桃花揮發(fā)性物質(zhì)及對訪花昆蟲的化學響應1)

杜秀娟 付麗嬌 鄭華 徐芳

(山西林業(yè)職業(yè)技術學院,太原,030009) (中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所) (北京林業(yè)大學)

桃花(Prunuspersica(L.) Bats)，起源于中國西部，現(xiàn)已遍布南北半球溫帶地區(qū)[1-2]，分布于北緯23°～45°寒冷地區(qū)[1]，花早期與晚期桃花耐低溫和霧氣能力強[3]。花輻射對稱，單生或多生，萼片5個，花瓣5個離生，白色、水粉色、紅色，雄蕊發(fā)育影響桃花結實率與品質(zhì)[4]。

桃花揮發(fā)性物質(zhì)吸引昆蟲傳粉與授粉，促進桃花結實[5-8]，也釋放次生代謝化合物防御花取食者[9-10]。植物揮發(fā)性物質(zhì)是植物重要次生代謝產(chǎn)物[11]，包括醇、醛、酮、有機酸、酯、萜烯化合物、較復雜含氮和烴類化合物[12-14]。桃花揮發(fā)性物質(zhì)已采用固相微萃取(SPME)和毛細管氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析；2008年，分析出桃花主要成分以二十三烷和十六烷為主，質(zhì)量分數(shù)接近25%；桃芽成分為十五烷，質(zhì)量分數(shù)高于10%[15]。采用頂空固相微萃取(HS-SPME)和氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析了桃樹4個栽培品種揮發(fā)性成分[16]。昆蟲訪花與取食花朵影響花揮發(fā)性物質(zhì)，葉斑蝥咬食的干燥花瓣水蒸氣蒸餾揮發(fā)油GC-MS得率較未被咬食明顯增高，斑蝥(麗斑芫青Mylabrisspeoiosa)采食對芍藥(Peaonialactiflora)花瓣的揮發(fā)性成分組分影響不大，但是其質(zhì)量分數(shù)會有所變化[17]；而且傳粉后矮牽牛(Petunia)花的苯甲酸甲酯釋放具有一定變化規(guī)律[18]?？赏茰y訪桃花昆蟲的豐富度、多度與多樣性反應桃樹生長情況同時，也影響桃花揮發(fā)性物質(zhì)釋放。

1 研究區(qū)概況

研究地海拔高度1 280～1 289 m，溫度9～31 ℃，濕度27%～48%，降水概率5%～90%，日照時間2～12 h，風力2～3級，紫外線強度弱到很強，氣壓1 002～1 016 Pa，日出時間05:00—5:52，日落時間19:06—19:53。陽坡桃樹186棵，南面為紫葉小檗(Berberisthunbergii)修剪球，東北方位有一段紅寶石海棠(Malusmicromalus)。陰坡桃樹169棵，西面為杏樹(Armeniacavulgaris)，南面為柳樹(Salixmatsudana)。

2 研究方法

2.1 桃花揮發(fā)性物質(zhì)測定

2.1.1 儀器

采樣袋，食品一級40 cm×28 cm；QC-1S型大氣采樣儀(北京市勞動保護研究所)；TurboMatrix 50全自動熱脫附(ATD)及Clarus 600氣相色譜/Clarus 600T質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國Perkin Elmer公司)，圖譜識別采用TurboMass 5.4.2。

2.1.2 揮發(fā)性物質(zhì)采集

2015年4月29日，陽坡與陰坡各選定2棵樣樹，每棵樣樹采樣2個桃花枝，一個上坡端，另一下坡端。食品一級采樣袋罩于盛花期活體桃花枝，采樣袋系口處桃花枝用脫脂棉纏繞(2 cm×0.2 cm×3 cm)；6 cm玻璃管支持進氣與出氣硅膠管，外用脫脂棉纏繞；將采樣袋開口處覆在桃枝與進、出氣管外纏繞脫脂棉部位；脫脂紗布(1 cm×8 cm)將采樣管、桃花枝與采樣袋固定(圖1)。排空采樣袋內(nèi)氣體，沖入適量經(jīng)活性炭過濾空氣，每桃花枝采樣10 min。

圖1 桃花枝揮發(fā)性物質(zhì)采樣方法圖

2.1.3 揮發(fā)性物質(zhì)ATD/GC-MS測樣

熱脫附進樣：載氣(橫流模式)流速為2.0 mL·min-1；一級熱脫附溫度(樣品管溫度)260 ℃，加熱10 min；一級熱脫附過程中冷阱溫度-30 ℃；一級至二級熱脫附過程中冷阱升溫40 ℃·s-1；二級熱脫附溫度300 ℃，保持5 min；熱脫附方式：進口分流，一般吹干，時間1 min；脫附流量25.00 mL·min-1；入口分流流量10.00 mL·min-1；出口分流流量20.00 mL·min-1。色譜分離條件為色譜柱，Elite-5 MS毛細管柱(30 m×0.32 mm，0.252μm)；程序升溫，40 ℃保持2 min，以6 ℃·min-1升至180 ℃，保持0 min，再以15 ℃·min-1升至270 ℃，保持3 min。質(zhì)譜檢測條件為離子源溫度220 ℃；接口溫度250 ℃；掃描質(zhì)荷比范圍(m/z)：29～600 amu。

所得離子流(TIC)圖中各有效峰經(jīng)TurboMass軟件檢索桃花揮發(fā)性物質(zhì)分析時比對標準譜庫NIST08，結合保留時間與相關化學經(jīng)驗明確成分，桃花揮發(fā)性物質(zhì)化合物質(zhì)量分數(shù)采用峰面積歸一化法計算。

2.2 訪花昆蟲

2015年4月18日到6月7日，定點定樹采樣。陰坡與陽坡每塊樣地選定5棵樣樹。每棵樣樹拍照采樣3個桃花枝，觀察照片識別訪桃花昆蟲。統(tǒng)計4月25日訪桃花昆蟲群落特征指數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

采用SPSS 23.0軟件的LSD多因素方差分析(Univariate ANOVA)統(tǒng)計桃花揮發(fā)性物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)差異。

Jaccard相似性系數(shù)(q)：

q=c/(a+b-c)。

式中：q為相似性系數(shù)(當0≤q≤0.25時，桃樹桃花揮發(fā)性物質(zhì)極不相似；當0.25

Patrick豐富度指數(shù)(R)：R=S(S表示物種數(shù))。

多度指數(shù)(A)：A=N(N表示物種個體數(shù))。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)：

H′=-∑PilnPi，Pi=Ni/N。

式中：Pi為第i物種的個體比例；Ni為第i物種個體數(shù)；N為統(tǒng)計群落所有物種個體數(shù)。

采用雙變量相關性分析統(tǒng)計4月29日桃花揮發(fā)性物質(zhì)的種類與4月25日訪桃花昆蟲的豐富度、多度、多樣性指數(shù)的相關性。

3 結果與分析

3.1 桃花揮發(fā)性物質(zhì)

3.1.1 桃花揮發(fā)性物質(zhì)特有成分與優(yōu)勢成分

通過測定分析得出，桃花揮發(fā)性物質(zhì)20種，陽坡?lián)]發(fā)性物質(zhì)多于陰坡；相同坡向，陽坡高海拔處多，陰坡低海拔處與高海拔處相同(表1)。主要為醇、醛、萜烯、烴和酯類物質(zhì)。醇類4種，陽坡高海拔桃樹產(chǎn)生最多(4種)，陰坡低海拔桃樹最少(1種)；醛類4種，陽坡產(chǎn)生3種，陰坡產(chǎn)生2種，為己醛和癸醛；萜烯類5種，陽坡桃樹產(chǎn)生5種，陰坡產(chǎn)生1種，是甲苯；烴類6種，陽坡4種，陰坡5種，陰、陽坡桃樹都產(chǎn)生十二烷、十四烷和十五烷，十三烷只有陰坡高海拔樣樹產(chǎn)生，是特有揮發(fā)性成分。

每塊樣地桃樹都產(chǎn)生特有揮發(fā)性成分和優(yōu)勢成分，陽坡高海拔桃花的特有揮發(fā)性成分最多(9種)，為2-丙基-1-庚醇、二甲基-苯乙醇、3-甲基丁醛、庚醛、乙苯、對二甲苯、苯乙烯、苯乙酮、3-乙基-甲基-庚烷；其次為陰坡低海拔桃樹(2種)，為癸醛和十六烷；陽坡低海拔和陰坡高海拔桃樹都是1種，分別為棕櫚酸異丙酯和十三烷。優(yōu)勢成分6種，醇類、醛類、萜烯類和烴類都有優(yōu)勢成分，2-乙基-1-己醇在陽坡低海拔桃樹揮發(fā)最多，但與其他樣地桃樹的差異不顯著(p>0.05);己醛、甲苯陽坡高海拔桃釋放量最高(p<0.05);十二烷和十四烷樣樹間差異不顯著(p>0.05);陽坡高海拔樣樹十五烷與其他樣地桃樹差異顯著(p<0.05)。

3.1.2 不同桃樹揮發(fā)性物質(zhì)相似性

由表2可知，桃花揮發(fā)性物質(zhì)，陽坡低海拔與陰坡高海拔桃樹相似性系數(shù)最高(q=0.778)，極相似。陽坡高海拔與陰坡低海拔樣樹相似性系數(shù)較低(q=0.333)，中等不相似；也與陽坡低海拔、陰坡高海拔桃樹中等不相似(q=0.412)。陰坡低海拔桃樹與陽坡低海拔、陰坡高海拔桃樹揮發(fā)性物質(zhì)中等相似(q=0.600)。

不同坡向桃花酯類極不相似性或相似性不存在，醇類、醛類、萜烯類和烴類都有相似性。醇類與醛類相似性大體相同，陽坡高海拔與陰坡低海拔的醇類或醛類極不相似(q=0.250)；陽坡高海拔與陽坡低海拔、陰坡高海拔的醇類或醛類中等不相似(醇類q=0.500，醛類q=0.333)，陰坡低海拔也與陽坡低海拔、陰坡高海拔中等不相似(q=0.500)；陽坡低海拔與陰坡高海拔極相似(q=1.000)。萜烯類與烴類不同桃樹相似性系數(shù)都只有2種，萜烯類不同桃樹間極不相似或極相似，烴類都中等相似。

表1 不同坡向桃花揮發(fā)性物質(zhì)成分

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；同行不同字母表示在0.05水平存在顯著差異；—表示不存在。

表2不同坡向桃花揮發(fā)性物質(zhì)、醇、醛、萜烯、烴類及酯類的相似性系數(shù)

坡 向揮發(fā)性物質(zhì)醇類醛類萜烯類烴類酯類陽坡高海拔/陽坡低海拔0.4120.5000.3330.2000.7500陽坡高海拔/陰坡高海拔0.4120.5000.3330.2000.600—陽坡高海拔/陰坡低海拔0.3330.2500.2500.2000.600—陽坡低海拔/陰坡高海拔0.7781.0001.0001.0000.7500陽坡低海拔/陰坡低海拔0.6000.5000.5001.0000.7500陰坡高海拔/陰坡低海拔0.6000.5000.5001.0000.600—

注：—表示不存在。

3.2 不同坡向桃花揮發(fā)性物質(zhì)對訪花昆蟲的化學響應

陽坡桃花揮發(fā)性物質(zhì)種類比陰坡多(p<0.05)(陽坡，(12.00±5.66)種；陰坡，(8.50±0.71)種)，陽坡有蟲訪桃花枝15個，陰坡4個(表3)。訪桃花的優(yōu)勢昆蟲6種(圖2)，陽坡有意大利蜜蜂(Apismellifera)、中華蜜蜂(Apiscerana)、毛跗黑條蜂(Anthophoraplumipes)、擬黑多刺蟻(Polyrhachisvicina)、角額壁蜂(Osimiacornifrons)、凹唇壁蜂(Osimiaexcavata)，陰坡為中華蜜蜂和凹唇壁蜂。采用n/(2-1)與n/(2+1)(n為蟲訪桃花枝值)劃分陽坡15個蟲訪桃花枝，得到先7個和后8個花枝兩個訪桃花昆蟲群落的特征指數(shù)，以及先8個和后7個花枝兩訪桃花昆蟲群落的特征指數(shù)；兩種方式劃分陽坡桃花枝統(tǒng)計的訪桃花昆蟲群落的豐富度有顯著差異(p<0.05)(n/(2-1)劃分花枝，3.00±1.41；n/(2+1)劃分花枝，3.50±0.71)，多樣性顯著不同(p<0.05)(n/(2-1)劃分花枝，0.68±0.39；n/(2-1)劃分花枝，0.84±0.15)，但多度大體相同(表3)(n/(2-1)劃分花枝，14.50±10.61；n/(2+1)劃分花枝，14.50±9.19)。n/2劃分陰坡4個花枝得出先、后各2個花枝兩個訪桃花昆蟲群落的指數(shù)，多度指數(shù)高(3.50±2.12)，多樣性低(0.25±0.35)，豐富度中等(1.50±0.71)。

A.意大利蜜蜂；B.中華蜜蜂；C.毛跗黑條蜂；D.擬黑多刺蟻；E.角額壁蜂；F.凹唇壁蜂。

由表3可知，桃花揮發(fā)性物質(zhì)種類與陽坡(n/(2-1)和n/(2+1)劃分)、陰坡(n/2劃分)蟲訪桃花枝訪花昆蟲群落的指數(shù)都有雙變量相關性響應。陽坡?lián)]發(fā)性物質(zhì)種類與陽坡訪桃花昆蟲豐富度、多度、多樣性指數(shù)分別呈極顯著負相關(p<0.01)，也與陰坡的豐富度、多度和多樣性呈極顯著負相關(p<0.01)。陰坡?lián)]發(fā)性物質(zhì)種類與陰坡的訪桃花群落特征指數(shù)均呈極顯著正相關(p<0.01)，也與陽坡的豐富度、多度、多樣性指數(shù)呈極顯著正相關(p<0.01)。

表3 不同坡向桃花揮發(fā)性物質(zhì)種類與訪花昆蟲群落豐富度、多度、多樣性指數(shù)相關性

注：** 表示在0.01水平上極顯著相關;陽坡蟲訪花枝7/8表示先7個和后8個花枝兩個訪桃花昆蟲群落；陽坡蟲訪花枝8/7表示先8個和后7個花枝兩個訪桃花昆蟲群落；陰坡蟲訪花枝2/2表示先、后各2個花枝兩個訪桃花昆蟲群落。

4 結論與討論

桃花揮發(fā)性物質(zhì)陽坡多于陰坡，相同坡向陽坡高海拔處桃花揮發(fā)性物質(zhì)多，陰坡高海拔處桃花揮發(fā)性物質(zhì)與高海拔處相同；陽坡光照強與溫度高，影響桃花枝釋放的揮發(fā)性物質(zhì)種類[19]。昆蟲訪花影響花釋放揮發(fā)性物質(zhì)的量以防御取食者和引誘天敵[17,20]。桃花釋放揮發(fā)性3-甲基丁醛、己醛、庚醛與癸醛4種醛類，而植物葉子釋放醛類的揮發(fā)性物質(zhì)可以防御害蟲取食[21]；4月29日，一旦有昆蟲訪問桃花，桃花開始釋放醛類或醛類的釋放量升高，因為，斑蝥咬食的新鮮芍花瓣釋放苯甲醛和苯乙醛的量增加[17]；也可能是采樣時，桃花枝葉子產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)成分，葉子產(chǎn)生的醛類揮發(fā)性物質(zhì)可以降低害蟲的數(shù)量[21]。桃花釋放的揮發(fā)性物質(zhì)有3-乙基-甲基-庚烷、十二烷、十三烷、十四烷、十五烷、十六烷6種烴類物質(zhì)；烴類物質(zhì)“能產(chǎn)生令人愉快的氣味”[22]，桃花釋放的6種烴類物質(zhì)應部分是引誘昆蟲訪桃花的成分。葉片產(chǎn)生萜烯類揮發(fā)性物質(zhì)不影響害蟲的危害[21]，ATD-GC/MS分析出紅樹植物桐花(Aegicerascomiculatum)優(yōu)勢揮發(fā)性萜烯類有毒[23]，桃花產(chǎn)生的某些萜烯類可能是防御物質(zhì)。利用桃花釋放特有和引誘強揮發(fā)性物質(zhì)，選取揮發(fā)物引誘桃樹傳粉昆蟲，促進植物物種分化和健康生長[24]。

桃花共有揮發(fā)性物質(zhì)體現(xiàn)不同桃樹的相似程度。陽坡高海拔與陰坡低海拔樣樹揮發(fā)性物質(zhì)種類相似性系數(shù)較低(q=0.333)，中等不相似；陽坡高海拔處光照充足，桃花釋放的揮發(fā)性物質(zhì)種類最多，而陰坡低海拔樣樹釋放的揮發(fā)性物質(zhì)種類少[19]，高海拔香山極香羅勒(Ocimumbasilicum)葉揮發(fā)性物質(zhì)成分也高于低海拔海南大學園藝園林學院基地的[25]。陽坡高海拔樣樹釋放的揮發(fā)性物質(zhì)種類最多，與低海拔樣樹揮發(fā)性物質(zhì)中等不相似(q=0.412)；在陽坡放養(yǎng)訪花昆蟲時，應在高海拔處。陰坡高海拔與低海拔樣樹揮發(fā)性物質(zhì)種類中等相似(q=0.600)，在陰坡高、低海拔處都可放養(yǎng)訪花昆蟲。

植物釋放的揮發(fā)性物質(zhì)與取食昆蟲種群具有相關性，薊屬Cirsium花的香味隨傳粉者的訪花昆蟲群落豐富度的升高而增加[26]；而且，松針揮發(fā)性物質(zhì)與馬尾松毛蟲(Dendrolimuspunctatus)的爆發(fā)(假設為多度)頻率具有相關性[27]。另外，訪花傳粉者物種影響所訪花種群釋放揮發(fā)性物質(zhì)種類[28]。測定昆蟲訪過的桃花釋放的揮發(fā)性物質(zhì)的種類與質(zhì)量分數(shù)，確定放養(yǎng)訪花昆蟲的量來促桃花健康生長。陽坡?lián)]發(fā)性物質(zhì)種類與訪桃花昆蟲豐富度、多度、多樣性指數(shù)呈極顯著負相關，陽坡桃花枝所處的光照、溫度等氣候條件好[29]，訪桃花的昆蟲種類較多，很容易就被傳粉與授粉，當有昆蟲訪問時，桃花枝將減少釋放揮發(fā)性物質(zhì)的種類與質(zhì)量分數(shù)，趨避訪問桃花枝的昆蟲；也可能釋放醛類或萜烯類物質(zhì)趨避一部分昆蟲訪問[9-10]。讓桃花枝處于一個易于授粉的良好生理生化狀態(tài)。陰坡?lián)]發(fā)性物質(zhì)種類與訪桃花昆蟲豐富度、多度、多樣性指數(shù)呈極顯著正相關，陰坡的光照與溫度等氣候條件差[29]，當不定量昆蟲訪桃花枝時，一旦有蟲訪問時，桃花枝盡可能的釋放揮發(fā)性物質(zhì)，以吸引訪花昆蟲的訪問，為其傳粉與授粉創(chuàng)造條件。