棉长管蚜危害对棉花生理生化及其相关防御酶的影响

张玉栋，吴 娜，蔡晓虎，史亚辉，王俊刚

(石河子大学农学院/新疆绿洲农业病虫害治理与植保资源利用重点实验室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】随着转Bt基因抗虫棉的大面积种植，棉田生态环境发生改变，棉铃虫和其他鳞翅目害虫发生得到控制，但棉蚜、棉叶螨、棉盲蝽等刺吸式害虫发生越来越严重，已经上升为棉田的主要防治害虫[1, 2]。【前人研究进展】不同于咀嚼式昆虫，刺吸式昆虫的取食不会使宿主植物叶片产生缺痕，给宿主植物造成的伤口极微小，会将取食过程中对宿主植物造成的损伤降到最低。即使其采用特殊的取食方式降低了对宿主植物的损伤，但当其高密度、长时间取食时，也会引起宿主植物生理生化状态发生改变[3]。有研究表明，蚜虫在试探取食时，只会对植物筛管细胞造成轻微伤害，不会引起植物的强烈反应[4]，但是当其找到合适的取食位点后可以连续取食几个小时甚至几天[5]，诱导植物体内营养物质(可溶性糖、可溶性蛋白)、光合代谢相关物质(叶绿素、类胡萝卜素)及次生代谢物质(丙二醛)等生理生化状态发生改变[6, 7]。自由基作用于脂质发生过氧化反应，产生的丙二醛还能加剧细胞膜的损伤。植物为了减少次生代谢过程中产生的自由基、丙二醛等带来的损伤，ROS系统中过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)等酶活性发生变化，来提升植物的防御能力[8, 9, 10]。植物可以通过改变体内营养代谢和ROS系统中抗氧化酶及抗氧化物质来抵御昆虫的取食。【本研究切入点】棉长管蚜在北疆地区一般为4月底至5月初出现有翅蚜(南疆4月中旬出现有翅蚜)，主要危害苗期[11]，棉蚜一般在5月开始进入棉田，以中后期危害为主[12]。棉长管蚜种群数量在短时间内有较大变化，且苗期有棉长管蚜发生的棉田，中后期棉蚜的发生程度要比苗期无蚜害发生的棉田轻。预试验中也发现棉长管蚜实验室种群在棉苗上种群数量短时间内有较大的变化。分析棉长管蚜的危害会引起棉花生理生化变化对棉花防御系统的影响。【拟解决的关键问题】研究棉长管蚜危害对棉花营养物质(可溶性糖、可溶性蛋白)、光合作用相关物质(叶绿素、类胡萝卜素)、次生代谢物质(丙二醛)及ROS系统关键酶(CAT、SOD、POD)活性变化，为棉田蚜虫的生物防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 棉花品种

棉花品种为新陆早44号，棉种于55℃浸泡1 h后，置于常温环境催芽12 h；待棉种露白后种植于塑料盆(高12 cm，直径10 cm)中，以蛭石作为基质，定期浇灌营养液。将播种好的花盆置于人工培养箱培养。培养条件：00:00～08:00：24℃，08:00～24:00：27℃，L∶D=16 h∶8 h。当棉苗长至2片真叶时开始试验。

1.1.2 棉长管蚜

棉长管蚜采集于石河子大学农学院试验站棉田。接种在实验室培养箱中的棉苗上，扩大种群用于保种和试验所需。

1.1.3 试剂及仪器

乙醇，天津市致远化学试剂有限公司；三氯乙酸，光复研究所；硫代巴比妥酸，南京建康化学制剂有限公司；可溶性糖、可溶性蛋白、SOD、POD、CAT检测试剂盒，均为南京建成生物工程研究所产品。UV-1800日本岛津紫外可见分光光度计，日本岛津公司；电热恒温水浴锅，北京长安科学仪器厂；玻璃匀浆器，上海垒固仪器有限公司；高速冷冻离心机，上海安亭科学仪器厂；LQP-B-4型制冰机，上海安亭科学仪器厂。

1.1.4 棉花营养液

棉花营养液配方：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 试验设计

选取生长状况相近(2片真叶+2片子叶)的棉苗420株，分为7组，每组棉苗测定1个指标，依次测定可溶性糖、可溶性蛋白、叶绿素和类胡萝卜素、丙二醛、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)。每组分为12个处理(依次为不接蚜(1 d、2 d、3 d)、接棉长管蚜5头/株(1 d、2 d、3 d)、接棉长管蚜10头/株(1 d、2 d、3 d)、接棉长管蚜15头/株(1 d、2 d、3 d))，每个处理5株棉苗，棉苗接蚜后笼罩，置于人工培养箱中进行危害处理。

1.2.2 指标测定

待每个处理的棉长管蚜危害结束后，去除棉长管蚜并收集棉苗真叶用于测定相关指标。用相关试剂盒测定可溶性糖、可溶性蛋白的含量，及过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶的活性。叶绿素和类胡萝卜素含量测定采用95%酒精浸提法；丙二醛( MDA) 含量测定采用硫代巴比妥酸法。

1.3 数据处理

所有原始数据在Excel 2007中进行整理，采用SPSS 20.0统计软件进行方差分析和多重比较(LSD法)，P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 棉长管蚜危害对棉花可溶性糖含量的影响

研究表明，除5头/株棉长管蚜危害1 d、2 d和10头/株棉长管蚜危害1 d的棉花叶片中可溶性糖含量与未受害棉花差异不显著外(P>0.05)，其余各处理棉花叶片中可溶性糖含量均显著高于未受害棉花(P<0.05)。棉花叶片中可溶性糖含量随着棉长管蚜危害时间的延长而增加，危害3 d后各密度棉长管蚜危害的棉花叶片中可溶性糖含量均高于危害1和2 d的棉花。棉长管蚜危害相同时间后，棉花叶片中可溶性糖含量随着棉长管蚜密度的增加而增加，且各密度棉长管蚜危害棉花3 d后，棉花叶片中可溶性糖含量差异性显著(P<0.05)，15头/株棉长管蚜危害不同时间段后的棉花叶片中可溶性糖含量均显著高于其他处理组棉花(P<0.05)。图1

注：误差线代表标准偏差(n=3)。不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同

2.2 棉长管蚜危害对棉花可溶性蛋白含量的影响

研究表明，棉花叶片可溶性蛋白含量随着棉长管蚜危害时间的延长而增加，其中10和15头/株棉长管蚜危害2和3 d后棉花叶片中可溶性蛋白含量均高于危害1 d的棉花。3种密度棉长管蚜危害棉花1 d后，棉花叶片中可溶性蛋白含量与未受危害棉花均无显著性差异(P>0.05)。10和15头/株棉长管蚜危害2和3 d后的棉花叶片中可溶性蛋白含量均差异不显著(P>0.05)，且显著高于未受害棉花和棉长管蚜危害1 d的棉花(P<0.05)。图2

图 2 棉长管蚜危害下棉花叶片可溶性蛋白变化Fig.2 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on soluble protein in cotton leaves

2.3 棉长管蚜危害对棉花光合色素的影响

2.3.1 棉长管蚜危害对棉花叶绿素含量的影响

研究表明，棉长管蚜不同密度取食对棉花叶片中叶绿素含量没有显著性影响(P>0.05)。棉花叶片中叶绿素含量随棉长管蚜危害时间的延长呈现下降趋势。图3

图 3 棉长管蚜危害下棉花叶片叶绿素含量变化Fig.3 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on chlorophyll in cotton leaves

2.3.2 棉长管蚜危害对棉花类胡萝卜素含量的影响

研究表明，棉长管蚜危害1 d时，棉花叶片中类胡萝卜素含量变化与棉长管蚜的密度没有显著相关性；当棉长管蚜危害2和3 d时，棉花叶片中类胡萝卜素含量随着棉长管蚜密度增大而升高，且10和15头/株棉长管蚜危害棉花叶片中类胡萝卜素含量均显著高于对照组棉花(P<0.05)。图4

图 4 棉长管蚜危取食下棉花叶片类胡萝卜素含量变化Fig.4 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on carotenoids in cotton leaves

2.4 棉长管蚜危害对棉花叶片丙二醛含量的影响

研究表明，棉长管蚜危害1 d时，15头/株棉长管蚜危害棉花叶片中丙二醛含量显著高于其他试验组棉花；取食2 d时，10和15头/株棉长管蚜危害棉花叶片中丙二醛含量与对照组和5头/株棉长管蚜危害的棉花相比，均显著提高(P<0.05)；取食3 d时，10和15头/株棉长管蚜危害棉花叶片中丙二醛含量均显著高于对照组和5头/株棉长管蚜危害的棉花(P<0.05)，且5头/株棉长管蚜危害棉花叶片中丙二醛含量显著高于对照组棉花(P<0.05)。图5

图 5 棉长管蚜危害下棉花叶片丙二醛含量变化Fig.5 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on MDA in cotton leaves

2.5 棉长管蚜危害对棉花ROS系统酶活性的影响

2.5.1 棉长管蚜危害对棉花CAT活性的影响

研究表明，棉长管蚜的密度和取食时间均对棉花叶片中CAT活性变化有较大影响，棉长管蚜危害1和2 d时，棉花叶片中CAT活性随棉长管蚜密度增大而提高，且15头/株棉长管蚜危害的棉花叶片中CAT活性显著高于5和10头/株棉长管蚜危害的棉花(P<0.05)；当棉长管蚜危害3 d时，3个不同密度棉长管蚜危害的棉花叶片中CAT活性与15头/株棉长管蚜危害2 d的棉花之间没有显著性差异(P>0.05)，且均显著高于对照组棉花(P<0.05)。图6

图 6 棉长管蚜危害下棉花叶片CAT变化Fig.6 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on CAT in cotton leaves

2.5.2 棉长管蚜危害对棉花POD活性的影响

研究表明，棉长管蚜危害1 d时，15头/株棉长管蚜危害的棉花叶片中POD活性显著高于对照组棉花(P<0.05)，而5和10头/株棉长管蚜危害的棉花叶片中POD活性与对照组差异不显著(P>0.05)。棉长管蚜危害2 d时，棉花叶片中POD活性随棉长管蚜密度增大显著提高(P<0.05)，5头/株棉长管蚜危害的棉花叶片中POD活性与对照组差异不显著(P>0.05)。棉长管蚜危害3 d时，10和15头/株棉长管蚜危害的棉花叶片中POD活性显著高于对照组和5头/株棉长管蚜危害的棉花叶片(P<0.05)。图7

图 7 棉长管蚜危害下棉花叶片POD活性变化Fig.7 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on POD in cotton leaves

2.5.3 棉长管蚜危害对棉花SOD活性的影响

研究表明，棉长管蚜危害1 d时，5和10头/株棉长管蚜危害的棉花叶片中SOD活性与对照组差异不显著(P>0.05)，15头/株棉长管蚜危害的棉花叶片中SOD活性显著高于对照组棉花(P<0.05)。棉长管蚜危害2 d时，10和15头/株棉长管蚜危害的棉花叶片中SOD活性均显著高于对照组和5头/株棉长管蚜危害的棉花(P<0.05)。棉长管蚜危害3 d时，3个密度棉长管蚜危害的棉花叶片中SOD活性均显著高于对照组(P<0.05)。5头/株棉长管蚜危害3 d后棉花叶片中SOD活性与取食1和2 d的棉花相比有所提高，10和15头/株棉长管蚜危害的棉花叶片中SOD活性呈现出先增加，趋于稳定。图8

图 8 棉长管蚜危害下棉花叶片中SOD活性变化Fig.8 The effect of Acyrthosiphom gossypii feeding on SOD in cotton leaves

3 讨 论

植物有1套高效的生理防御机制。例如，刺吸式昆虫通过特殊的口器穿透植物组织，在富含营养的韧皮部进行取食，植物为了应对植食性昆虫这种特殊取食方式带来的组织损伤和营养流失，会调控生理代谢途径，改变体内一些可溶性糖类、可溶性蛋白类物质[13-15]。这些物质可以调节渗透压，保护生物膜成分的稳定，维持植物在虫害胁迫下仍能正常生长。研究表明，棉花叶片中可溶性糖含量与棉蚜的取食时间和密度都有较大的关系，随着棉蚜取食时间的延长升高，随着棉蚜密度的增大而下降[16]。花铃期棉花叶片中可溶性蛋白含量也会随着棉蚜取食时间的延长呈显著的上升趋势，在80头/株棉蚜处理10 d后，棉花叶绿素含量与对照棉花相比显著降低，丙二醛含量呈现出随着取食时间的延长先升后降的趋势[17]。研究结果中棉花可溶性糖和可溶性蛋白含量也呈现出随着棉长管蚜危害时间的延长而升高，且高密度危害条件下棉花中可溶性蛋白含量与低密度危害下的棉花相比上升更快，表现为先上升后趋于平稳的趋势。棉花叶片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的升高，不仅可以补充因蚜虫刺吸造成的植物营养损失，还可以改变细胞与组织液间的渗透势，从一定程度上影响蚜虫营养吸取，可见，棉花有较好的忍耐蚜害胁迫的能力。

植食性昆虫的危害会引起植物体营养状态和组织结构的改变[18]。光合作用是植物获取能量的重要方式，而光合色素是影响植物进行光合作用的关键因子之一。研究在棉长管蚜危害条件下，测定了在光吸收中起主要作用的叶绿素及具有吸收、传递光能和保护叶绿素功能的类胡萝卜素。结果表明，棉长管蚜的取食对棉花叶片中叶绿素的含量没有显著性影响，与陈威等[19]在褐飞虱危害后水稻中叶绿素含量会有所下降的结果有所差异，可能与昆虫取食时间的设定不同有关。而10和15头/株棉长管蚜危害2和3 d后的棉花叶片中类胡萝卜素含量显著高于对照组棉花，可能与其抗氧化、免疫调节、延缓衰老等特殊功能有一定关系。

植食性昆虫的取食还会造成植物体内自由基产生和清除的动态平衡被破坏，其中自由基与脂质发生过氧化反应，氧化终产物丙二醛不仅会影响线粒体呼吸链复合物及线粒体内关键酶活性，还会破坏细胞膜，是反映植物受损程度的重要指标之一。研究表明，烟粉虱取食后辣椒叶片中酚类化合物显著升高[20]，苜蓿蚜刺吸取食过程会导致苜蓿中丙二醛含量升高[21]，绿盲蝽的危害胁迫会导致棉花叶片中丙二醛含量增加[22]。研究表明，棉长管蚜危害会导致棉花叶片中丙二醛含量升高，且棉长管蚜密度越高，棉花叶片中丙二醛含量升高越快，也越早趋于稳定，可能因棉花体内防御系统激活，一定程度上干扰了棉长管蚜的刺吸取食相关。

当植物接收到昆虫刺吸的信息后，特定的信号开始在植物体内传导，并促使植物生产抗氧化酶及抗氧化物，如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等[23- 25]。刘裕强等[26]研究表明，褐飞虱刺吸会导致水稻植株体内脂氧合酶、脂氢过氧化物裂解酶、苯丙氨酸解氨酶的活性显著升高。黄伟等[21]研究表明，在蚜虫刺吸诱导过程中，苜蓿中SOD和POD活性表现出先上升后下降的趋势，PAL活性上升到峰值后趋于稳定，CAT表现为交替的上升下降。张金锋等[27]研究结果表明，白背飞虱和褐飞虱为害引起稻株体内的SOD、POD、CAT活性的变化不同，与2种虫子的取食量有一定的相关性。SOD、CAT、POD作为ROS系统调控的3种关键酶，可以有效抑制活性氧自由基对机体的伤害，维持植物体内自由基的正常水平及活性氧系统平衡。研究结果表明，棉花中SOD、POD、CAT活性随着棉长管蚜密度和取食时间的延长，总体呈现出升高趋势，在危害3 d后高密度棉长管蚜危害的棉花中3种酶活性逐渐趋于稳定。可见，棉长管蚜短时间的取食也可以诱导激活棉花体内的防御系统，可以保护或一定程度上减轻植物受虫害胁迫下自由基的侵害。棉长管蚜短期的取食可以诱导激活棉花的防御系统，可以对其进一步研究，为棉田蚜虫的生物防治奠定基础。

4 结 论

棉长管蚜短时间的取食会引起棉花体内可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛含量的升高，15头/株棉长管蚜取食3 d后棉花叶片中这3种物质含量分别是对照组棉花叶片的3.81倍、1.72倍、1.88倍，表明棉长管蚜的取食使棉花一定程度上受到损伤。然而对光合作用中关键的叶绿素含量没有显著影响，具有抗氧化、免疫调节作用的类胡萝卜素含量有所升高；同时，15头/株棉长管蚜取食3 d后棉花叶片中SOD、POD、CAT活性分别是对照组棉花叶片的2.11倍、1.52倍、1.53倍。可见，棉长管蚜短期的取食可以诱导激活棉花的防御系统。