王明飛，戚秀秀，王中華，劉藝凝，姜 瑛*，孫 曉

（1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450002；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712199；3 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510642；4 河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南開(kāi)封 475000）

小麥作為世界上最重要的糧食作物之一，是僅次于玉米和水稻的第三大糧食作物[1]，而蚜蟲(chóng)是小麥減產(chǎn)的主要害蟲(chóng)之一[2]。我國(guó)黃淮地區(qū)比較常見(jiàn)的蚜蟲(chóng)有麥長(zhǎng)管蚜Sitobion avenae(Fabricius)、禾谷縊管蚜Rhopalosiphum padi、麥無(wú)網(wǎng)長(zhǎng)管蚜Metopolophium dirhodum(Walker) 等，其中麥長(zhǎng)管蚜是小麥幼苗期、揚(yáng)花至灌漿期蚜蟲(chóng)的優(yōu)勢(shì)種之一[3]。麥長(zhǎng)管蚜從小麥的韌皮部吸取汁液，使其穗部受害，造成麥粒癟小，以致嚴(yán)重減產(chǎn)。研究表明，當(dāng)小麥穗部的麥長(zhǎng)管蚜蟲(chóng)達(dá)100頭/穗時(shí)，小麥減產(chǎn)高達(dá)44.26%[4]。此外，麥長(zhǎng)管蚜還會(huì)傳播小麥病毒病[5]。研究表明可通過(guò)增加小麥葉片顏色以及蠟質(zhì)層厚度等物理防御來(lái)調(diào)控小麥外部環(huán)境[6]；也可以使用化學(xué)防治技術(shù)，但傳統(tǒng)合成殺蟲(chóng)劑不僅會(huì)對(duì)部分有益昆蟲(chóng)產(chǎn)生有害影響，還會(huì)影響環(huán)境安全[7]，蚜蟲(chóng)也會(huì)通過(guò)進(jìn)化從而增強(qiáng)對(duì)殺蟲(chóng)劑的抗性[8]。

硅是地球表面含量?jī)H次于氧的大量元素[9]，能夠緩解作物的生物(如病蟲(chóng)害)脅迫[10]。研究表明，硅在植物細(xì)胞表皮的沉積提高了葉表的粗糙度與機(jī)械強(qiáng)度，增加植食性昆蟲(chóng)刺吸與取食的困難[11]。施硅后的小麥可通過(guò)增加多酚氧化酶、苯丙氨酸解氨酶和過(guò)氧化物酶3種防御酶的活性，增強(qiáng)小麥對(duì)麥二叉蚜Schizaphisgraminum(Rondani) 的抗性[12]。此外，研究發(fā)現(xiàn)小麥對(duì)蚜蟲(chóng)的抗性與植株體內(nèi)可溶性糖含量呈正相關(guān)，與可溶性蛋白和氨基酸的含量呈負(fù)相關(guān)[13–15]。

植物揮發(fā)物是植物防御害蟲(chóng)侵襲的一類物質(zhì)，對(duì)植食性昆蟲(chóng)有趨避的作用。植物揮發(fā)物屬于植物代謝次生物質(zhì)，一般分子量在100～200，包括烴、醇、醛、酮、酯和有機(jī)酸等[16]，揮發(fā)物在植物體內(nèi)的積累有利于促進(jìn)植物之間的相互交流，同時(shí)也有助于植物進(jìn)行主動(dòng)防御[17]。植物揮發(fā)物與植食性昆蟲(chóng)的寄主選擇存在密切的關(guān)系，昆蟲(chóng)可以識(shí)別不同濃度的植物揮發(fā)物，對(duì)適宜的寄主植物進(jìn)行定位和選擇[18]。研究表明馬鈴薯甲蟲(chóng)Leptinotarsa decemlineata(Say)對(duì)馬鈴薯葉片氣味有著非常敏感的嗅覺(jué)定位，只要有馬鈴薯葉片的氣味存在，就可以產(chǎn)生對(duì)寄主的定向選擇[19]。在水稻與甘藍(lán)(非寄主)上也發(fā)現(xiàn)，二化螟幼蟲(chóng)Chilo suppressalis(Walker) 顯著趨向水稻揮發(fā)物而回避非寄主揮發(fā)物，證實(shí)了水稻揮發(fā)物在其寄主定位中的作用[20]。

關(guān)于施硅提高小麥對(duì)病蟲(chóng)害防御的研究多集中在機(jī)械阻礙、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和次生物質(zhì)代謝等方面[21]。從小麥揮發(fā)物與蚜蟲(chóng)寄主選擇兩方面去探究施硅對(duì)小麥麥長(zhǎng)管蚜抗性方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)Y形嗅覺(jué)儀探究施硅對(duì)麥長(zhǎng)管蚜寄主選擇偏好的影響，采用頂空吸附法對(duì)小麥揮發(fā)物進(jìn)行收集，通過(guò)GC-MS鑒定。從小麥揮發(fā)物方面對(duì)施硅影響蚜蟲(chóng)寄主選擇偏好的原因進(jìn)行探究，以期為豐富植物施硅抗蟲(chóng)機(jī)制的理論提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 小麥品種 試驗(yàn)所選用的麥種為黃淮主栽品種‘鄭麥1036’，挑選小麥種子洗凈后經(jīng)10%的雙氧水消毒30 min，蒸餾水洗凈后，常溫下浸泡12 h，在25℃下催芽。選取萌發(fā)一致的小麥，移栽塑料盆中于光照培養(yǎng)室中培養(yǎng)，待用。

1.1.2 蚜蟲(chóng)飼養(yǎng) 供試蚜蟲(chóng)為黃淮地區(qū)的優(yōu)勢(shì)種麥長(zhǎng)管蚜。于溫度為20℃、相對(duì)濕度為70%、光照(LED 燈)周期為 L∶D=14 h∶10 h，光強(qiáng)為 3000 lx的光照培養(yǎng)箱內(nèi)的小麥植株上培養(yǎng)，小麥品種為‘鄭麥1036’，選取大小和日齡一致的無(wú)翅成蟲(chóng)用于試驗(yàn)。

1.1.3 硅試劑的制備 有機(jī)硅：首先將4 mL無(wú)水乙醇與 190 mL 蒸餾水充分?jǐn)嚢?0.5 h，將 0.1344 mL硅酸四乙酯 (TEOS)、4 mL 無(wú)水乙醇以及 2 mL 吐溫80的混合液緩緩滴入，充分?jǐn)嚢? h，配制成總體積為200 mL的硅制劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用水培試驗(yàn)，共設(shè)置不施硅不接蚜蟲(chóng)(CK)、不施硅接蚜蟲(chóng)(A)、施硅不接蚜蟲(chóng)(Si)、施硅接蚜蟲(chóng)(SiA) 4個(gè)處理。選取萌發(fā)一致的小麥，移栽塑料盆中于光照培養(yǎng)室中培養(yǎng)。每3天更換一次營(yíng)養(yǎng)液，每個(gè)處理于小麥兩葉一心、三葉一心時(shí)分別噴施200 mL的硅試劑，于小麥五葉一心時(shí)用毛筆將無(wú)翅成蟲(chóng)接到小麥葉片上，每盆小麥接30頭蚜蟲(chóng)，為防止蚜蟲(chóng)從接蟲(chóng)植株上遷出，用上端開(kāi)口的玻璃紙罩將植株罩住，開(kāi)口處再蓋上用0.178 mm的尼龍網(wǎng)做成的蓋子，每個(gè)處理30株苗/盆，每個(gè)處理重復(fù)3次(共3盆)。麥長(zhǎng)管蚜在溫度為24℃、相對(duì)濕度為 70%、光照 (LED 燈)周期為 L∶D=14 h∶10 h，光強(qiáng)為3000 lx的光照培養(yǎng)室內(nèi)培養(yǎng)。在接蟲(chóng)后的48 h測(cè)定蚜蟲(chóng)的寄主選擇，取有效重復(fù)數(shù)60個(gè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行取樣，樣品于河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院進(jìn)行氣體揮發(fā)物的收集鑒定，試驗(yàn)重復(fù)4次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 Y形嗅覺(jué)儀測(cè)定麥長(zhǎng)管蚜對(duì)不同處理小麥氣味的選擇 Y形嗅覺(jué)儀由玻璃制作，其內(nèi)徑4 cm，側(cè)臂和柄(主臂)長(zhǎng)25 cm，兩側(cè)臂夾角為90°。

選取長(zhǎng)勢(shì)大致相同的CK和Si處理小麥各30株，分別放入兩個(gè)圓柱形玻璃缸內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。Y形嗅覺(jué)儀基部一端為麥長(zhǎng)管蚜的釋放管，兩個(gè)臂用硅膠管分別連接氣味源，氣味源連接真空泵，氣流從QC-1 型大氣采樣儀吹出使管道中保持持續(xù)的氣味源，氣流進(jìn)入氣味源前經(jīng)活性碳過(guò)濾器過(guò)濾，并保持氣流在流出每個(gè)味源時(shí)以500 mL/min的速度進(jìn)入Y形管兩臂。測(cè)試前將成蟲(chóng)饑餓處理，每測(cè)試1頭蚜蟲(chóng)，改變選擇臂的方向，以排除位置或者環(huán)境因素對(duì)寄主選擇的影響；每測(cè)試10頭蚜蟲(chóng)更換Y形嗅覺(jué)儀。記錄每頭麥長(zhǎng)管蚜成蟲(chóng)的選擇行為，如果2 min內(nèi)測(cè)試的麥長(zhǎng)管蚜沒(méi)有做出選擇則棄去不算，直至獲得60個(gè)有效數(shù)據(jù)為1組，重復(fù)4組。測(cè)試完成后，選取A和SiA處理的小麥各30株，重復(fù)上述操作。整個(gè)測(cè)試過(guò)程在相對(duì)濕度為70%～80%、溫度為(27±1)℃的室內(nèi)進(jìn)行。每次測(cè)定完成后用酒精或丙醇清洗Y形嗅覺(jué)儀與連接膠管。

1.3.2 小麥揮發(fā)物收集與鑒定 采用動(dòng)態(tài)頂空吸附收集揮發(fā)物，將需要收集揮發(fā)物的小麥放置于玻璃燒杯，捕集過(guò)濾器用二氯甲烷清洗3次，置于圓形玻璃罐(高45 cm，內(nèi)徑22 cm，杭州定制)內(nèi)。氣流進(jìn)入玻璃罐之前先經(jīng)過(guò)活性炭、硅膠和分子篩來(lái)凈化空氣和除去水分；接著進(jìn)入填充有Super Q吸附劑(孔徑100目)的吸附管，裝置用聚四氟乙烯管連接。每次采集持續(xù)4 h，每個(gè)處理重復(fù)4次。每次采集揮發(fā)物后，用1 mL的二氯甲烷從吸附劑中萃取，樣品儲(chǔ)存于–40℃的冰箱中。

采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(日本，島津 GCMSQP2010)對(duì)植物揮發(fā)物進(jìn)行定量定性分析。氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)有自動(dòng)流量控制、AOC-20s自動(dòng)進(jìn)樣器。毛細(xì)管柱：HP-5MS (30 mm × 0.25 mm × 0.25 μm)。質(zhì)量掃描范圍35～335 m/z，噴射器的溫度維持在230℃，電導(dǎo)率維持在60 cm/s，間隔沖洗流量設(shè)定為3 mL/min。以氦氣為載體氣體，流速1.0 mL/min，電壓應(yīng)小于 2.0 kV。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)小麥揮發(fā)物GC-MS分析的質(zhì)譜圖進(jìn)行檢索，篩選出可能的化合物質(zhì)，列出化合物成分的化學(xué)式與名稱，以及各個(gè)化合物峰面積的相對(duì)含量。試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)用Excel 2010整理，使用SPSS 23.0、Microsoft Office 2010 和 Metabo Analyst進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，采用LSD法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性(P<0.05)，采用Pearson進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施硅對(duì)麥長(zhǎng)管蚜寄主選擇的影響

圖1為施硅與不施硅對(duì)麥長(zhǎng)管蚜寄主選擇的影響，不施硅處理(CK、A)小麥被蚜蟲(chóng)選擇的百分比均顯著高于施硅處理(Si、SiA)。在無(wú)蚜蟲(chóng)組中，麥長(zhǎng)管蚜對(duì)Si與CK處理的小麥趨性存在極顯著性差異(F=15.79，P=0.0073)，施硅使麥長(zhǎng)管蚜對(duì)小麥的選擇百分比降低了28.57% [(Si處理蚜蟲(chóng)選擇百分比平均值?CK處理蚜蟲(chóng)選擇百分比平均值)/CK處理蚜蟲(chóng)選擇百分比平均值]；在接蚜蟲(chóng)組中，麥長(zhǎng)管蚜對(duì)A和SiA處理的小麥趨性同樣存在極顯著性差異(F=346.80，P<0.0001)，麥長(zhǎng)管蚜對(duì)SiA處理小麥的選擇百分比較A處理降低了44.16%，這表明無(wú)論接蟲(chóng)與否，施硅均能夠顯著降低蚜蟲(chóng)對(duì)寄主的選擇。

圖1 不同施硅和接蟲(chóng)處理對(duì)麥長(zhǎng)管蚜選擇偏好的影響Fig. 1 Selection preference ofSitobion avenae F. to host wheat as affected by Si application and aphid infection

2.2 施硅對(duì)小麥各揮發(fā)物相對(duì)含量的影響

施硅對(duì)小麥各揮發(fā)物含量、種類及物質(zhì)類別均存在較大的影響(表1)。CK處理共收集7種化合物，其中烷烴類4種，約占總含量84.60%；苯類2種，約占總含量的10.80%；醇類1種，約占總量的4.60%，其中2,4-二甲基-庚烷相對(duì)含量較高。A處理共收集到32種化合物，其中烯類14種，約占總含量62.10%；烷烴類9種，約占總含量23.10%；酯類3種，約占總含量8.90%；苯類3種，約占總含量3.20%；醇類2種，約占總含量1.90%；炔類1種，約占總含量0.76%，其中α-蒎烯相對(duì)含量較高。Si處理共收集6種化合物，其中烷烴類3種，約占總含量77.60%；醛類1種，約占總含量9.70%；醇類1種，約占總含量5.10%；苯類1種，約占總含量7.60%，2,4-二甲基-庚烷相對(duì)含量較高。SiA處理共收集8種化合物，其中烷烴類3種，約占總含量46.80%；烯類2種，約占總含量26.10%；醛類1種，約占總含量9.60%；苯類1種，約占總含量7.30%；醇類1種，約占總含量10.20%，其中辛烷相對(duì)含量較高。

表1顯示，相較CK在不接蟲(chóng)條件下，施硅處理(Si)下辛烷、十二甲基環(huán)己氧烷、2,4-二甲基-庚烷、3-己烯-1-醇(E)的含量分別降低了1.64%、10.00%、14.77%、5.26%，甲苯的相對(duì)含量提高了35.00%，但差異均未達(dá)到顯著水平，且施硅處理(Si)比CK處理多出了一種“3-己烯醛”揮發(fā)性物質(zhì)，缺少了“四戊烷”和“對(duì)二甲苯”兩種揮發(fā)性物質(zhì)。

相比不施硅處理(A)，在接蟲(chóng)條件下，施硅處理(SiA)的十二甲基環(huán)己氧烷、3-己烯-1-醇(E)、D-檸檬烯含量分別顯著提高了56.25%、112.00%、117.78%，2,4-二甲基-庚烷的相對(duì)含量顯著降低了81.02 %，甲苯、辛烷、可巴烯的含量雖有所提高，但未達(dá)到顯著水平(表1)。

表1 不同處理小麥揮發(fā)物的種類和相對(duì)含量Table 1 Collected volatile compounds and their relative contents in wheat under different treatments

2.3 主成分分析與相關(guān)性分析

各處理間主成分分析結(jié)果(圖2)表明，第一主成分 (principal component 1, PC1)占 71.70%，第二主成分 (principal component 2, PC2)占 20.20%，第三主成分 (principal component 3, PC3)占 4.20%，第四主成分 (principal component 4, PC4)占 2.50%，第五主成分 (principal component 5, PC5) 占 0.80% (圖 2a)。無(wú)論接蟲(chóng)與否，施硅均能夠使CK、Si、A、SiA 4個(gè)處理顯著分離，而且PC2顯著分離了不施硅接蟲(chóng)(A)處理(圖2b)。氣體揮發(fā)物的主成分分析如圖2c所示，3-己烯醛、3-己烯-1-醇、十二甲基環(huán)己氧烷、辛烷 4種物質(zhì)顯著影響了PC1；四戊烷、對(duì)二甲苯、2,4-二甲基-庚烷、11-甲基三氯乙烷 4種物質(zhì)顯著影響了PC2。

圖2 揮發(fā)性化合物的主成分分析Fig. 2 Principal component analysis of volatile compounds

為了進(jìn)一步探究蚜蟲(chóng)取食為害情況下，施硅對(duì)氣體揮發(fā)物與寄主選擇之間關(guān)系的影響。將表1中與處理A相比SiA處理中相對(duì)含量有差異的7種氣體揮發(fā)物，與寄主選擇之間進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，同時(shí)對(duì)處理A與SiA全體氣體揮發(fā)物與寄主選擇蚜蟲(chóng)百分比進(jìn)行相關(guān)矩陣和熱圖分析(圖3、圖4)。結(jié)果表明，麥長(zhǎng)管蚜對(duì)寄主的選擇與氣體揮發(fā)物2,4-二甲基-庚烷呈顯著正相關(guān)；與氣體揮發(fā)物十二甲基環(huán)己氧烷、3-己烯-1-醇(E)、D-檸檬烯物質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)。

表2 蚜蟲(chóng)侵染后揮發(fā)性化合物與寄主選擇之間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation of volatile compounds and host selection under aphid infection

圖3 硅誘導(dǎo)蚜蟲(chóng)趨性和小麥揮發(fā)物的相關(guān)矩陣Fig. 3 The correlation analysis of silicon-induced aphid tropism and wheat volatiles

圖4 硅誘導(dǎo)蚜蟲(chóng)趨性和小麥揮發(fā)物的熱圖分析Fig. 4 The heat map analysis of silicon-induced aphid tropism and wheat volatiles

3 討論

植物的抗蟲(chóng)性是在一定條件下植物與害蟲(chóng)之間表現(xiàn)出的相互適應(yīng)與相互制約關(guān)系[22]。植物的抗蟲(chóng)機(jī)制表現(xiàn)為抗生性(antibiosis)、耐害性(tolerance)和不選擇性(non-preference) 3個(gè)方面。不選擇性表現(xiàn)為植物使昆蟲(chóng)不趨向植物棲息、產(chǎn)卵或取食的特性。植物的生理生化特性和分泌的揮發(fā)性次生物質(zhì)可以阻止昆蟲(chóng)趨向植物產(chǎn)卵或取食，從而減輕害蟲(chóng)對(duì)其為害。研究表明，施硅能夠降低許多經(jīng)濟(jì)作物的生物營(yíng)養(yǎng)從而影響昆蟲(chóng)的取食路徑[23]。使用硅石灰處理的甘蔗莖稈可以抑制甘蔗非洲莖螟Eldana saccharina幼蟲(chóng)的取食[24]。在玉米的葉片上噴施二氧化硅會(huì)影響玉米葉蚜Rhopalosiphum maidis(Fitch)的生長(zhǎng)，降低其取食量[25]。本研究對(duì)蚜蟲(chóng)寄主選擇的結(jié)果表明蚜蟲(chóng)趨向于不施硅處理的數(shù)量顯著高于施硅處理，這說(shuō)明施硅可以減少麥長(zhǎng)管蚜的寄主選擇。

植物揮發(fā)物是植物在生長(zhǎng)過(guò)程中不同組織如葉片、果實(shí)或枝條所釋放的微量次生化合物，包括醇、醛、酯、烷類等。同種植物的不同生長(zhǎng)期、不同的植物之間、不同的環(huán)境條件下、蟲(chóng)害與否等都會(huì)對(duì)釋放的揮發(fā)物造成一定的影響，這些影響主要體現(xiàn)在揮發(fā)物的種類和量的變化上，對(duì)植物的生態(tài)適應(yīng)性具有重要作用。植物可通過(guò)多種途徑向周圍生物展示自身及狀態(tài)，釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物是其主要手段之一[26]。小麥在自然狀態(tài)下會(huì)釋放出各種揮發(fā)物，這些揮發(fā)物在植食性昆蟲(chóng)的取食、寄主識(shí)別等方面發(fā)揮著重要作用[27]。

寄主植物所釋放的特異性或普通氣味化合物能夠影響昆蟲(chóng)的多種行為，比如定位寄主、取食、產(chǎn)卵、交配、傳粉等[28]。許多植食性昆蟲(chóng)能夠通過(guò)識(shí)別植物特異揮發(fā)物來(lái)選擇寄主植物，通常這些組分對(duì)所涉及的昆蟲(chóng)表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸引力或排斥力[29]。多數(shù)昆蟲(chóng)依賴植物體所釋放的揮發(fā)性信息化合物對(duì)適宜的寄主植物進(jìn)行近距離搜索和定向，這是其生存及繁衍的重要保證[30]。前人的研究發(fā)現(xiàn)：植物中的一些特征性揮發(fā)物是促使蛾類昆蟲(chóng)取食行為的“標(biāo)志性刺激物”[31]。例如，桑樹(shù)葉片中的檸檬醛、氧化芳樟醇、乙酸萜品酯等揮發(fā)物對(duì)家蠶Bombyx mori(Linnaeus) 幼蟲(chóng)有強(qiáng)烈的引誘活性[32]；棉鈴蟲(chóng)Helicoverpa armigera(Hübner) 為害后的棉花大量釋放的類萜烯及單寧等物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致3-己烯-1-醇(E)的含量較少，而施硅使棉花的3-己烯-1-醇(E)含量較多[33]。本研究也表明施硅能產(chǎn)生更多的3-己烯-1-醇(E)來(lái)驅(qū)避麥長(zhǎng)管蚜。研究發(fā)現(xiàn)水稻揮發(fā)物中3-己烯醛對(duì)褐飛虱Nilaparvata lugens(Stal)成蟲(chóng)有顯著的驅(qū)避作用[34]。本研究結(jié)果表明施硅能產(chǎn)生更多的3-己烯醛來(lái)驅(qū)避麥長(zhǎng)管蚜。本研究在蚜蟲(chóng)取食為害后，與不施硅(A)處理相比，施硅處理(SiA)分別顯著提高了十二甲基環(huán)己氧烷 (56.25%)、3-己烯-1-醇 (E)(112.00%)、D-檸檬烯(117.78%)的相對(duì)含量，且顯著降低了2,4-二甲基-庚烷的相對(duì)含量。本研究結(jié)果表明，蚜蟲(chóng)為害與施硅共同作用下，可能會(huì)誘導(dǎo)寄主小麥產(chǎn)生復(fù)雜的防御反應(yīng)。

4 結(jié)論

麥長(zhǎng)管蚜更傾向于選擇不施硅的小麥為寄主。在蚜蟲(chóng)侵害后，施硅可通過(guò)減少小麥揮發(fā)物2,4-二甲基-庚烷的釋放，提高十二甲基環(huán)己氧烷、3-己烯-1-醇(E)、D-檸檬烯等氣體的釋放，從而減少麥長(zhǎng)管蚜對(duì)寄主小麥的趨向性。