王倩倩, 王 蕾, 李克斌, 曹雅忠, 尹 姣*, 肖 春

(1. 云南农业大学植物保护学院, 昆明 650201; 2. 中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害生物学国家重点实验室, 北京 100193)



不同寄主植物对草地螟的营养作用及消化酶的影响

王倩倩1,2, 王 蕾2, 李克斌2, 曹雅忠2, 尹 姣2*, 肖 春1*

(1. 云南农业大学植物保护学院, 昆明 650201; 2. 中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害生物学国家重点实验室, 北京 100193)

植食性昆虫可以在取食后通过消化分解和吸收从食物中获得营养从而进行正常的生长发育。不同植物中营养物质成分在质和量上都有很大差别。本文通过用藜(灰菜)、大豆、向日葵、玉米和马铃薯叶片分别饲喂草地螟,发现取食不同寄主植物不仅显著影响草地螟幼虫的相对取食量、相对生长率和食物利用率(P<0.05),而且中肠消化酶活性也不相同。幼虫取食最喜食的藜时，各项营养指标均显著高于其他处理的幼虫,其中肠消化酶活性也最高;而饲喂草地螟幼虫不喜食的马铃薯和玉米时,幼虫无论取食量、生长率还是食物利用率均显著低于其他处理组(P<0.05),中肠消化酶活性较低,但是某些酶活性随取食时间的增加而升高,这可能是昆虫对不适寄主的一种适应。

草地螟; 营养效应; 相对生长率; 相对取食量; 食物利用率; 中肠消化酶

植物对昆虫的营养效应是影响昆虫寄主植物选择性的一个极为重要因素[1]。植食性昆虫需要通过取食来获得氨基酸、蛋白质、碳水化合物、维生素、核苷酸、矿物质和甾醇等自身生长发育和繁殖所必需的营养物质,但是不同植物所含营养物质的质和量有很大差别,这种差别对昆虫的生长发育和繁殖影响巨大[2]。此外,植食性昆虫要在取食后获得营养以维持正常的生长发育,则必须将食料中的营养物质消化吸收,并将有毒物质分解排泄。因此,昆虫与植物在长期协同进化过程中形成了各种针对性的适应,例如,昆虫对取食和产卵寄主植物的选择性就是非常明显的例子[3-4]。

草地螟(LoxostegesticticalisLinnaeus)在建国后已经出现了3个暴发周期,均在东北、华北和西北地区暴发为害,可严重为害大豆、甜菜、苜蓿、向日葵等作物及多种牧草,对农牧业生产造成很大威胁,是我国重要的多食性农牧业害虫之一。草地螟虽属多食性害虫,但其对寄主植物仍有一定的选择性[5]。草地螟取食不同寄主植物对其种群增长影响显著[6],推测与不同寄主植物营养物质成分差异有关，但是目前对草地螟选择取食不同寄主植物的内在机理和生理机制缺乏系统研究。因此,本文利用草地螟对寄主植物的选择性差异,挑选5种植物饲养草地螟幼虫,通过比较其取食不同植物后的生长发育、繁殖及生理参数的差异,来探讨不同寄主植物对草地螟的营养作用[6],结合草地螟幼虫中肠消化酶对不同植物的适应性变化,不仅是从生理机制角度阐明草地螟对植物取食的选择性的重要方面,还通过解析草地螟与寄主植物之间的相互关系及其在长期进化过程中的适应性对策,为全面认识其发生为害规律提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 虫源及饲养条件

虫源:采集自张家口市郊的越冬代蛹,经室内饲养繁殖后供试。羽化后的成虫用5%的葡萄糖水饲养;卵孵化后幼虫用藜(ChenopodiumalbumLinn.俗名灰菜)饲养。成虫和幼虫的饲养条件为(22±1)℃,L∥D=16 h∥8 h,RH 70%～80%。

1.2 寄主植物

试验中所用的植物材料为藜、向日葵(HelianthusannuusLinn.)、大豆[Glycinemax(Linn.) Merr.]、玉米(ZeamaysLinn.)、马铃薯(SolanumtuberosumLinn.)5种植物的幼苗叶片,其中藜采自北京郊区田边,其他4种植物均于中国农业科学院植物保护研究所试验田种植,试验前将采自田间的叶片用蒸馏水冲掉叶面的异物,晾干后将叶片修剪至大小基本相同。

1.3 寄主植物对草地螟幼虫的营养作用

首先将草地螟初孵幼虫在养虫室内用藜饲养,长到4龄和5龄时挑选大小一致的幼虫,饥饿处理 2 h后分别使其取食事先准备好的供试植物叶片,试验方法参照许刚和钦俊德[7]。为防止试验过程中植物叶片萎蔫,在直径为 10 cm的培养皿中放置一张湿润的滤纸,用以保持培养皿内的湿度。将挑选出的草地螟幼虫称重,按每皿5头置于培养皿内。将事先准备好的5种植物叶片分别称重后放入每个培养皿中,用以饲养已称重的幼虫(为保证供试幼虫能连续取食,放入培养皿中的叶片量需多于饲养试验期间供试幼虫的取食量)。饲养24 h后从培养皿中取出幼虫,并将幼虫和幼虫取食后培养皿中剩余的叶片分别称重后放入烤箱,烘干至恒重。此外,试验开始前,将部分挑选出的幼虫和供试植物叶片分别称烘干做对照。记录烘干前后两组重量,计算饲养前供试幼虫和不同植物叶片的干湿比例,依照各干湿比例将饲养前的幼虫重和各植物叶片鲜重换算成干重[7]。

本试验设5次重复,其中每种植物叶片饲养草地螟各龄幼虫数均为25头。

本试验采用3个常用的具有营养学意义的指标,分别为相对生长率(relative growth rate 简称RGR)、相对取食量(relative consumption rate 简称RCR)和食物利用率(efficiency of conversion of ingested food 简称ECI)。营养指标的计算参考Waldbauer[8],所有计算均以试虫和植物叶片的干重为基础。

1.4 寄主植物叶片可溶性糖和淀粉含量的测定

向100 mg磨碎的寄主组织干样中加入10 mL 80%乙醇,搅拌均匀后置于80～85 ℃水浴,保温30 min,冷却后5 000 r/min离心10 min,转移上清液至烧杯中,重复操作1次,保留残渣。将提取的上清置于85 ℃水浴,使乙醇蒸发,至2～3 mL时用蒸馏水定容至50 mL,用蒽酮比色法测定提取液中的可溶性糖含量[9]。

将之前保留的残渣烘干，加入蒸馏水2 mL,沸水浴15 min,期间不时搅拌。冷却后,加入2 mL 9.2 mol/L的过氯酸,持续搅拌后加蒸馏水定容至10 mL,冷却后5 000 r/min离心10 min,取上层液置于小烧杯中。向离心后的残渣中加2 mL 4.6 mol/L过氯酸,持续搅拌10 min,加蒸馏水定容至10 mL,冷却后5 000 r/min离心10 min,再次取上层液置于之前的小烧杯中,用蒸馏水定容至50 mL,测定提取液中的淀粉含量。

用葡萄糖溶液作标准曲线,根据以下公式计算可溶性糖或淀粉含量:

可溶性糖(或淀粉)含量(%)=[C×500/1 000 000]×100

其中,C值为从标准曲线上查得的浓度值。

1.5 寄主植物对草地螟幼虫中肠消化酶的影响

利用南京建成生物工程研究所生产的试剂盒测试取食不同寄主植物的草地螟幼虫中肠胰蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶活力的变化,具体操作按照说明书进行。

1.6 数据分析

应用SPSS软件对试验数据进行分析,用Duncan氏多重比较和t测验进行处理间的差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 取食不同寄主植物对草地螟的营养效应

试验结果表明,不同寄主植物对草地螟幼虫的营养效应有显著的差异。如表1所示,取食不同寄主植物时,草地螟4龄和5龄幼虫的相对取食量、相对生长率和食物利用率均不相同,且差异显著(P<0.05)。其中,草地螟幼虫最喜取食的藜处理组,其各项营养指标均显著优于其他处理组;而草地螟幼虫不喜食的马铃薯处理组,其取食量、生长率和食物利用率均显著低于其他处理组(P<0.05)。

从表1中也可看出,同一处理(寄主植物)对4龄和5龄幼虫的营养效应也存在一定的差异。草地螟幼虫最喜取食的藜处理组中,5龄幼虫的相对取食量比4龄幼虫有所增加(P≥0.05),但相对生长率及食物利用率均显著下降(P<0.05);喜取食的大豆处理组中,5龄幼虫的相对取食量较4龄幼虫有显著下降(P<0.05),但相对生长率和食物利用率均明显增加(P<0.05);向日葵处理组的5龄幼虫,其相对取食量和相对生长率均较4龄下降(其差异分别未达到和达到显著水平),但食物利用率却有所增加(P≥0.05);玉米处理组的5龄幼虫虽然相对取食量较4龄显著下降(P<0.05),但相对生长率和食物利用率均显著增加(P<0.05);而在马铃薯处理组中,5龄幼虫的相对取食量较4龄有所下降(P≥0.05),而相对生长率和食物利用率均较4龄显著下降(P<0.05)。由此可见,除喜食的藜和不喜食的马铃薯在取食量与食物利用率之间存在特殊性之外,其他处理植物在两个不同龄期的取食量与食物利用率之间存在相同的变化趋势。

表1 不同寄主植物对草地螟4、5龄幼虫的营养效应1)

1) 表中数据为平均值±标准误,同列相同小写字母表示处理间差异不显著(P≥0.05);下同。

*表示5龄与4龄的差异显著性(P<0.05)。

Data in the table are mean±SE. The same lowercase letters in the same column indicate no significant difference at 0.05 level; the same blow.*indicates significant difference (P<0.05) between 5th and 4th instars.

2.2 不同寄主植物可溶性糖和淀粉含量的比较及其对幼虫营养参数的影响

从表2可以看出,不同寄主植物叶片的可溶性糖和淀粉含量存在显著差异(P<0.05)。

通过表2结果相关分析可知,寄主植物叶片可溶性糖和淀粉含量对草地螟幼虫营养效应的各项指标有显著影响,尤其是与相对取食量之间有明显相关性。可溶性糖含量和相对取食量(RCR)之间符合直线回归方程:y=0.563x-0.086(r=0.925*,F=17.817,P=0.024<0.05),说明相对取食量与可溶性糖含量显著正相关;淀粉含量与相对取食量(RCR)之间符合直线回归方程:y=2.173-0.278x(r=0.913*,F=15.106,P=0.030<0.05),说明淀粉含量与RCR显著负相关。

表2 不同寄主植物叶片可溶性糖和淀粉含量及其与幼虫营养参数的相关性

草地螟幼虫最喜取食可溶性糖含量最高且淀粉含量最低的藜和大豆叶片,而可溶性糖含量较低,淀粉含量较高的马铃薯和玉米,幼虫最不喜欢取食。由此可以看出,可溶性糖含量越高,淀粉含量越低,该种植物对草地螟幼虫的生长发育越有利,所以幼虫喜欢取食。

2.3 不同寄主植物对草地螟幼虫中肠消化酶的影响作用

通过测定取食不同寄主植物幼虫的中肠消化液中胰蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶的活力,对草地螟中肠液内酶液的差异表达水平上进行研究。

2.3.1 不同寄主植物对草地螟中肠胰蛋白酶活性的影响

由图1可见,取食5种寄主植物12 h后草地螟中肠胰蛋白酶活性的顺序为:藜>向日葵>大豆>马铃薯>玉米;48 h后的酶活力顺序为:向日葵>大豆>马铃薯>藜>玉米;96 h后的酶活力顺序为:马铃薯>大豆>向日葵>玉米>藜。大豆、向日葵和藜处理组的幼虫,其中肠胰蛋白酶活性随时间的增加不断下降,其中藜处理组下降趋势最为明显;而玉米和马铃薯处理组的中肠胰蛋白酶活性则在下降到一定水平后开始回升,即对于非喜食寄主,在刚开始取食时,因为昆虫不能很快很好地消化吸收,相应的酶活性下降,但过一段时间后昆虫可通过调节自身体内酶的量来更好地分解寄主植物,导致相应的酶活性逐渐上升。

2.3.2 不同寄主植物对草地螟幼虫中肠淀粉酶活性的影响

如表3所示,取食不同寄主植物12 h后草地螟中肠淀粉酶活性顺序为:马铃薯>藜>大豆>向日葵>玉米;48 h后的酶活性顺序为:马铃薯>大豆>藜>向日葵>玉米;96 h后的酶活力顺序为藜>大豆>马铃薯>向日葵>玉米。马铃薯、玉米和向日葵处理组的幼虫,其中肠淀粉酶活性在不同时段始终呈下降趋势;取食藜和大豆的淀粉酶活性则表现为由高下降再升高的趋势。

图1 取食不同寄主植物对草地螟幼虫中肠胰蛋白酶活性的影响Fig.1 Differences of the midgut trypsin activity of Loxostege sticticalis larvae after feeding different host plants

2.3.3 不同寄主植物对草地螟幼虫中肠脂肪酶活性的影响

由表4可见,12 h后不同处理组幼虫的中肠脂肪酶活性顺序为:大豆>玉米>藜>马铃薯>向日葵;48 h后的酶活力顺序为:马铃薯>玉米>大豆>藜>向日葵;96 h后的酶活力顺序为:马铃薯>玉米>大豆>向日葵>藜,各处理组之间及不同时间段之间均无明显差异(P≥0.05)。

3 结论与讨论

昆虫与植物在长期进化适应过程中,根据各自不同的需求,形成了多种用以维持自身生存和发展的相互作用和联系,这些相互作用和联系逐步进化成为各种有针对性的适应性[10]。寄主植物因其各部位所含营养物质的质和量不同,通过植食性昆虫对其不同部位的取食,对植食性昆虫的生长发育产生影响[11-13]。昆虫对寄主植物的选择性与食物所含营养成分的质和量是否足以维持其正常生长发育和繁殖有关。在甜菜夜蛾的研究中发现,尽管不同寄主植物对其卵的孵化率无明显影响,但是其不仅对幼虫的发育速率、发育历期、存活率、蛹期以及蛹重产生影响[14-15],对甜菜夜蛾的发育适合度也有影响[16]。本实验室的研究结果已经证明草地螟取食这5种寄主植物对其生长发育和生殖等产生影响[6,17],且寄主植物对草地螟中肠解毒酶和保护性酶系的具有影响[18]。

表3 取食不同寄主植物对草地螟幼虫中肠淀粉酶活性的影响

表4 取食不同寄主植物对草地螟幼虫中肠脂肪酶活性的影响

昆虫的相对取食量、相对生长率和食物利用率均可作为探讨植食性昆虫与寄主植物的相互关系过程中的重要参数,用以反映昆虫生长的状况、对食物的利用情况及喜食程度[7]。本试验结果表明:藜处理组的4龄和5龄幼虫,其3个重要的营养指标—相对取食量、相对生长率和食物利用率均显著高于其他处理组的同龄幼虫。尹姣等研究表明,不仅草地螟成虫对藜具有特异的产卵选择性,同样,幼虫在有藜存在的情况下,从不取食其他作物,即其对藜具有特异的取食选择性[17]。结合这两方面的试验结果可以推断,藜中所含的营养物质最适宜草地螟幼虫的生长发育,这可能是草地螟成虫选择藜产卵的最主要因素,即通过成虫的主动选择性产卵保障幼虫最大限度的存活,是在长期进化过程中形成的昆虫对不同寄主植物的适应性和主动应对性策略[3-4]。

本试验在供试的5种寄主植物中,酶活测定结果表明,取食藜、大豆和向日葵的幼虫中肠消化酶较取食其他2种寄主植物的中肠酶活性更强,这与草地螟更喜取食藜、大豆和向日葵,其中最喜取食藜的结果是一致的。有研究表明,植物中可溶性糖含量和淀粉含量与植物的抗虫性之间存在一定的相关性,不同植物对不同昆虫所表现出的抗虫效果也不同[18-20]。植食性昆虫对于所取食的寄主植物营养物质的利用和转化与其中肠消化酶活力密切相关。本研究结果表明,可溶性糖和淀粉在不同供试寄主植物叶片中的含量均存在显著差异,可溶性糖含量高、淀粉含量低的植物草地螟幼虫更喜食。由此可以推断寄主植物可溶性糖含量和淀粉含量可能是幼虫选择寄主植物的一个重要因素。同时,草地螟幼虫取食不同寄主植物后中肠消化酶会随着取食时间的延长,不仅酶含量会发生显著变化,且不同种类消化酶的含量和比例也明显不同。这些差异可能是由于不同寄主植物中所含营养成分不同所造成的,这也可能是昆虫在长期的进化发育中对不同寄主植物的一种适应。昆虫可以通过自身的主动调节,最大限度地消化和利用所取食的化合物,这可能是其在长期进化过程中草地螟幼虫主动应对不利环境条件的方式。这一应对方式在其他昆虫上亦得到了验证,如通过调整脂肪酶活力,甜菜夜蛾幼虫可有效地利用和转化取食的寄主植物的有利脂肪酸[16]。

综上所述,寄主植物的种类以及幼虫体内消化酶对寄主植物营养物质的消化和利用能力是影响草地螟生长发育的主要因素,此研究结果为进一步阐明草地螟对不同寄主植物选择性的生理机制奠定了基础。通过本项研究,不仅可以进一步解析在长期进化过程中草地螟对寄主植物的适应性和主动应对性策略,而且可以更全面地认识其发生为害规律,并为进一步对草地螟进行综合防治提供一定的理论依据。

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(责任编辑：田 喆)

Influences of different host plants on the nutrition and digestive enzymes ofLoxostegesticticalis

Wang Qianqian1,2, Wang Lei2, Li Kebin2, Cao Yazhong2, Yin Jiao2, Xiao Chun1

(1.College of Plant Protection, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2. State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests, Institute of Plant Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

Phytophagous insects can get nutrients from their digestion and assimilation of foods after feeding, which provides a guarantee for their normal growth and development. There are great difference in the quality and counts of nutrients. In this study,Chenopodiumglaucum,Glycinemax,Helianthusannuus,ZeamaysandSolanumtuberosumwere used as the test host plants to feed theLoxostegesticticalislarvae. The results indicated that the relative consumption, relative growth rate and food utilization rate ofL.sticticalislarvae feeding different plants were significantly different (P<0.05) and the activities of their intestinal digestive enzymes were entirely different. Feeding with the favorite plantChenopodiumglaucum, three nutritional indexes were obviously better than those of the others, and the activity of midgut digestive enzyme was the highest. Though relative consumption, relative growth rate and food utilization rate of the unfavorable host plantsZeamaysandSolanumtuberosumwere lower than the others, but the enzymatic activity was increasing along with increasing feeding time. This phenomenon may be the adaption of insects to unfavorable host plants.

Loxostegesticticalis; nutrition efficiency; relative growth rate; relative consumption; food utilization rate; midgut digestive enzyme

2014-04-24

2014-06-10

公益性行业(农业)科研专项(201003079)

Q 965，S 433.4

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.04.008

* 通信作者 E-mail：尹姣aijiaozi@163.com；肖春x.chun@163.com