不同光照强度下兴安落叶松对舞毒蛾幼虫生长发育及防御酶的影响

2013-12-20鲁艺芳严俊鑫李霜雯严善春

生态学报 2013年22期

鲁艺芳，严俊鑫，李霜雯，严善春

(东北林业大学林学院，哈尔滨 150040)

植物与昆虫在长期的进化中，形成了相互适应的机制，各自发展出完备的防御体系。植物抗性是指植物抵御各种外来不良生存环境的能力，包括对不同病虫害、各种不良环境因子等的抵抗能力［1－2］。林木对害虫的抗性，从来源可分为组成抗性和诱导抗性。组成抗性一直存在于植物中，即使未受危害的植物内也存在并始终发挥作用，被认为比诱导抗性更有价值，在抵御害虫危害中起着至关重要的作用［3－4］。组成抗性存在许多不稳定因素，易随环境因子、植物营养甚至植物的成熟度等而变化，进而影响昆虫的行为、生长发育和繁殖等［5］。与此同时，植食性昆虫为克服植物防御的作用，通常采用解毒、避毒、选择性贮毒等方式进行适应。昆虫利用解毒酶系和保护酶系进行解毒和排毒是其适应植物防御的重要方式［6－7］。谷胱甘肽S－转移酶(glutathione S－transferase，GSTs)、酸性磷酸酯酶(acid phosphatase，ACP)、碱性磷酸酯酶(alkaline phosphatase，AKP)、羧酸酯酶(carboxylesterase，CarE)以及多功能氧化酶(multi－function oxidase，MFO)是昆虫体内重要的解毒酶系，参与各种外源毒物的代谢［8］。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(peroxidase，POD)和过氧化氢酶(catalase，CAT)是昆虫体内重要的保护酶［9－10］。

兴安落叶松(Larix gmelinii)具有耐寒，耐旱，生长快等特性，是中国东北林区的主要造林树种，具有重要的生态及经济价值。舞毒蛾(Lymantria dispar)属鳞翅目毒蛾科，幼虫主要危害树木叶片，食量大、食性杂、严重时可在几周内将整株树木叶片全部吃光，是林业重要害虫［11］。光因子在植物生长过程中起着至关重要的作用，光照的强弱能影响植物体内生物碱类、可溶性蛋白含量以及次生代谢防御物质等的变化，对植物的组成抗性有重要影响［12－14］。光照强度的差异能够显著影响落叶松体内防御物质的变化［15］。为探究在不同的光照条件下，害虫对兴安落叶松林危害的生态生理学机理，将兴安落叶松进行不同光照强度处理，研究舞毒蛾幼虫取食后的生长发育和生理生化响应，为采取适当的营林措施提高落叶松的自主抗虫性抵御害虫危害，减少化学药剂的用量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 植物材料

5月，在黑龙江省哈尔滨市松北区森林生态工程学院实验苗圃内，选用4年生兴安落叶松苗移植于盆中，恢复生长1个月。6月初，选用健康、长势一致的落叶松苗(株高相近，针叶健康无病虫害)随机分为3组，进行遮阴处理。对照组自然光照(不遮阴);另外2组分别罩1层和2层遮阴网，光照强度约为对照组的50%和25%。每个处理组内50株幼苗，对其进行持续遮阴处理。

1.2 供试昆虫处理与收集

舞毒蛾卵块采自黑龙江省哈尔滨市东北林业大学实验林场。卵块在室内光照培养箱中孵化，温度(25±1)℃，相对湿度(70±7)%，光周期(16L∶8D)。幼虫以人工饲料(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所提供)饲喂备用。7月初选择新蜕皮的、个体大小发育一致、健康的舞毒蛾2龄幼虫，饥饿24h后移置到不同遮阴处理的落叶松苗枝条上，每株4头舞毒蛾幼虫，每个处理组接200头幼虫。每日观察记录舞毒蛾幼虫生长发育状况，选取蜕皮不超过24h的4龄、5龄幼虫，饥饿24h后称量其体重，置于－80℃冰箱备用，以测定舞毒蛾幼虫体内代谢酶系的活性，直至所有幼虫化蛹或死亡。收集各植株上的蛹，统计总化蛹数，计算化蛹率，待化蛹4d后用电子天平称蛹重。羽化试验在养虫室中进行，温度(25±1)℃、相对湿度(70±7)%、光照(16L∶8D)，统计总羽化数并计算羽化率。取食对照组松苗的幼虫记为对照;取食罩1层和2层遮阴网松苗的幼虫分别记为T1和T2。

1.3 主要仪器与试剂

仪器:D－37520冷冻离心机(德国)、电热恒温水浴锅(上海森信实验仪器有限公司)、UV－240紫外分光光度计(Biochtom Ltd.Cambridge CB4 OF J.England)、TES－1335型数字照度计(台湾泰仕电子工业股份有限公司)、光照培养箱(宁波江南仪器厂RXZ－280C型)。

试剂:考马斯亮蓝G－250、牛血清蛋白(BSA)、甲硫氨酸(Met)、核黄素(VB2)均为Amresco公司产品;还原型谷胱甘肽(GST)、1－氯－2，4－二硝基苯(CDNB)、乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA)、二硫苏糖醇(DTT)、苯基硫脲(PTU)、苯甲基磺酰氟(PMSF)、对硝基苯甲醚(4－Nitroanisole)、毒扁豆碱(eserine)、固蓝B盐(Fast blue B salt)等均为Sigma公司产品;还原型辅酶Ⅱ四钠(NADPH－Na4)为Rocha公司产品;α－萘酚(1－Naphthol)为天津市博迪化工有限公司产品;愈创木酚(O－Methoxyphenol)为天津市光复精细化工研究所产品;α－乙酸萘酯(α－NA)和过氧化氢(H2O2)为国药集团化学试剂有限公司(上海)产品。

1.4 测定方法

1.4.1 解毒酶活性测定

ACP、AKP、CarE、GSTs和 MFO 的酶源制备和活性测定分别参照鄢杰明［8］、冯春富［16］和李慧［17］等人的方法，并略作修改。取舞毒蛾4龄幼虫，每3头为1个重复，5龄幼虫，每2头为1个重复，均重复3次(下同)。酶活性测定时酶液加入量分别为 0.1、0.75、0.02、0.1mL 和 1mL。

1.4.2 保护酶活性测定

SOD、POD和CAT的酶源制备和活性测定参照廖月枝［18］和鄢杰明［9］的方法并略作修改。酶活性测定时SOD和POD酶液加入量分别为0.2mL和0.6mL。

1.4.3 酶源蛋白质含量测定

采用考马斯亮蓝G－250染色法。每个重复测定3次。

1.5 数据统计分析

采用SPSS 18.0统计软件进行方差分析。采用one－way ANOVA进行单因素差异显著性分析，以LSD(最小显著法)在0.05水平下检验取食不同光照强度处理的兴安落叶松对舞毒蛾幼虫平均体重、蛹重以及防御酶活性影响的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 取食不同光照强度处理的兴安落叶松对舞毒蛾生长发育的影响

从表1可以看出，取食遮阴处理的落叶松针叶后，4龄和5龄舞毒蛾幼虫的平均体重均显著低于对照组，且随光照强度的减弱体重显著下降;取食50%和25%光照强度条件下生长的落叶松针叶后，舞毒蛾蛹重显著低于对照组幼虫，化蛹率和羽化率也随着光照强度减弱而降低。表明遮阴处理的落叶松显著抑制了舞毒蛾的生长发育。

表1 不同光照强度条件下取食落叶松针叶对舞毒蛾生长发育的影响Table 1 The development of Lymantria dispar feed on the needles of Larix gmelinii grown under different light intensities

2.2 不同光照强度条件下取食落叶松针叶对舞毒蛾幼虫体内保护酶活性的影响

与对照组幼虫相比，取食两种遮阴处理的落叶松针叶后，舞毒蛾4龄和5龄幼虫体内3种保护酶活性均显著降低(图1)。SOD和POD活性在取食50%光照强度条件下的落叶松后降低最显著;CAT活性在取食25%光照强度条件下的落叶松后降低最显著。舞毒蛾4龄和5龄幼虫取食同一光照强度处理的落叶松后，体内保护酶活性差异显著(P＜0.05)。SOD和POD活性5龄显著低于4龄(P＜0.05)，CAT则反之(图1)。

2.3 取食不同光照强度处理的兴安落叶松对舞毒蛾幼虫体内解毒酶活性的影响

如图2所示，与对照组幼虫相比，取食两种遮阴处理的落叶松针叶后，舞毒蛾4龄和5龄幼虫体内5种解毒酶活性均显著降低(P＜0.05)，在50%光照强度下降低最显著(P＜0.05)。舞毒蛾4龄和5龄幼虫在取食同一光照强度处理的落叶松后，GSTs、CarE和MFO活性5龄显著低于4龄(P＜0.05)，而ACP和AKP活性5龄显著高于4龄(P＜0.05)。

图2 不同光照强度条件下取食落叶松针叶对舞毒蛾幼虫体内5种解毒酶活性的影响Fig.2 The detoxifying enzymes activities of the Lymantria dispar larva feed on the needles of Larix gmelinii seedlings grown under different light intensities

3 结论和讨论

自然生态系统中，植物为了避免植食性昆虫的危害而产生对昆虫有毒害作用的防御性化学物质，对取食的幼虫有较大的毒性作用，影响其消化和营养吸收［19－23］。组成抗性是植物一种固有的特性，其抗性程度会因光照、水分、营养等环境条件的变化而发生改变［24－25］。光照是影响植物生长的主要环境因子之一，不同的光照强度能够引起植物体内防御性物质的改变，引起植物化学防御体系的改变［15，23，26－27］。昆虫可通过体内复杂的代谢酶系来抵御植物的防御。与对照组相比，取食遮阴处理的落叶松后，舞毒蛾4龄和5龄幼虫体内防御酶系活性显著降低(P＜0.05)，且除CAT外在50%光照强度下降低最为显著(P＜0.05);舞毒蛾幼虫平均体重、化蛹率、蛹重以及羽化率等生长发育指标均显著下降(P＜0.05)。在50%光照强度条件下，兴安落叶松具有较强的组成抗性［15］，说明舞毒蛾生长发育和防御酶活性显著降低的原因是遭遇了具有较强抗虫性的寄主。结合光照对落叶松组成抗性以及舞毒蛾生理生化的影响，从植物抗虫性的角度说明，害虫在光照充足的条件下容易暴发成灾，而在适当的遮阴条件下发生受抑制的根本原因。

同一光照强度处理的落叶松，对舞毒蛾生长发育过程的不同阶段有显著影响，SOD、POD、CarE、GSTs和MFO活性5龄显著低于4龄(P＜0.05)，而ACP和AKP活性5龄却显著高于4龄幼虫(P＜0.05)。磷酸酯酶是昆虫体内重要的代谢酶系，在昆虫生长发育及对外源有毒物质的解毒代谢方面具有重要的作用，能够影响昆虫正常的生理作用［28］。说明昆虫在不同的发育阶段启用不同的排毒酶系，幼虫进入5龄阶段，其体内磷酸酯酶活性被显著激发。廖月枝等关于不同杀虫剂对舞毒蛾幼虫代谢酶系影响的研究发现，幼虫体内保护酶活性5龄低于3龄，而ACP和AKP活性5龄高于3龄［29］，与本研究结果相似。李慧、鄢杰明等在不同杀虫剂对舞毒蛾幼虫毒力测定的研究中发现，其龄期越大LC50也越高，对药剂敏感性越差，抗药性越强［30－31］，其磷酸酯酶在5龄时也表现出较高的活性。

以往关于光照对昆虫影响的研究主要围绕农业害虫展开，并且主要研究对其行为和生长的影响［32－33］，本研究首次从植物抗性角度出发，分析了光照强度差异引起的植物抗性变化对昆虫生长发育和防御生理的影响。在林业生产中针对阳坡光照比较充足的林分，可以适当增加林分郁闭度，为林木营造光照较弱的生长环境，进而通过提高林木自身的抗性来抵御害虫危害;在需要利用化学农药进行防治时，应在舞毒蛾对药剂较敏感且重要解毒酶系尚未有效启动的幼龄时期，对其进行防治，将收到更有效的防治效果。

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