小菜蛾成虫对几种甜味和苦味物质的味觉反应

武菊平，谢佼昕，郝 赤，闫喜中

（山西农业大学 植物保护学院，山西 太谷 030801）

小菜蛾Plutella xylostellaL.又名小青虫、两头尖，属于鳞翅目（Lepidoptera）菜蛾科（Plutellidae）昆虫，是一种为害十字花科植物的主要农业害虫之一，危害严重发生时可减产90%，甚至绝收，使十字花科蔬菜产量造成毁灭性损失，每年给世界经济造成的损失数以亿计[1-2]。小菜蛾在世界各地均有分布[3]，从20世纪70年代起小菜蛾已经成为我国主要害虫之一[3-4]，目前化学防治仍是控制害虫种群的主要防治方法，但小菜蛾对多种化学药剂均具有较强的抗药性[5-8]，防治难度进一步增大。因此，寻求安全绿色友好的防治技术与途径是解决小菜蛾抗药性这一世界性难题的关键。

自然界中的昆虫的味觉感受系统极为灵敏，味觉感器分布在身体多个部位，这对其取食选择、产卵交配、寄主识别和识别有害物质具有重要作用，通常昆虫能够识别到糖、氨基酸、植物次生物质及有毒化学物质等。在取食过程中，昆虫触角或足上的味觉感器接收到刺激物，其内部的味觉感受神经元通过一系列电生理活动，将刺激信息传送到中枢神经系统，经过信息整合并输出指令，进而做出取食或者忌避等行为[9-13]。糖感受神经元存在于多数昆虫中，这类神经元可以刺激昆虫取食，如棉铃虫侧栓锥感器内存在一个敏感的蔗糖感受神经元[14]，美洲棉铃虫H.zea味觉感器内存在一个敏感的葡萄糖感受神经元[15]。因此，昆虫取食蔗糖、葡萄糖和果糖等糖类物质为其生存和繁殖提供能量[16]。通常糖类作为能源物质，为昆虫生长发育提供物质基础[17]；苦味物质则呈相反作用，昆虫识别后做出忌避行为，使其有效避免有害物质或有毒物质影响。

小菜蛾成虫依靠味觉系统来寻找适合寄主和取食的植物，以此来获取其中的糖类物质补充营养，同时回避对其生长发育不利的物质。但小菜蛾对植物中常见的几种重要甜味和苦味物质的味觉反应未见报道。本研究利用喙管伸长反应测定了小菜蛾成虫触角末端对5种不同浓度的甜味物质和3种苦味物质的味觉反应，探讨其取食选择行为的味觉基础，为研究小菜蛾成虫取食机制提供行为上的依据，也为寻找新型防治害虫的方法提供新思路。

1 材料和方法

1.1 供试虫源

小菜蛾成虫为山西农业大学昆虫神经行为与感官生物学实验室继代饲养种群，使用人工气候箱进行饲养，饲养条件：温度（25±1）℃，相对湿度70%±5%，光周期14 L∶10 D。将雌、雄蛹单独分装于玻璃指形管中，以羽化后2～3 d的小菜蛾成虫作为研究对象。

1.2 供试化合物

蔗糖（Sucrose）、葡萄糖（D-glucose）、海藻糖（Trehalose）、麦芽糖（Maltose），果糖（Fructose）、奎宁（Quinine）、苯甲地那铵（Denatonium benzoate）、黄连素（Berberine）购自Sigma-Aldrich 公司。用双蒸水将5 种甜味物质配制成1、10、100、500 mmol/L 浓度梯度溶液，在前期研究确定苦味物质浓度基础上，将3 种苦味物质分别配制成奎宁50 mmol/L、苯甲地那铵1 mmol/L 和黄连素溶液10 mmol/L，并分别与500 mmol/L 蔗糖混合。配制的待测溶液用于喙管伸长反应。

1.3 试验设计

选取刚羽化2～3 d后的雌、雄小菜蛾成虫单头置于指形玻璃管中，每20 头作为一组，共3 组用于试验。在饱和水分的脱脂棉供给条件下将成虫饥饿12 h，取100µL的移液枪头将其顶端用单面刀片切除，将每头小菜蛾固定于枪头中，仅使其头部伸至枪头外，保证触角和喙管不受损伤且可以自由活动。将固定好的小菜蛾放置12 h，期间采用双蒸水喂食，使其适应新的环境。在体视镜下用吸收了待测溶液的棉芯触碰成虫触角的顶端部位，并观察小菜蛾喙管30 s内有无伸长反应。

1.3.1 雌、雄虫的敏感性试验 通过喙管伸长反应分别测定了雌、雄小菜蛾成虫触角对100 mmol/L的蔗糖、葡萄糖、海藻糖、麦芽糖和果糖的味觉反应。

1.3.2 甜味物质的试验 测试的溶液有1、10、100、500 mmol/L的蔗糖、葡萄糖、海藻糖、麦芽糖和果糖溶液，所有溶剂都溶解在双蒸水中，双蒸水作为对照溶液。选取雌成虫进行试验。若小菜蛾在30 s内喙管伸长，则认为此溶液对其取食有刺激反应；反之，则认为此溶液对其取食没有刺激反应。

1.3.3 苦味物质的试验 测试溶液有50 mmol/L奎宁、1 mmol/L 苯甲地那铵和10 mmol/L 黄连素分别与500 mmol/L蔗糖混合的溶液，以500 mmol/L蔗糖溶液作为对照。用含饱和水分或500 mmol/L 蔗糖溶液的棉芯刺激小菜蛾雌虫触角的顶端，选取对双蒸水（对照）不起反应而对500 mmol/L 蔗糖溶液有喙管伸长反应的昆虫继续试验，其他则从试验组去除。用蒸馏水清洗测试后的刺激物，清洗干净并吸干水分用于下一次测试，2次测试之间间隔10 min。

在测试甜味物质对小菜蛾的味觉刺激作用时，喙管伸长反应率越接近100 表示对甜味物质的敏感性越强，越接近0 则表示敏感性越弱；在测试苦味物质时情况相反[17]。

1.4 数据分析

采用SPSS 21 统计软件进行处理，利用单因素方差分析（One-way ANOVA）进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 小菜蛾雌、雄成虫对甜味物质的敏感性比较

由图1 可知，这5 种糖均不同程度刺激小菜蛾产生喙管伸长反应，雌蛾对蔗糖、葡萄糖、海藻糖、麦芽糖和果糖的伸喙反应率均显著强于雄蛾。蔗糖引起雌性小菜蛾喙管伸长反应最为强烈，反应率为57.5%，其次为麦芽糖、葡萄糖、海藻糖，果糖最弱，仅为20%。雌蛾对葡萄糖和海藻糖的敏感性稍微弱于麦芽糖，三者之间无显著差异。对于雄虫，对蔗糖的喙管伸长反应率最高，其次为葡萄糖、果糖和海藻糖，对果糖与海藻糖的反应率差异较小，对麦芽糖的喙管伸长反应率最低。

2.2 小菜蛾雌虫对不同浓度甜味物质的味觉反应

由敏感性试验可知，雌性小菜蛾对甜味物质更为敏感，可能跟雌蛾寻找产寄主产卵位点有极大关系。由图2 可知，雌蛾对蔗糖的敏感性最大，对果糖的敏感性最弱，这5种糖引起雌蛾的喙管伸长反应率存在剂量依赖，总体而言，随着糖类物质浓度的增大，小菜蛾的伸喙反应率增加，500 mmol/L 的蔗糖引起雌蛾的喙管伸长反应最大，反应率达到了60%，但是此浓度下的海藻糖引起雌蛾的喙管伸长反应弱于100 mmol/L 下的反应，反应率仅为20%。

2.3 小菜蛾雌虫对不同苦味物质的味觉反应

苦味物质可抑制昆虫喙管伸长，一般对昆虫有驱避作用，小菜蛾可以感知植物中存在的苦味物质，从而对其回避，另寻产卵位点。从图3可以看出，3 种混合溶液对小菜蛾雌虫喙管伸长有显著的抑制效果，对照组雌性小菜蛾对500 mmol/L蔗糖的伸喙反应率为60%，测试组中雌性小菜蛾的伸喙反应率均下降，50 mmol/L 奎宁和蔗糖的混合溶液的伸喙率下降最低，下降至6.7%，1 mmol/L 苯甲地那铵和10 mmol/L黄连素与500 mmol/L蔗糖的混合溶液的伸喙反应率分别下降至8.3%和11.7%，3 种物质与对照组均具有显著性差异。

3 结论与讨论

糖类、氨基酸等营养成分和次生化合物是寄主植物的化学成分，多数植食性昆虫在成虫阶段能识别这些化学成分，这种识别能力是其对食物或寄主植物取食与否的关键[18]，并且由嗅觉和味觉系统支配，味觉系统在评估食物质量和区分可食用和有毒物质中起重要作用[19-21]。触角是昆虫重要的感觉器官，兼有化学感受器和温湿度感受器等多种功能[22]。触角具有不同功能，归因于其上附着的不同种类的感器，如小菜蛾的毛型感器主要感受气味信息，且具有雌雄二型性；腔锥形感器感受温度、CO2及气味信息[23]。山西农业大学植物保护学院昆虫神经行为与感官生物学课题组前期通过扫描电镜和透射电镜研究发现，小菜蛾触角末端主要是刺形感器，推测其功能可能和味觉相关[24]。喙管伸长反应是研究昆虫味觉常用的生物学测定方法，广泛应用于昆虫味觉感器研究中[17]，目前在其他昆虫的味觉感器研究中也运用了此方法，包括果蝇[25-26]、蜜蜂[27]、鳞翅目蛾类[12]和蝴蝶[28]等。

本研究表明，100 mmol/L 的5 种糖类均能不同程度地诱导雌、雄小菜蛾成虫产生喙管伸长反应，其中，蔗糖是最强的取食刺激物，雌性小菜蛾对蔗糖的反应最强，反应率达57.5%，而果糖为弱取食刺激物，反应率仅为20%，且蔗糖、葡萄糖、麦芽糖和果糖这4 种糖引起雌蛾的喙管伸长反应率存在明显剂量依赖关系，而海藻糖在500 mmol/L时的反应率为20%，低于对100 mmol/L 海藻糖的反应率。ROMEIS 等[29]在对大菜粉蝶Pieris brassicae味觉感器的研究中，结果表明，仅在蔗糖和果糖刺激的情况下，才能引起其喙管伸长反应；在棉铃虫Helicoverpa armigera（Hübner）雌性成虫的味觉感器对糖类物质敏感性研究中，通过刺激跗节发现，果糖可以引起其伸喙反应，并且喙管伸长反应率呈现剂量依赖[12]。WINKLER 等[30]同样研究了小菜蛾对糖类物质的敏感性，结果是蔗糖引起了小菜蛾较强的伸喙反应，同时引起较强伸喙反应的还有麦芽糖、棉子糖和松三糖，海藻糖反应最弱，这与本研究结果有一定差异，这可能与小菜蛾具有地域性差异有关。BLANEY等[31]研究表明，蔗糖和果糖能够刺激引起甜菜夜蛾Spodoptera exigua喙管伸长反应。JRGENSEN 等[32-33]对 烟 芽 夜 蛾Heliothis virescens的研究表明，触角感器对蔗糖、肌醇等有较强的反应，对桔小实蝇Bactrocera dorsalis Hendel成虫的前足跗节的刺激能够有效的识别蔗糖、葡萄糖、海藻糖、果糖、麦芽糖、树胶醛糖和山梨糖醇等7种甜味物质，且对每种甜味物质的反应均呈浓度梯度反应[17]。而蜜蜂对葡萄糖的反应较为敏感[34]。由此可见，不同的昆虫对不同的甜味物质的反应差异很大，这可能与昆虫取食习性不同有关。

小菜蛾能有效识别奎宁、苯甲地那铵和黄连素3 种苦味物质，并且这3 种苦味物质较低浓度时能有效地抑制小菜蛾的伸喙反应，在500 mmol/L蔗糖溶液中分别加入50 mmol/L 的奎宁、1 mmol/L 的黄连素和10 mmol/L的苯甲地那铵，3种混合溶液均使小菜蛾对蔗糖溶液的喙管伸长反应率下降到12%以下。奎宁、咖啡因、黄连素和苯甲地那铵4 种苦味物质在较低的浓度下能引起桔小实蝇B.dorsalis的忌避行为，引起的忌避反应达90%以上[17]。KNIG 等[34]对黑腹果蝇Drosophila melanogaster幼虫和成虫研究发现，奎宁能够抑制其幼虫对果糖的偏爱性，苯甲地那铵能够显著抑制其成虫对蔗糖的喙管伸长反应，并且随着苯甲地那铵浓度的增加，抑制作用越显著。HOSTACHY 等[35]对小地老虎Agrotis ypsilon的研究表明，奎宁能够抑制其成虫对蔗糖的伸喙反应。奎宁、苯甲地那铵和黄连素等苦味物质对大部分昆虫起厌恶作用。

本研究表明，糖类物质对小菜蛾具有刺激取食的作用，而苦味物质抑制其对糖类物质的取食，这与小菜蛾喙管和触角上的味觉感器有紧密联系。并且在试验中也观察到小菜蛾触角接触刺激物后，喙管伸长去取食时，喙管在不同溶液中停留的时间不同。在接触到甜味物质时，喙管在溶液中停留时间较长，在接触到苦味物质时，极少数的喙管伸入溶液，并且都迅速将喙管卷曲。这个现象表明，小菜蛾喙管上也存在能感知不同味道的感器。因此，小菜蛾喙管和触角味觉感器在取食过程中对化学信息的识别加工机理还有待更深层次的研究和验证，同时为害虫防治提供了新思路。