沈嘉程，廖为财，罗 鹏，王广利*

（1.江西农业大学 农学院，江西 南昌 330045；2.江西省赣州市植保植检局，江西 赣州 341000）

【研究意义】植食性昆虫对某种植物的产卵或取食选择分为两步，一是通过嗅觉系统感知来自植物的挥发性化学信号，再经过视觉与嗅觉定位到寄主植物；二是降落植物后，昆虫咬食植物组织，通过其味觉系统来判定该植物是否适合其取食或产卵。昆虫接受该植物后也不一定会将该植物作为其完成世代的寄主植物，还应满足该植物内必须含有昆虫生长、发育和繁殖所需的营养物质，且这些营养物质可以被吸收利用[1-2]。不同植物体内的营养物质种类基本相同，均能满足昆虫的基本营养要求，只是营养物质含量或比例上可能存在差异，导致取食不同植物后昆虫生长发育出现差异[3]。【前人研究进展】西花蓟马Frankliniella occidentalis取食甘蓝和莴苣后的存活率和繁殖力更高，可能是因为这两种植物含有较高的可溶性蛋白质和可溶性糖[4]。在植物营养成分满足昆虫生长发育的同时，植物组织的次生代谢物质是决定昆虫选择寄主的关键因素。当植物受到有害生物或微生物攻击时，可通过合成并释放次生代谢物质对不良环境进行防御反应。植物次生代谢物质具有防御、通讯、吸引昆虫等功能，如图1[5]。目前已发现超过10万种植物次生代谢物质，包括生物碱、萜类和酚类等。研究表明，植物的新生部位或器官，这些易被侵害的部位的生物碱含量超过植物体其他部位的含量[6]。烟草可自我合成大量烟碱，烟草天蛾（Manduca sexta）取食烟草叶片后，能使叶片中的尼古丁（nicotine）和去甲尼古丁（nornicotine）2 种生物碱含量急剧升高，导致烟草天蛾幼虫生长发育受阻[7-8]。烟草受到烟草天蛾幼虫的取食为害后，会释放出香樟醇和倍半萜化合物以吸引烟草天蛾幼虫的天敌，从而间接防御烟草天蛾为害[9]。自然界中植物产生的多酚类物质常被用于防御害虫的入侵和真菌细菌的感染[10]。挪威云杉被小蠹携带的伴生真菌感染后，其树皮中含有的酚类化合物——二苯乙烯苷含量明显上升[11]。单宁在植物体内含量也较多，故被认为是植物体内主要的防御性化合物，尤其是木本植物，大多依靠单宁进行防御[12]。因此，植物体内次生代谢物质含量可作为评估植食性昆虫为害与否的重要依据之一。【本研究切入点】桑天牛Apriona germari（Hope）为我国杨树、桑树等多种林果植物的重要蛀干害虫，分布广泛。桑天牛成虫取食桑树、构树等桑科植物韧皮部来补充营养，产卵于杨树等植物木质部[13-14]，但成虫选择行为与树种内含化学物质的关系尚不明确。【拟解决的关键问题】为进一步了解桑天牛成虫的寄主选择机理，主要对桑天牛寄主与非寄主植物的营养物质和次生代谢物质含量及其与寄主选择的相关性进行比较分析，为探寻其生态调控技术提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试虫源与行为观察

供试虫源采集自江西省九江市永修县立新乡野外杨树、构树、桑树和苦楝树枝条上的健康桑天牛，带回室内于自制饲养盒中饲养。养虫盒长22 cm，宽15 cm，高12 cm，盒盖上打孔以通气，内放1 根直径约2 cm 的1～2 年生构树枝干，每天更换新鲜枝条，并在每个盒内放一团湿棉球，以保持养虫盒湿度。另外，因天牛同性斗殴的习性可能会造成的损伤，每盒只放入1只天牛。

行为观察装置是自行设计并组装。将5个铁丝笼（100 cm×100 cm×100 cm）拼接，位于正中间铁丝笼的4 个面分别与其余4个笼相连，其相连处仅为框架相连，连接面无网而保持两笼相通，使5 个铁丝笼内部相通呈“十”字形（图1）。

图1 行为观察装置Fig.1 Behavior observation device

测试方法：以位于正中央的铁丝笼为中心，在中心铁笼与其他铁笼的连接处分别放入桑树、构树、杨树和苦楝4 种植物的新鲜枝条，枝叶一端插入装满水的容器，以保证枝叶新鲜。实验开始后，将10 头桑天牛放入测试装置的中央铁丝笼底部，在3 d 内观察桑天牛24 h 内在各个笼内的分布情况，每小时记录桑天牛雌雄成虫在各笼内及枝干上的分布数量。雌雄成虫各重复实验6次。

1.2 供测枝条样品的收集及处理

以桑天牛产卵寄主植物——杨树和成虫补充营养植物——桑树、构树作为研究材料，其中以桑天牛非寄主植物——苦楝作为对照。于江西省永修县立新乡采集桑天牛寄主和非寄主植物1～2 年生枝条。野外剪下枝条后放入液氮罐内短暂保存带回实验室，于室内剥取枝干木质部和韧皮部，并将样品分批次放入90 ℃烘箱中烘4 h至恒重，取出冷却后称量再捣碎，过60目分样筛，样品存放在干燥器中备用。

1.3 植物营养物质和次生代谢物质测定方法

本试验使用蒽酮法对样品可溶性糖进行定量分析；还原性糖和黄酮的测定参考孙萍[15]的方法；考马斯亮蓝（coomassie brilliant blue）对样品可溶性蛋白含量进行分析[16]；总酚含量的测定采用Folin-Ciocalteu法[17]；单宁含量的测定采用香草醛比色法[18]。每个测试指标重复3次。

1.4 统计分析

试验数据均使用SPSS 23.0软件进行方差比较和相关性分析（ANOVA），不同组织间的差异分析采用Duncan’s检验。

2 结果与分析

2.1 桑天牛雌雄成虫对4树种枝条的选择率

桑天牛成虫在24 h 内，雄虫有约60%选择在构树枝条上取食，30%选择桑树取食，雌虫有约77.7%选择构树取食，22.2%选择桑树取食，但仅有约10%的雌雄成虫选择杨树和苦楝取食，其中雌虫选择非取食寄主的比例显著低于雄虫，表明其雌虫的取食选择行为较雄虫敏感（图2）。

图2 桑天牛雌雄成虫在24 h内对4树种枝条的选择情况Fig.2 Feeding preference of female and male adults of Apriona germari on 4 plants in 24 h

2.2 4树种韧皮部营养成分和次生代谢物质含量比较

桑天牛成虫取食寄主构树与桑树枝干韧皮部的可溶性糖含量为最高，成虫产卵寄主杨树枝条韧皮部的可溶性糖与苦楝相比没有显著差异。4 树种枝条韧皮部还原性糖含量由高到低依次为杨树（85.18）、苦楝（76.51）、构树（59.41）和桑树（47.30）；4树种枝条韧皮部可溶性蛋白含量相比于糖含量均较低，其含量范围为2.00～3.50 μg/mg，其中杨树韧皮部可溶性蛋白质含量为最高（3.49 μg/mg），构树次之，桑树和苦楝相比无显著差异（表1）。

苦楝枝条韧皮部的3 类次生代谢物质含量均较低，与其他3 种树种差异显著。4 树种枝条韧皮部的总酚含量均显著高于单宁和黄酮的含量（表1），其中杨树枝条韧皮部总酚含量为最高（30.53 μg/mg），显著高于其他3 树种；单宁在4 种植物中的含量均较低，其中杨树枝条韧皮部单宁含量最高（1.32 μg/mg），显著高于其他3 树种，构树和桑树则无显著差异；4 树种枝条韧皮部黄酮含量由高到低依次为桑树（5.21 μg/mg）、杨树（4.55 μg/mg）、构树（2.18 μg/mg）和苦楝（1.40 μg/mg）。

表1 4树种枝条韧皮部营养成分和次生代谢物质含量Tab.1 The content of nutrient components and secondary metabolites in brantches phloem μg/mg

2.3 4树种木质部营养成分和次生代谢物质含量比较

可溶性糖和还原性糖在4 种树种枝条木质部的含量均远高于蛋白质含量（表2）。构树和桑树可溶性总糖含量相对较高，分别为81.67 μg/mg 和71.67 μg/mg，杨树为49.29 μg/mg，苦楝仅为39.18 μg/mg。在还原性糖含量指标上，构树和苦楝分别为29.42 μg/mg 和23.54 μg/mg，分别高于杨树（15.92 μg/mg）和桑树（17.39 μg/mg）。杨树、构树、桑树和苦楝的木质部可溶性蛋白含量分别为0.41，1.15，0.49，0.67 μg/mg，以构树枝条含量最高。

表2 4树种木质部主要营养成分和次生代谢物质含量Tab.2 Nutrient components and secondary metabolites contents of xylem μg/mg

非寄主苦楝枝条木质部的总酚（6.50 μg/mg）和单宁（0.72 μg/mg）含量均显著高于其他3树种（表3）；杨树和桑树枝干木质部总酚含量差异不显著，但均高于构树（2.69 μg/mg）；单宁在杨树、构树和桑树枝干木质部中的含量为0.05～0.10 μg/mg，差异不显著；桑树枝和构树枝木质部黄酮含量显著高于其他2 种树种，构树枝略高于桑树枝，但二者间无显著差异。

2.4 4树种主要营养成分及次生代谢物质总含量的差异分析

4 树种枝条韧皮部与木质部可溶性糖总含量均远高于其他营养成分（表3），构树枝可溶性总糖含量最高，为316.89 μg/mg，桑树枝次之为277.36 μg/mg，苦楝最低，为247.78 μg/mg。实际观察林间桑天牛主要取食构树和桑树枝条，这与二者的可溶性糖和可溶性蛋白质含量较高及单宁总含量较低相一致，而还原性糖含量在取食寄主（构树、桑树）与非寄主（苦楝）、取食寄主与产卵寄主（杨树）间差异显著，推测桑天牛成虫更偏向于取食还原性糖含量较低的植物。

杨树枝条总酚含量远高于其他3 树种，与非寄主苦楝的比较也有显著差异；取食寄主构树和桑树枝单宁含量显著低于非寄主苦楝和产卵寄主杨树；取食寄主构树和桑树枝的黄酮含量均显著高于苦楝（表3）。

表3 4树种木质部和韧皮部营养成分和次生代谢物质总含量比较Tab.3 Comparison of nutrients and secondary metabolites of xylem and phloem μg/mg

2.5 桑天牛对4树种的选择率与其营养成分及次生代谢物质含量的相关性分析

通过分析桑天牛成虫在24 h内对4树种枝干取食选择率和4种植物枝干韧皮部营养物质含量发现，雌雄成虫取食选择比例与枝干可溶性糖含量均表现为正相关性，相关系数分别为0.946 和0.953，P=0.001＜0.05，显著相关；桑天牛雌雄成虫取食选择率与枝条可溶性蛋白质没有相关性，P分别为0.867 和0.603＞0.05，说明枝条可溶性蛋白含量不是影响桑天牛取食选择的主要因素；雌雄成虫选择率与枝条韧皮部还原性糖含量呈显著负相关，且达到显著性水平（P=0.006 和0.037＜0.05），相关系数分别为-0.741和-0.606，即枝条还原性糖含量与桑天牛取食选择比例呈负相关。

通过分析桑天牛雌雄成虫在24 h内取食选择率与4种植物枝条韧皮部次生代谢物质含量发现，雌雄虫取食选择率与枝条韧皮部总酚含量均呈负相关，其相关系数分别为-0.167 和-0.2，这说明总酚能抑制成虫取食；雌雄成虫选择比例与单宁含量的相关性表现差异显著，雄虫选择率与单宁含量呈负相关，相关系数为-0.584 且达到显著水平（P=0.046＜0.05），这说明单宁作为取食抑制成分，对雄虫取食选择行为影响较大，但雌虫选择率与单宁含量虽然也表现为负相关性，但差异不显著；雌虫选择率与枝条黄酮含量表现为正相关性，相关系数为0.623，且达到显著水平（P=0.031＜0.05），表明雌虫比较偏好取食黄酮含量高的韧皮部组织，而雄虫选择率与黄酮含量则不相关，说明黄酮含量对雄虫取食选择行为基本无影响。

3 讨论与结论

决定植食性昆虫是否在某一植物上取食的决定性因素是该植物的化学成分，也就是次生代谢物质和营养成分的影响，也正如本试验结果一样，不同种类的植物枝条其内含化学物质的含量也是有差异的，这些内含化学物质种类与含量的动态性直接影响了植食性昆虫的取食行为及发育繁殖[19]。对于不同的寄主植物来说，其取食部位的营养成分及次生代谢物质含量均会在一定程度上影响到植食性昆虫的生长、发育和繁殖。

大多数昆虫的寄主植物都是同科甚至同属的植物，如桑天牛的天然寄主桑树和构树，相比于杨柳科的杨树而言，作为同科植物，其内营养物质成分与含量以及次生代谢物质相似，而杨树的木质部的营养成分种类虽大同小异，但是其含量对于桑天牛幼虫来说并不能满足桑天牛幼虫的正常发育，幼虫的营养获取效率较桑树和杨树低很多，导致桑天牛幼虫发育历期长、生长缓慢。杨树木质部含有少量单宁及黄酮，但总酚的含量较高，也说明了杨树抗逆性更强[20]。单宁（tannin）是植物本身自然生成的多元酚化合物，也称为鞣酸，昆虫摄入单宁后，可与昆虫的中肠壁上的蛋白质结合，致使蛋白质沉淀，降低中肠对蛋白质、氨基酸等营养成分的利用率，最终导致植食性昆虫因营养不良而生长发育缓慢，当单宁与淀粉络合后，也会降低昆虫对淀粉的消化和吸收[21]，天牛对树枝韧皮部的单宁含量非常敏感，单宁含量高的树种天牛为害就低，因此单宁含量的高低也反映了树木抗性的强弱程度[22]，树枝总酚含量也能抑制松墨天牛取食，松墨天牛偏好取食总酚含量低的马尾松[23]，光肩星天牛成虫也喜食总酚和单宁含量低的植物[24-25]，松毛虫取食单宁和总酚含量高的虫害松针后，幼虫发育历期明显变长[26]。寄主植物的主要取食部位的可溶性糖、可溶性蛋白含量的存在比例对昆虫取食和产卵均有一定的影响[27]。本试验发现杨树枝条木质部蛋白质含量比成虫补充营养寄主低，推测这可能也是桑天牛产卵偏好的一个因素，柳树枝干木质部可溶性蛋白含量与光肩星天牛雌虫产卵量、卵孵化率和越冬幼虫存活率表现为负相关性，而韧皮部蛋白含量则相反，含水量高对卵孵化和幼虫发育不利，也可作为抗性指标之一[28]。李慧玲等[29]认为雌虫对不同植物产生产卵偏好性是由遗传基因、幼虫取食经历和成虫产卵取食行为联合决定的，不论是幼虫还是成虫，生长发育均需要大量的糖类，因此产卵植物的木质部和成虫补充营养植物的韧皮部一定含有大量的糖类物质，才能完成其发育周期。

桑科植物作为桑天牛成虫的主要取食寄主，成虫通过啃食桑科植物枝皮可以获得营养。本研究结果证实了桑科植物韧皮部含有大量的糖及蛋白质，取食桑科植物韧皮部的成虫可以获得大量的营养物质，这与成虫多次交尾，以及雌虫产卵量高等习性密切相关，相关性分析的结果也证实了雌雄成虫偏好取食可溶性糖含量高的枝条。研究发现可溶性糖是昆虫生命周期中必须氨基酸的合成前体物质[30]。桑天牛成虫主要取食构树和桑树枝条韧皮部，这两树种枝条中营养成分含量均高于杨树和苦楝，但是总酚及单宁的含量却最低。高含量的可溶性总糖及可溶性蛋白是桑天牛最主要的营养物质，但桑天牛成虫选择以构树枝条为补充营养寄主，很可能是因为该枝条酚类和单宁这两类次生代谢物质含量较低，该结果与前人研究结果[31-32]相似。与构树类似，桑树营养成分含量也较高，林间调查发现桑树枝条危害较构树轻，推测可能是桑树酚类和单宁含量较高所导致的结果。

桑天牛成虫选择杨树产卵，而很少在构树产卵，可能是因为构树植株较为矮小，无法满足幼虫的长期取食，因此林间构树枝干被桑天牛幼虫危害的情况时有发生，但成虫羽化孔却极少。此外，杨树枝条木质部的黄酮含量比构树枝条低，而黄酮也可作为抗虫性的次生代谢物质[33]，水茄的黄酮提取物对小菜蛾幼虫具有较强的毒性[34]，由此推测成虫产卵于杨树的部分原因是其黄酮含量较低，幼虫存活率更高。相关性分析和实验结果均表明桑天牛成虫不喜食还原性糖含量高的枝条，而苦楝枝皮还原性糖较高，也可能与其他树种特异性产物有关，如苦楝果提取物对桑天牛的产卵行为具有显著的抑制作用[35]。综合考虑杨树分布区中桑天牛的生态控制问题，应关注桑天牛成虫取食寄主植物等因素，清理林间或林缘的桑科植物，适度保留桑科植物作为引诱带或诱饵树，保留或种植苦楝等桑天牛非寄主植物，达到减少成虫食物，抑制桑天牛种群扩大的效果。同时，在桑天牛抗性树种的选育中，次生代谢物质含量可考虑作为抗性指标之一。