美國白蛾生長發育對寄主植物不同次生代謝物質的適應性1)

王沫 姜礅 孟昭軍 嚴善春

(東北林業大學，哈爾濱,150040)

在長期的進化過程中，昆蟲與寄主植物之間形成了變換多樣、程度不同的相互適應關系，但由于不同寄主植物的營養組成、次生代謝物質等不同，對昆蟲的生長發育、繁殖，以及其體內的生理、生化指標均有不同程度的影響，導致昆蟲蟲口密度的動態變化。為了更好地生存和繁殖，昆蟲需要不斷地提高自身對寄主植物的適應能力[1]。植物次生代謝物質是植物對生態環境的一種適應，能夠使植物在與其他植物相互競爭和協同進化過程中提高生存競爭力，防御植食性昆蟲的取食危害是昆蟲在取食過程中遇到的主要障礙之一[2-3]。相應地，植食性昆蟲也可通過快速進化，提高其對寄主的選擇適應性，改變取食策略，調節生長發育的節律，以及規避自然天敵等行為，逃避、抑制或改變植物的防御[4]。

植物中的次生代謝物質種類很多，如酚甙類及酚酸類化合物。大多數植物次生代謝物質對植食性昆蟲的生長發育具有一定的抑制作用，且部分次生代謝物質對其具有驅避、引誘、拒食、毒殺、不育等作用[5]。例如單寧對青楊天牛(Saperdapopulnea)具有一定的忌避作用，能夠控制青楊天牛的危害程度[6]；大豆能夠合成黃酮類物質抑制鱗翅目幼蟲的取食危害[7]；肉桂酸能夠較好地抑制青楊脊虎天牛(Xylotrechusrusticus)幼蟲的生長[8]；水楊甙的含量與天牛幼蟲的孵化率呈負相關，含量越高，對天牛的抗性越強[9]；對羥基苯甲酸會導致昆蟲的發育歷期延長，提高青楊天牛的死亡率[10-11]。然而面對植物的防御體系，植食性昆蟲在選擇壓力的作用下，能夠演化出多種反防御機制以維持種群發展，其中植食性昆蟲依賴靈敏的感覺作用,包括視覺、嗅覺、味覺和觸覺，能夠對不同種類植物所含的次生代謝物質精準識別,規避有毒的次生代謝物質，并且植食性昆蟲的選擇壓力隨寄主植物種類和生長環境的不同而變化，從而提高對寄主植物的適應性[4，12]。

美國白蛾(Hyphantriacunea)屬鱗翅目(Lepidoptera)燈蛾科(Arctiidae)，原產于北美地區的美國和加拿大，后傳入歐洲和亞洲，嚴重危害林木和農作物，是一種極易暴發成災的國際檢疫害蟲[13]。美國白蛾的寄主植物多達49科108屬175種,是我國重大的外來入侵害蟲[14]。根據國家林業局2018年公布顯示，美國白蛾目前分布在我國11個省份，縣級疫區572個[15]，危害甚廣。為探明美國白蛾對不同寄主植物的適應性，本研究分析了寄主植物單寧、黃酮、肉桂酸、水楊甙和對羥基苯甲酸5種次生代謝物質對美國白蛾生長發育的影響，為尋求高效且環境友好的害蟲防控新途徑提供思路和理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試昆蟲

美國白蛾蟲卵及人工飼料由中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所提供。試驗前將卵塊先用體積分數10%的甲醛溶液消毒30 min，再用清水沖洗3次后，將卵塊置于養蟲盒中，放入光照培養箱(哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司HPG-280HX型)中進行孵化飼養。飼養條件:相對濕度70%～80%，光周期12L∶12D，溫度(25±1)℃。待幼蟲孵化后，使用人工飼料將幼蟲飼喂至3齡。

1.2 試驗處理

將新蛻皮的3齡幼蟲分為11組，每組30頭，按表1的試驗設計，在飼料中添加不同質量分數的次生代謝物質，飼喂幼蟲，對照組不添加任何次生代謝物質，每組3個重復。飼喂幼蟲生長到4、5、6齡時，從各組的3個重復中，隨機挑選10頭蛻皮不超過24 h的幼蟲，測量其體質量、體長和頭殼寬。每天記錄，統計其存活率、發育歷期、化蛹率、羽化率。幼蟲化蛹后測量蛹質量。

表1 美國白蛾幼蟲人工飼料中次生代謝物質質量分數

1.3 數據處理

幼蟲存活率=(化蛹前幼蟲數量/飼養幼蟲初始數量)×100%。

化蛹率=(蛹的數量/化蛹前幼蟲數量)×100%。

羽化率=(羽化數量/蛹的數量)×100%。

用SPSS 21.0對所得數據進行獨立樣本T檢驗，比較美國白蛾同一齡期下各處理組與對照組之間的差異顯著性(α<0.05)。

2 結果與分析

2.1 次生代謝物質對美國白蛾4～6齡幼蟲生長發育的影響

2.1.1 對4～6齡幼蟲體質量的影響

由表2可知，相同處理組的美國白蛾幼蟲各齡級與對照相比，在單寧和黃酮處理組，除H1組的4齡幼蟲外，H1組的5～6齡及其余處理組4～6齡幼蟲體質量均顯著低于對照。肉桂酸處理組中，4、6齡幼蟲體質量與對照相比差異不顯著，而5齡幼蟲顯著低于對照(P<0.05)。在水楊甙和對羥基苯甲酸處理組中，S1組的6齡幼蟲和BJ1組的4齡幼蟲體質量與對照組無顯著差異，其余組均顯著低于對照(P<0.05)。在相同次生物質的不同質量分數處理組間，4齡幼蟲，黃酮和對羥基苯甲酸不同組間差異顯著；5齡幼蟲，黃酮和單寧不同組間差異顯著；6齡幼蟲，單寧不同組間差異顯著；均表現為與次生物質質量分數負依賴關系，幼蟲體質量表現為高質量分數組顯著低于低質量分數組(P<0.05)。

2.1.2 對4～6齡幼蟲體長的影響

由表2可知，與對照相比，單寧和黃酮處理組中，D1、D2、H2處理組4～6齡幼蟲體長均顯著低于對照，而H1處理組僅6齡幼蟲的體長顯著低于對照(P<0.05)。肉桂酸處理組中，4、5齡幼蟲體長與對照無顯著差異，R2組6齡幼蟲體長顯著低于對照(P<0.05)。在水楊甙和對羥基苯甲酸處理組中，S2組5、6齡幼蟲，BJ1組6齡和BJ2組4、6齡幼蟲體長顯著低于對照(P<0.05)。在相同次生物質的不同質量分數組間，4齡幼蟲，黃酮和對羥基苯甲酸不同組間差異顯著；5齡幼蟲，水楊甙不同組間差異顯著；6齡幼蟲，單寧和水楊甙不同組間差異顯著；均與次生物質質量分數呈負相關關系，高質量分數組顯著低于低質量分數組(P<0.05)。

表2 次生代謝物質對美國白蛾4～6齡幼蟲生長發育的影響

注：表中數據均為平均值±標準誤；n=10；同列不同小寫字母表示各處理組與對照組之間差異顯著，*代表同種物質不同質量分數處理之間差異顯著(P<0.05)。

2.1.3 對4～6齡幼蟲頭殼寬的影響

由表2可知，在單寧、黃酮、水楊甙和對羥基苯甲酸處理組中，美國白蛾4、5、6齡幼蟲頭殼寬均顯著低于對照(P<0.05)。肉桂酸處理組中，4、5齡幼蟲頭殼寬顯著低于對照，而6齡幼蟲與對照差異不顯著(P>0.05)。4齡幼蟲，黃酮不同組間差異顯著；5、6齡幼蟲，單寧不同組間差異顯著，表現為與次生物質質量分數負依賴關系，高質量分數組顯著低于低質量分數組(P<0.05)。

2.1.4 對末齡幼蟲存活率的影響

由表3可知，與對照相比，單寧處理組中，美國白蛾幼蟲未發育至末齡便全部死亡，幼蟲存活率為零，其余處理組均與對照差異不顯著(P>0.05)。

表3 植物次生代謝物質對美國白蛾末齡幼蟲生長發育的影響

注：表中數據均為平均值±標準誤;n=10；同列不同小寫字母表示各處理組與對照組之間差異顯著(P<0.05)；*代表同種物質不同質量分數處理之間差異顯著(P<0.05)。

2.2 次生代謝物質對美國白蛾末齡幼蟲生長發育的影響

由表3可知，與對照相比，蛹質量，單寧處理組幼蟲未至化蛹便全部死亡，無化蛹及羽化；其余處理組，除R1組外，蛹質量均顯著降低(P<0.05)。幼蟲發育歷期，H1和H2處理組與對照相比顯著延長，其余組與對照均差異不顯著?；悸?，S1處理組顯著高于對照；羽化率，BJ2處理組顯著低于對照(P<0.05)，其余處理組化蛹率和羽化率均與對照無顯著差異(P>0.05)。

3 結論與討論

次生代謝產物在植物防御病蟲害、抵御外界不良刺激、適應外界環境、提高自身生存及繁殖能力等方面起到重要作用[16]，而植食性昆蟲對植物次生代謝物質具有不同的適應能力，這種適應能力與次生代謝物質的含量密切相關。孫守慧等[17]研究發現，青楊天牛幼蟲對香豆酸和阿魏酸等適應能力較強，死亡率相對較低，而對苯酚、綠原酸等適應能力較弱，且含量越高，適應性越差。Wang et al.[18]發現舞毒蛾(Lymantriadispar)幼蟲對楊樹不同次生代謝物質呈現出不同的適應能力，表現為對咖啡酸和蘆丁適應能力較強，對黃酮的適應能力較弱。在本研究中，基于美國白蛾4～6齡幼蟲的體質量、體長和頭殼寬以及末齡幼蟲的存活率、蛹質量、發育歷期、化蛹率和羽化率等生長發育指標，發現其對5種次生代謝物質的適應性由強到弱依次為肉桂酸、水楊甙、對羥基苯甲酸、黃酮、單寧，對肉桂酸的適應性最強，對單寧的適應性最差。說明美國白蛾對寄主林木不同次生代謝物及其不同質量分數具有不同程度的適應能力。

單寧是一類大分子量的多元酚化合物，昆蟲取食單寧后，能夠影響昆蟲腸道對淀粉、脂質、總蛋白等營養物質的消化，同時也可影響一些含金屬元素酶的活性，顯著抑制昆蟲的取食以及生長發育，被視為一種抗營養因子[19-22]。邵婭等[23]發現，單寧對豌豆蚜(Acyrthosiphonpisum)的生長發育及繁殖有明顯的抑制作用；劉偉等[24]在對單寧酸對甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)幼蟲生長發育及酚氧化酶活性的抑制作用的研究中發現，隨著單寧的質量濃度增大，甜菜夜蛾幼蟲的死亡率逐漸增大，單寧的抑制效應逐漸增強。在本研究中,美國白蛾幼蟲取食單寧后，生長發育顯著受到抑制，幼蟲死亡率100%，幼蟲未至化蛹全部死亡，說明美國白蛾對單寧的適應能力較差，進一步說明單寧是植物體內與抗蟲性相關的重要次生代謝物質[25]。

酚酸和酚甙類物質被認為是植物重要的防衛物質，在昆蟲與植物的相互作用之間發揮著介導作用[26]。王曉麗等[27]研究發現，酚類植物次生代謝物質對舞毒蛾2齡幼蟲都具有一定的毒殺和拒食作用；諸姮等[28]研究發現，黃酮主要通過抑制昆蟲取食和增強昆蟲代謝負擔來協助植物抵御昆蟲的危害；房建軍[29]發現，從美洲黑楊中提取的水楊甙對光肩星天牛(Anoplophoraglabripennis)幼蟲生長發育存在不同程度的負作用。本研究發現，在黃酮處理組中，美國白蛾幼蟲體質量、體長、頭殼寬，4齡幼蟲在高質量分數處理組顯著降低(P<0.05)，但5、6齡幼蟲在不同質量分數處理組未見明顯差異；發育歷期比對照顯著延長。這可能是由于隨著飼喂期的延長，幼蟲對黃酮逐漸適應，破解了高質量分數對它的毒害影響，但代價是發育遲緩，歷期延長。肉桂酸處理組4～6齡幼蟲體質量、體長、頭殼寬和蛹質量均有不同程度的降低，但是存活率、發育歷期、化蛹率以及羽化率與對照差異不顯著，說明美國白蛾幼蟲對肉桂酸具有比較強的適應能力。Smiley et al.[30]研究發現，柳樹無性系受葉甲危害程度與水楊甙含量呈負相關；王蕤等[31]研究發現，對羥基苯甲酸的存在及其質量分數的差異與植物抗蟲性強弱相關聯。本研究發現，水楊甙和對羥基苯甲酸處理組中，美國白蛾的體質量、體長、頭殼寬均有不同程度的降低，對羥基苯甲酸高質量分數處理組羽化率顯著低于對照。在水楊甙低質量分數處理組化蛹率顯著高于對照，說明美國白蛾對低質量分數的水楊甙能逐漸適應并加以利用，促進其化蛹和羽化作用；在水楊甙高質量分數處理組化蛹率則低于對照。Lindroth et al.[32]認為，酚甙類物質只在高含量下對昆蟲產生毒害作用，與本研究結果相似。美國白蛾幼蟲存活率，除單寧外其余處理組與對照均差異不顯著；雖然蛹質量均與對照差異顯著，但化蛹率和羽化率未受明顯影響。說明美國白蛾對寄主植物次生代謝物有逐漸適應解毒能力，這種適應性變化促進了其對寄主植物的反防御，降低次生代謝物質對其的危害，擴大了其對寄主植物的適應范圍[4，33]。

綜上所述，美國白蛾的生長發育對單寧、黃酮、肉桂酸、水楊甙和對羥基苯甲酸這5種不同質量分數的次生代謝物質呈現出不同程度適應能力。單寧質量分數高的林木將抑制美國白蛾的危害。