楊娟 周瓊 黃京華 鄒海霞 陳宇鑫 邱靜思 王國(guó)全
摘要:[目的]探討不同木薯品種在朱砂葉螨刺吸脅迫下的生理生化指標(biāo)變化,為木薯的抗螨品種選育提供理論依據(jù)。[方法]田間調(diào)查華南8號(hào)、南植199和華南205等3個(gè)木薯品種朱砂葉螨的種群數(shù)量;采用盆栽法比較接螨葉片(處理)與健康葉片(對(duì)照)的葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸和丙二醛(MDA)含量及超氧化物岐化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)活性等生理生化指標(biāo)差異。[結(jié)果]不同木薯品種的朱砂葉螨種群數(shù)量在調(diào)查期內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)高峰(10月30日左右),其中華南205朱砂葉螨高峰期種群數(shù)量最多(105.6±6.9頭/葉),其次為南植199(53.2±8.6頭/葉),華南8號(hào)種群數(shù)量最少(38.7±3.8頭/葉)。朱砂葉螨為害后,3個(gè)木薯品種葉片的葉綠素含量與同期對(duì)照相比均降低;葉片可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸和MDA含量與同期對(duì)照的比值整體上呈先升高后降低的變化趨勢(shì),SOD和POD活性整體上有升高趨勢(shì)。其中抗螨品種華南8號(hào)的可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量及SOD和POD活性與同期對(duì)照的比值上升幅度較大,感螨品種華南205的上述生理指標(biāo)較同期對(duì)照升高幅度較小。[結(jié)論]在朱砂葉螨刺吸脅迫下,不同木薯品種的葉片可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量及SOD和POD活性存在顯著差異,初步推測(cè)這幾項(xiàng)生理指標(biāo)變化可作為鑒定木薯品種抗螨性強(qiáng)弱的依據(jù)。
關(guān)鍵詞:朱砂葉螨;木薯;生理生化指標(biāo);抗螨性
中圖分類(lèi)號(hào):S533.1;S435.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-1191(2017)11-1969-07
0引言
[研究意義]朱砂葉螨(Tetranychus cinnabari-nus)俗名紅蜘蛛,是世界性害蟲(chóng),以刺吸式口器在寄主植物的葉背為害,刺入葉片的海綿組織和柵欄組織,破壞其葉綠體結(jié)構(gòu),使受害部位失去綠色,出現(xiàn)黃色斑點(diǎn)。朱砂葉螨危害嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致寄主植物葉片枯死或脫落,植株焦黃,生長(zhǎng)停滯,甚至整株死亡(黎萍等,2014)。朱砂葉螨因具有繁殖快、寄主范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)及易產(chǎn)生抗藥性等特點(diǎn),藥物防治難以見(jiàn)效。木薯(Manihot esculenta Crantz)適應(yīng)性強(qiáng)且用途廣泛,非常適合在旱地種植,是綜合利用價(jià)值極高的糧食作物和再生能源作物(嚴(yán)華兵等,2015)。廣西是我國(guó)木薯種植面積最大的?。▍^(qū)),隨著木薯種植面積的持續(xù)增加,因朱砂葉螨危害而造成的木薯減產(chǎn)日趨嚴(yán)重(韋威旭等,2009)。利用木薯自身對(duì)朱砂葉螨的抗性,選育抗螨品種是綜合防治朱砂葉螨的重要途徑。因此,研究朱砂葉螨對(duì)不同木薯品種生理指標(biāo)的影響,探討木薯的抗螨機(jī)制,可為木薯抗螨育種打下理論基礎(chǔ)。[前人研究進(jìn)展]近年來(lái),已有學(xué)者對(duì)木薯抗螨性進(jìn)行了相關(guān)研究。潘文琴等(2011)通過(guò)調(diào)查廣西武鳴種植木薯品種的朱砂葉螨消長(zhǎng)動(dòng)態(tài),發(fā)現(xiàn)華南8號(hào)比南植199和華南205較耐朱砂葉螨危害。黃潔等(2011)對(duì)531份木薯種質(zhì)進(jìn)行朱砂葉螨抗性評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)華南8013、華南8號(hào)和南植199等品種的抗螨性較強(qiáng)。陳顯雙等(2013)研究發(fā)現(xiàn),抗螨性除在品種問(wèn)存在差異外,不同為害時(shí)段也對(duì)木薯的抗螨性有顯著影響。朱成棟等(2013)對(duì)比每葉接螨數(shù)量對(duì)木薯葉片多酚氧化酶(PPO)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)等光合特性保護(hù)酶的影響,發(fā)現(xiàn)酶活性隨危害程度呈顯著上升趨勢(shì),但為害程度嚴(yán)重時(shí),則隨為害時(shí)間延長(zhǎng)呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。李遷等(2015)對(duì)227份木薯種質(zhì)進(jìn)行抗螨性評(píng)價(jià),篩選出高抗螨種質(zhì)6份,中抗種質(zhì)116份,感螨種質(zhì)87份,高感螨種質(zhì)18份;并發(fā)現(xiàn)朱砂葉螨取食抗性木薯種質(zhì)后,螨的發(fā)育歷期延長(zhǎng),成螨壽命縮短,產(chǎn)卵量減少,甚至成螨不能成活。陸柳英等(2016)選擇47份木薯品種進(jìn)行朱砂葉螨抗性級(jí)別鑒定,發(fā)現(xiàn)抗性最高的品種為華南9號(hào)和ST-1,且螨害指數(shù)與株高、分枝數(shù)、裂葉特征、葉片厚度等形體學(xué)特征及粗蛋白、可溶性糖含量間無(wú)顯著相關(guān)性,但與SPAD值呈負(fù)相關(guān),故SPAD值可作為木薯抗朱砂葉螨的鑒定指標(biāo)之一。肖建輝等(2017)研究了木薯葉片的組織結(jié)構(gòu)與抗朱砂葉螨的關(guān)系,結(jié)果表明葉片厚、氣孔密度低的品種抗螨性強(qiáng)。梁曉等(2017a,2017b)分析了保護(hù)酶PPO和CAT在木薯抗螨中的功能,發(fā)現(xiàn)抗性高的木薯種質(zhì)其PPO活性比感螨種質(zhì)高,且木薯被危害后可誘導(dǎo)CAT活性升高,從而緩解螨刺吸造成的氧化損傷。[本研究切入點(diǎn)]目前,前人研究多集中于木薯種質(zhì)抗螨性評(píng)價(jià)及木薯生理特性與朱砂葉螨為害的關(guān)系等方面,而針對(duì)朱砂葉螨刺吸為害前后木薯生理指標(biāo)變化的研究較少。[擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題]通過(guò)觀察并測(cè)定不同木薯品種受朱砂葉螨刺吸為害后植株體內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)和POD活性及葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸和丙二醛(MDA)含量的動(dòng)態(tài)變化,探討朱砂葉螨刺吸脅迫下木薯的生理變化及各生理指標(biāo)在防御朱砂葉螨為害中的作用,為木薯生產(chǎn)中可持續(xù)控制朱砂葉螨為害及篩選和培育抗螨性木薯品種提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)材料
試驗(yàn)所用朱砂葉螨(T. cinnabarinus)采自廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地木薯地,并在室內(nèi)以新鮮木薯葉片繼代飼養(yǎng)至成螨。供試木薯品種為華南8號(hào)、南植199和華南205,由武鳴木薯種植基地提供。
1.2田間試驗(yàn)及螨害調(diào)查
試驗(yàn)于2015年在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。木薯種植方式為平放種植,各品種均在同一生長(zhǎng)環(huán)境下生長(zhǎng),按照木薯生長(zhǎng)規(guī)律統(tǒng)一管理,試驗(yàn)過(guò)程不施農(nóng)藥,朱砂葉螨自由遷入建立種群。每小區(qū)面積30m2(6m×5m),每品種3個(gè)小區(qū),共9個(gè)小區(qū),隨機(jī)區(qū)組排列。在每小區(qū)隨機(jī)選取并標(biāo)記1株木薯,定株調(diào)查葉螨為害情況。從朱砂葉螨越夏后進(jìn)人為害期開(kāi)始調(diào)查,9月12日~11月12日每8d調(diào)查1次,共調(diào)查7次。每株各取上、中、下3張葉片,調(diào)查卵數(shù)、幼螨數(shù)和成螨數(shù),并計(jì)算單株蟲(chóng)量。
1.3木薯抗螨性試驗(yàn)
采用盆栽法在實(shí)驗(yàn)基地溫室大棚中進(jìn)行抗螨性試驗(yàn)。將3個(gè)供試木薯品種于4月種植于直徑40cm、高50cm的花盆內(nèi),盆內(nèi)土壤攆細(xì)后與有機(jī)肥以3:1混合,每盆種植2株,生長(zhǎng)溫度控制在28℃,濕度調(diào)節(jié)為60%。定期澆水,出苗后結(jié)合中耕、培土和施肥。每個(gè)木薯品種分為螨害處理(木薯長(zhǎng)到80cm左右,每株接種2片葉子,以16頭/葉將朱砂葉螨接于盆栽木薯葉片背面)和對(duì)照(健康木薯),處理和對(duì)照各種植3盆,每品種共6盆。每天觀察和記錄木薯生長(zhǎng)狀況,并確保其生長(zhǎng)過(guò)程中無(wú)其他病害和蟲(chóng)害發(fā)生。接螨后分別在第0、3、5、7和9d采集處理葉(螨害葉)和對(duì)照葉(健康葉),除掉中脈,剪碎混勻后測(cè)定葉片的各項(xiàng)生理指標(biāo)。
1.4測(cè)定項(xiàng)目及方法
采用分光光度計(jì)法測(cè)定葉綠素含量,蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量,考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定可溶性蛋白含量,NBT光化還原法測(cè)定SOD活性,愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD活性,磺基水楊酸法測(cè)定游離脯氨酸含量,硫代巴比妥酸比色法測(cè)定MDA含量(李楊瑞,1990;張憲政,1992;李合生,1999)。
1.5統(tǒng)計(jì)分析
采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及制圖,利用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析。
2結(jié)果與分析
2.1不同木薯品種的朱砂葉螨種群動(dòng)態(tài)
從圖1可看出,不同木薯品種的朱砂葉螨種群數(shù)量在調(diào)查期內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)高峰,高峰期均在10月30日左右。其中,華南205朱砂葉螨高峰期種群數(shù)量最多,達(dá)105.6±6.9頭/葉;其次為南植199,高峰期種群數(shù)量為53.2±8.6頭/葉;華南8號(hào)上的朱砂葉螨種群數(shù)量最少,為38.7±3.8頭/葉。由此看出,3個(gè)木薯品種中,以華南8號(hào)受朱砂葉螨的危害最輕,抗螨性較強(qiáng);其次是南植199,抗螨性中等;受朱砂葉螨危害最重的是華南205,其抗螨性最弱。
2.2朱砂葉螨為害后木薯葉綠素含量的變化
從圖2可看出,朱砂葉螨為害后第3d,3個(gè)木薯品種的葉綠素含量與同期對(duì)照相比均降低,但各品種的處理與對(duì)照葉綠素含量比值問(wèn)無(wú)顯著差異(P>0.05,下同);接種后5-9d,各木薯品種的處理與對(duì)照葉綠素含量比值較接種后0-3d明顯降低,其中華南8號(hào)的降低幅度達(dá)顯著水平(P>0.05,下同)。
2.3朱砂葉螨為害后木薯可溶性糖含量的變化
從圖3可看出,朱砂葉螨為害后,華南8號(hào)、南植199和華南205的處理與對(duì)照可溶性糖含量比值整體上呈先升高后降低的變化趨勢(shì),葉螨為害后第5d比值升至最大值,分別較0d時(shí)顯著增加80.00%、65.02%和70.24%;葉螨為害后第9d,華南8號(hào)的處理與對(duì)照可溶性糖含量比值小于1.0,表明其可溶性糖含量較同期對(duì)照降低,而南植199和華南205的可溶性糖含量仍高于同期對(duì)照。
2.4朱砂葉螨為害后木薯可溶性蛋白含量的變化
從圖4可看出,朱砂葉螨為害后3d,各品種的可溶性蛋白含量較同期對(duì)照均有所下降;為害后5-7d,華南8號(hào)的可溶性蛋白含量較同期對(duì)照大幅上升,其中為害后5d的處理與對(duì)照可溶性蛋白含量比值較0d時(shí)顯著升高20.65%,南植199和華南205的可溶性蛋白含量仍較同期對(duì)照略有下降或小幅上升;至為害后9d,各品種的處理與對(duì)照可溶性蛋白含量比值較前期明顯下降,其中南植199的下降幅度達(dá)顯著水平。
2.5朱砂葉螨為害后木薯SOD活性的變化
從圖5可看出,朱砂葉螨為害后,華南8號(hào)的SOD活性較同期對(duì)照上升幅度最大,葉螨為害期間其處理與對(duì)照SOD活性比值平均上升15.1%,顯著高于南植199和華南205。南植199的SOD活性在葉螨為害后3-7d較同期對(duì)照升高,二者比值較0d顯著升高,隨著為害時(shí)間的延長(zhǎng),至第9d時(shí)SOD活性較同期對(duì)照下降,二者比值較前期顯著降低。華南205的SOD活性在葉螨整個(gè)為害時(shí)期內(nèi)均高于同期對(duì)照,二者比值在葉螨為害后第9d升至最大值。
2.6朱砂葉螨為害后木薯POD活性的變化
從圖6可看出,葉螨為害后3-5d,3個(gè)木薯品種的POD活性較同期對(duì)照有升有降,但處理與對(duì)照比值差異均不顯著;葉螨為害后7-9d,華南8號(hào)和南植199的POD活性較同期對(duì)照明顯升高,其中華南8號(hào)的處理與對(duì)照POD活性比值顯著高于前期;華南205的POD活性在葉螨為害后7d較同期對(duì)照大幅升高,二者比值較0d時(shí)顯著升高66.7%,但為害至第9d時(shí),二者比值較第7d顯著下降,與0-5d時(shí)差異不顯著。
2.7朱砂葉螨為害后木薯游離脯氨酸含量的變化
從圖7可看出,葉螨為害后品種問(wèn)的游離脯氨酸含量存在明顯差異,其中華南8號(hào)的游離脯氨酸含量較同期對(duì)照上升幅度最大,處理與對(duì)照比值在為害后5d升至最高,較0d時(shí)顯著上升266.7%,也顯著高于其他時(shí)期及南植199和華南205,第9d時(shí)處理與對(duì)照比值降低,與0d時(shí)無(wú)顯著差異。南植199的游離脯氨酸含量在葉螨為害后7d較同期對(duì)照大幅上升,二者比值升至最高,隨后第9d時(shí)二者比值回落至前期水平。華南205的游離脯氨酸含量在葉螨為害期間變化不明顯,各時(shí)期的處理與對(duì)照比值均無(wú)顯著差異。
2.8朱砂葉螨為害后木薯MDA含量的變化
從圖8可看出,隨著為害時(shí)間的延長(zhǎng),華南8號(hào)和南植199 MDA含量的處理與對(duì)照比值在為害后5d升至最高,顯著高于其他時(shí)期,第7d時(shí)二者比值降至初期水平,第9d時(shí)降至最低。華南205MDA含量的處理與對(duì)照比值在為害后3d升至最高,其次為
3討論
從朱砂葉螨在不同木薯品種上的種群數(shù)量可知,在為害高峰期內(nèi),華南8號(hào)種群數(shù)量最少,其次是南植199,華南205)2朱砂葉螨的種群數(shù)量最多,與潘文琴等(2011)對(duì)武鳴縣木薯朱砂葉螨發(fā)生規(guī)律的研究結(jié)果一致。結(jié)合黃潔等(2011)、李遷等(2015)對(duì)上述品種的抗螨性鑒定結(jié)果分析可知,華南8號(hào)的抗螨性較強(qiáng),為高抗品種;其次是南植199,為中抗品種;華南205的抗螨性最弱,為感螨品種。
葉綠素是葉片光合作用過(guò)程中必不可少的物質(zhì),葉綠素含量降低勢(shì)必影響植物葉片對(duì)光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率,并影響光合作用全過(guò)程。有關(guān)大豆(Haile and Higley,2003)、棉花(楊德松等,2005)、葡萄(Sivritepe et a1.,2009)、水杉(樊斌琦等,2012)、白三葉(張廷偉等,2013)和三七(胡展育和劉偉,2015)的研究及本研究結(jié)果均表明,葉螨破壞了葉綠體結(jié)構(gòu),使葉綠素含量降低,且與植物種類(lèi)或抗螨性無(wú)關(guān)(蔡雙虎等,2003),而與螨口密度或?yàn)楹r(shí)間相關(guān),不同為害時(shí)間及螨口密度下葉片葉綠素含量下降差異顯著。
可溶性糖和可溶性蛋白含量可反映作物的碳素和氮素營(yíng)養(yǎng)狀況。在逆境條件(干旱、低溫、病蟲(chóng)害等)下,葉片的可溶性糖和可溶性蛋白含量發(fā)生變化,以適應(yīng)不良條件。楊德松等(2005)研究發(fā)現(xiàn),葉螨為害初期,棉花可溶性糖含量升高,可能是葉螨取食葉片后促進(jìn)了蔗糖類(lèi)的合成,而隨著葉螨的不斷為害,在第8 d3Z抑制了其合成。這與本研究的結(jié)果類(lèi)似,朱砂葉螨為害5d內(nèi),木薯葉片可溶性糖含量升高,在為害第7~9d,可溶性糖含量呈減少趨勢(shì),可能是木薯本身的防御機(jī)制對(duì)螨害產(chǎn)生的一種生理補(bǔ)償反應(yīng)(張坤鵬等,2013),但隨著為害時(shí)間的延長(zhǎng),植株無(wú)法補(bǔ)償葉螨為害而造成巨大損失(溫娟等,2017)。可溶性蛋白作為植物體內(nèi)重要的保護(hù)物質(zhì),在葉螨為害菜豆、豇豆和草莓后,葉片中的蛋白質(zhì)含量升高,且隨時(shí)間的延長(zhǎng)而升高(黎志輝和魯亞,2011)。本研究發(fā)現(xiàn)木薯葉片在螨害初期僅抗性較強(qiáng)的華南8號(hào)可溶性蛋白含量增加,其他兩個(gè)品種相對(duì)穩(wěn)定,在為害嚴(yán)重時(shí)3個(gè)品種的可溶性蛋白含量均顯著降低??赡芤?yàn)轵Υ碳た剐暂^強(qiáng)的木薯品種產(chǎn)生抗逆性蛋白,同時(shí)可保護(hù)細(xì)胞內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞膜不被損壞。
誘導(dǎo)防御在寄主植物對(duì)害螨的抗性防御中發(fā)揮著重要作用(李新崗等,2008)。細(xì)胞內(nèi)的活性氧與保護(hù)酶系統(tǒng)在逆境條件(干旱、低溫、病蟲(chóng)害、營(yíng)養(yǎng)不良等)下,誘導(dǎo)植物體內(nèi)SOD、POD和CAT等保護(hù)酶活性升高,以抵御不良環(huán)境,從而使植物出現(xiàn)抗逆性(劉長(zhǎng)仲和蘭金娜,2009;張廷偉和劉長(zhǎng)仲,2011;趙霞等,2017)。本研究中,朱砂葉螨為害7d內(nèi),SOD和POD活性升高,且抗螨性較強(qiáng)的華南8號(hào)的兩種酶活性升高的幅度顯著高于其他兩個(gè)品種。說(shuō)明朱砂葉螨刺吸可誘導(dǎo)木薯體內(nèi)SOD和POD活性發(fā)生變化,是木薯品種自身抗性和害螨刺吸誘導(dǎo)植物防御的內(nèi)在表現(xiàn)。
脯氨酸可調(diào)節(jié)葉片細(xì)胞質(zhì)內(nèi)滲透壓,在穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)、解除氨毒、調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原勢(shì)等方面具有重要作用(王麗媛等,2010)。多數(shù)逆境條件下,如干旱、冰凍、低溫、高溫、低pH、鹽漬、病蟲(chóng)害、營(yíng)養(yǎng)不良和大氣污染等均會(huì)造成植物體內(nèi)脯氨酸累積(焦蓉等,2011;丁玉梅等,2013;羅丹等,2013;楊穎麗等,2013;張瑾,2014)。張坤鵬等(2016)研究表明,山楂葉螨在為害蘋(píng)果葉片期間,游離脯氨酸含量隨螨口密度和為害時(shí)間呈先升后降的變化趨勢(shì)。本研究中,朱砂葉螨為害初期,木薯葉片游離脯氨酸含量顯著升高,且抗螨性越強(qiáng),游離脯氨酸含量升高幅度越大,而在為害后期,游離脯氨酸升高幅度開(kāi)始降低,整體呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)。游離脯氨酸作為一種抗逆性物質(zhì),在葉螨為害初期含量升高可避免細(xì)胞遭受?chē)?yán)重破壞,是木薯對(duì)朱砂葉螨刺吸的對(duì)抗,且葉片抗螨性越強(qiáng),上升幅度越高。但隨著為害程度加重,當(dāng)超過(guò)木薯葉片的承受范圍時(shí),葉片的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制失效,導(dǎo)致游離脯氨酸含量下降。
MDA是細(xì)胞內(nèi)自由基過(guò)量積累氧化膜結(jié)構(gòu)中的不飽和脂肪酸,使之?dāng)噫?、分解而破壞,是葉片的細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過(guò)氧化的最終產(chǎn)物,是反映植物抗逆性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。張會(huì)英(2014)研究表明,橡膠種質(zhì)抗螨性與六點(diǎn)始葉螨為害后的MDA含量增加幅度呈顯著正相關(guān)。但蔣吉龍(2014)研究認(rèn)為,玉米被葉螨為害后MDA含量升高,隨著為害時(shí)間延長(zhǎng),MDA與葉片抗螨性問(wèn)的相關(guān)性極顯著。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),朱砂葉螨為害木薯葉片后,雖然MDA含量升高,但不同抗性品種間并無(wú)顯著差異。這些差異可能與葉螨和植物種類(lèi)及取樣時(shí)間不同等有關(guān)。
4結(jié)論
在朱砂葉螨刺吸脅迫下,不同木薯品種的葉片可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量及SOD和POD活性存在明顯差異,主要表現(xiàn)為抗螨性較強(qiáng)品種華南8號(hào)的上述生理指標(biāo)較同期對(duì)照升高幅度較大,而感螨品種華南205各生理指標(biāo)較同期對(duì)照升高幅度較小。初步推測(cè)這幾項(xiàng)生理指標(biāo)變化可作為鑒定木薯品種抗螨性強(qiáng)弱的依據(jù)。
(責(zé)任編輯王暉)