶活性变化与拒食率之间不能很好地对应，因此，硅引起的茶尺蠖取食变化的机制仍有待探索。

咖啡碱多被认为与茶叶的抗虫性呈正相关关系，一般认为咖啡碱含量上升抑制害虫取食，咖啡碱含量下降有利于害虫取食。但在本试验条件下，硅处理引起茶树叶片咖啡碱含量降低，但咖啡碱下降并没有导致茶尺蠖取食量的增加，相反试验结果表明，茶尺蠖的取食依然受到了抑制，这说明在本试验条件下，咖啡碱的变化与茶尺蠖取食之间的关系与一般预测的趋势不同。这再一次说明茶叶生化成分的变化与茶树的抗虫性不是一种简单的因果对应关系。

硅鲨和硅分散剂可以直接作为农药和农药助剂使用。硅鲨含26.7%的SiO2(辅助成分主要为焦磷酸钠)，用于作物病害的防治或用于蚜虫、飞虱等体型较小害虫的防治，基于其抗病原理可以认为，该产品对茶树防虫可能会有一定作用，本试验的结果支持了这一猜测，尽管不是很理想。硅分散剂是被广泛使用的一种农药助剂，主要成分为聚二甲基硅烷，一般用作喷雾改良剂、农药活化剂，可增强农药在植物表面的展着性和沉积性，外观为无色透明液体，试验结果表明，硅分散剂独立使用对茶尺蠖取食也有干扰作用。所用有机硅消泡剂是一种食品添加剂，主要成分为聚二甲基硅氧烷、气相二氧化硅，助剂主要是Tween 60，外观是白色黏稠乳液，可在水中形成半透明溶液。上述3种不同类型的硅制剂是农用工业品或食品工业助剂，其稳定性、环境安全性和对人畜的安全性均已经通过评估，试验结果表明，它们都能在一定程度上阻碍茶尺蠖取食，但其中的助剂成分除了对硅的分散性、沉积性和植物对硅的吸收产生影响外，助剂本身是否对茶尺蠖生理有直接影响还不清楚。

硅酸钠是一种单一的化学物质，硅酸钠使用时以水溶液直接使用，因此硅酸钠引起的茶树生理响应和相应的茶尺蠖生理响应真实地反映了这种形态的无机硅化合物所具有的功能。由于硅酸钠水溶液处理可引起一定的拒食反应，从快速发挥作用以减少害虫取食而言，硅酸钠作为一种用于茶尺蠖防治的备选化合物可能有一定的价值，但值得注意的是在高温条件下硅酸钠溶液浓度大于0.5%时，可引起茶树叶片灼伤，因此不宜单一使用硅酸钠。

在本试验体系中，选择性试验测试下硅鲨处理的拒食率最低，硅消泡剂拒食效果最理想，硅分散剂次之，从作用原理和综合效果来看，也许将这几种不同的硅制剂进行适当组合会获得更好的效果。