葉片物理性狀對玉米雜交種京科968防御二斑葉螨危害的影響

陳亞豐，王 甦，趙久然，任 雯，石 子，邸 寧，金道超

(1. 貴州大學(xué)昆蟲研究所，貴州山地農(nóng)業(yè)病蟲害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴陽作物有害生物科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，貴陽 550025；2. 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100097；3. 北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心，玉米DNA指紋及分子育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097)

玉米ZeamaysL.是全世界種植范圍最廣、用途最多和總產(chǎn)量最高的農(nóng)作物(趙久然等, 2016)。在實(shí)際生產(chǎn)中，玉米極易受到病蟲害威脅從而造成大面積減產(chǎn)(Deutschetal., 2018; 王振營和王曉鳴, 2019)。葉螨(Acari: Tetranychidae)個(gè)體小、繁殖快，是對玉米生產(chǎn)造成不良影響的重要原因之一，在玉米生長至葉蠟發(fā)生期和灌漿期時(shí)為害尤為嚴(yán)重(洪曉月等, 2013; 魏學(xué)林和張強(qiáng), 2016)。目前生產(chǎn)中防治葉螨主要采用化學(xué)防治的方法，盡管效果顯著，但長期過量使用化學(xué)殺蟲劑產(chǎn)生了一系列的負(fù)面影響，如“高抗性、高殘留以及再猖獗”的“3R”問題(洪曉月等, 2013)。應(yīng)用天敵如捕食螨可以有效防治葉螨，但由于天敵使用成本較高、防治周期較長，目前在大田作物上的應(yīng)用還很難滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求(徐學(xué)農(nóng)等, 2013)。表達(dá)Cry3Bb1的Bt(Bacillusthuringiensis，蘇云金芽孢桿菌)玉米雖可有效抵御玉米螟Pyraustanubilalis(Hubern)和黏蟲Mythimnaseparata(Walker)等害蟲，卻無法對葉螨產(chǎn)生抗性(Li and Romeis, 2010)。因此，通過育種工程等途徑增加玉米對葉螨的自然抗性是一種可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)有效和環(huán)境友好的防控方法，也是應(yīng)對葉螨為害最直接有效的方法之一(艾哈邁德等, 2015)。

植物對害蟲的抗性包括組成抗性和誘導(dǎo)抗性(秦秋菊和高希武, 2005)。其中，葉片物理性狀作為組成抗性的一部分，對作物的抗蟲性有一定影響(謝輝等, 2012)?，F(xiàn)代育種技術(shù)顯著提高了玉米的產(chǎn)量和基因的多樣性，但同時(shí)也會導(dǎo)致其它性狀發(fā)生改變(Duvick, 2005; Jiaoetal., 2014)。例如，人工選擇普遍導(dǎo)致作物葉片厚度下降和葉片表皮毛減少，這些變化會對害蟲對作物的適合度產(chǎn)生影響(Chenetal., 2015)。一般來說，葉片表皮毛密度高、厚度大的作物品種抗螨性高(武予清等, 1997; 劉奕清等, 1999; Hasnainetal., 2009)。Yuanetal.(2021)研究表明，在番茄Lycopersiconesculentum中超量表達(dá)SIARF4基因后番茄葉片表皮毛密度增加，番茄對葉螨的抗性隨之增強(qiáng)。但也有研究表明，葉片表皮毛密度較低的棉花Gossypiumspp.品種抗螨性較強(qiáng)(張金發(fā)等, 1993)。然而，針對玉米葉片表皮毛密度及葉片厚度對葉螨影響的相關(guān)報(bào)道較少(胡文俐, 2016)。因此，研究評價(jià)玉米雜交種及其親本對葉螨的抗性，明確抗性與其葉片物理性狀之間的關(guān)系，不但有助于了解玉米對葉螨的抗性機(jī)制，也可為選育抗螨玉米品種提供思路與理論方向。

二斑葉螨TetranychusurticaeKoch隸屬于蜱螨亞綱Acari絨螨目Trombidiformes葉螨科Tetranychidae，為我國玉米生產(chǎn)中的主要害螨(張?jiān)茣? 2016; 王振營和王曉鳴, 2019)，其為害可造成玉米葉片褪綠、失水，直至植株萎蔫干枯。京科968是由北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心以京724為母本、京92為父本選育的玉米品種(劉燊等, 2019)。該品種自2011年通過國家審定以來累計(jì)推廣種植面積超過1億畝，成為我國3個(gè)種植面積最大的玉米主導(dǎo)品種之一(Luoetal., 2018)。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)京科968在田間表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗螨性，在其他玉米品種被葉螨為害嚴(yán)重產(chǎn)量受損的情況下，京科968仍然能夠保持相對健康的長勢。本研究以京科968和先玉335以及其親本為研究對象，通過人工接種二斑葉螨后調(diào)查其田間種群動態(tài)來比較上述材料的抗螨性，分析玉米葉片厚度、表皮毛密度與葉螨種群密度相關(guān)性，以期為玉米抗螨品種選育及玉米葉螨可持續(xù)防控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

二斑葉螨于2019年8月采集自北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米試驗(yàn)田，分離鑒定后將200頭雌成螨在溫室內(nèi)(27°C±1°C, 40%±5%)用盆栽蕓豆PhaseolusvulgarisL.進(jìn)行飼養(yǎng)擴(kuò)繁。擴(kuò)繁過程中每隔10 d將帶螨的葉片從蕓豆苗剪下，轉(zhuǎn)移到新的蕓豆上，以保證葉螨食物充足。

供試玉米種京科968(JK968)及其母本京724(J724)和父本京92(J92)，先玉335(XY335)及其母本PH6WC和父本PH4CV均由北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心提供。

1.2 二斑葉螨田間種群動態(tài)

6種受試材料于2020年5月6日在北京市昌平區(qū)流村鎮(zhèn)王家園村七星蘋果合作社試驗(yàn)田(E116°23′09″，N40°10′42″)同時(shí)播種。將試驗(yàn)田劃分為邊長為7.5 m的正方形樣地，樣地平均分為9個(gè)邊長為2.5 m的正方形小區(qū)，不同材料隨機(jī)種植在每個(gè)小區(qū)內(nèi)(圖1)，其中3個(gè)小區(qū)作為空白不種植玉米。每個(gè)小區(qū)種植40株玉米(株距0.3 m，行距0.6 m)。為避免天敵和其它玉米害蟲對試驗(yàn)的影響，每個(gè)樣地用1個(gè)邊長為7.5 m，高為3.5 m的防蟲網(wǎng)(40目)罩住。試驗(yàn)過程中不施用任何化學(xué)藥劑。

圖1 田間試驗(yàn)分布圖Fig.1 Field experiment layout

待材料生長至營養(yǎng)生長階段中后期(6月6日)，參照Kamalietal.(1989)的方法在每株玉米最下部葉片的葉鞘處放置一片帶有50頭二斑葉螨雌成螨的蕓豆葉片。接螨后每隔5 d調(diào)查1次，采用5點(diǎn)取樣法，每個(gè)小區(qū)每個(gè)品種(系)隨機(jī)調(diào)查5株玉米所有葉片上的二斑葉螨數(shù)量。至玉米籽粒凹陷期時(shí)停止調(diào)查，此期及之后葉螨的為害不會對玉米的產(chǎn)量造成損失(Archeretal., 1994)。為避免邊際效應(yīng)，不調(diào)查每個(gè)小區(qū)最外圍的植株。試驗(yàn)共計(jì)5個(gè)重復(fù)。

1.3 玉米葉片厚度和表皮毛密度測定

玉米生長至雄穗完全抽出時(shí)，在田間隨機(jī)選取各品種(系)3株玉米的最下方穗位葉測定葉片厚度和表皮毛密度。葉片厚度測定參照劉奕清等(1999)和陳華才等(1996)的方法，取以上葉片經(jīng)FAA固定液(FAA Fix Soution，北京酷來搏科技有限公司，中國)固定后用石蠟包埋，冰凍切片機(jī)(CM3050S，Leica，Germany)切片，再用番紅染色1 h后，在顯微鏡下測量葉片厚度。表皮毛密度的測定參照胡文俐(2016)的方法并加以改進(jìn)。將葉片置于超景深顯微鏡(VHX-6000，Keyence，Japan)下，每張葉片上隨機(jī)選取10個(gè)視野，記錄每個(gè)視野1.0 cm2范圍內(nèi)的表皮毛數(shù)量，取平均值作為該葉片的表皮毛密度(表皮毛數(shù)/cm2)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析使用SPSS 26.0完成。分析時(shí)對田間種群動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi) g轉(zhuǎn)化。采用單因素方差分析(Duncan氏新復(fù)極差法，P<0.05)檢驗(yàn)同一時(shí)間不同玉米材料之間葉螨種群密度的差異顯著性，以及不同材料的葉片厚度和表皮毛密度的差異顯著性。采用Person法計(jì)算日均葉螨發(fā)生量(日均葉螨發(fā)生量=葉螨總發(fā)生量/調(diào)查天數(shù))與葉片表皮毛密度和葉片厚度之間的相關(guān)系數(shù)。采用線性回歸分析以明確表皮毛密度與葉片厚度對日均葉螨發(fā)生量的影響程度，為消除量綱對結(jié)果的影響，在進(jìn)行回歸分析前對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米品種(系)上二斑葉螨田間種群動態(tài)

7月20日后，葉螨種群數(shù)量顯著增加。在 8月 4日，玉米生長至蠟熟期時(shí)，葉螨種群數(shù)量達(dá)到峰值，不同玉米上的葉螨數(shù)量存在顯著差異(F=75.0；df=5，22；P<0.001)，PH6WC上的葉螨種群密度最高，達(dá)到13 883.0±467.6頭/株，J92上的葉螨數(shù)量最低，為1 615.5±170.0頭/株。此時(shí)，京科968上的葉螨數(shù)量(3 188.5±290.7頭/株)顯著低于先玉335(9 387.0±961.6頭/株；P<0.001)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，單株葉螨種群密度始終以J92最低，JK968次低(圖2)。

圖2 二斑葉螨在不同玉米品種(系)上的田間種群動態(tài)Fig.2 Field population dynamics of Tetranychus urticae on different maize strains

2.2 不同玉米品種(系)葉片物理性狀

不同玉米的葉片厚度間存在顯著差異(F=14.953；df=5，17；P<0.001)，其中JK968的葉片最厚，PH6WC的葉片最薄。不同玉米的表皮毛密度存在顯著差異(F=121.59；df=5，17；P<0.001)，單位面積內(nèi)表皮毛密度最高的為PH6WC，表皮毛密度最低的為J92(表1)。

表1 不同玉米品種(系)葉片的厚度及表皮毛密度

2.3 葉片物理性狀對日均葉螨發(fā)生量的影響

玉米葉片厚度與日均葉螨發(fā)生量呈顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.858;P=0.29)；玉米單位面積內(nèi)表皮毛密度與日均葉螨發(fā)生量呈顯著正相關(guān)(R=0.868;P=0.025)。表明葉片越厚，表皮毛密度越小，葉螨發(fā)生量越低(圖3)。線性回歸分析結(jié)果表明，葉片厚度的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為-0.464，表皮毛密度的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)為0.517，所以葉片表皮毛密度對日均葉螨發(fā)生量的影響更重要。

圖3 玉米葉片物理性狀與日均二斑葉螨發(fā)生量的相關(guān)性Fig.3 Correlation between physical characteristics of maize leaves and the daily average amount of Tetranychus urticae注：A，葉片厚度與日均二斑葉螨發(fā)生量的相關(guān)性；B，表皮毛數(shù)量/cm2與日均二斑葉螨發(fā)生量的相關(guān)性。Note: A, Correlation between leaf thickness (μm)and the daily average amount of T. urticae; B, Correlation between number of trichome per cm2 and the daily average amount of T. urticae.

3 結(jié)論與討論

本研究通過對二斑葉螨在JK968和XY335及其親本上的田間種群動態(tài)調(diào)查，以及葉螨發(fā)生量與葉片物理性狀的關(guān)系比較，明確了表皮毛密度和葉片厚度對葉螨的發(fā)生情況的影響。結(jié)果表明，表皮毛密度最低的J92抗螨性最強(qiáng)，這可能與較高密度的表皮毛為葉螨在葉片表面附著提供便利有關(guān)(鄭興國和洪曉月, 2009; 雍小菊和丁偉, 2011)。葉片較薄的玉米材料抗螨性較差，可能是由于葉螨的刺吸式口器更易刺入較薄的葉片組織(桂連友等, 2001)。所以在抗螨品種選育時(shí)應(yīng)考慮選擇葉片表皮毛密度較低且葉片較厚的玉米材料。

在接螨后的各時(shí)期XY335上的二斑葉螨種群密度始終高于JK968，說明JK968對二斑葉螨的抗性強(qiáng)于XY335。已有研究表明，JK968對亞洲玉米螟Ostriniafurnacalis(Guenée)、黏蟲Mythimnaseparata(Walker)和禾谷縊管蚜Rhopalosiphumpadi(L.)的抗性均高于XY335，且JK968中抗蟲化合物丁布類物質(zhì)的含量高于XY335(劉樹楠, 2019)。本研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)JK968的父本J92上的二斑葉螨種群密度始終維持在最低水平，而JK968母本J724上的葉螨種群密度較JK968和J92高，這表明JK968的抗螨性可能主要來源于其父本J92。這與劉燊等(2019)對JK968及其親本抗螟性的研究結(jié)果一致。

玉米基因型的多樣性導(dǎo)致玉米被害蟲為害后釋放的揮發(fā)物不同(Songetal., 2017)。研究表明，JK968被亞洲玉米螟為害后可以釋放吸引天敵的揮發(fā)物E-β-石竹烯，然而在其它多種品系玉米中，這種抗蟲機(jī)制在馴化過程中丟失(Guoetal., 2019)。本研究采用的罩網(wǎng)方法在一定程度上避免了玉米被葉螨為害后吸引天敵對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，在今后的研究中可重點(diǎn)關(guān)注不同品種(系)玉米被葉螨取食后揮發(fā)物的差異。

現(xiàn)有對玉米抗螨性的研究多為針對某一時(shí)間點(diǎn)的為害指數(shù)調(diào)查(白永新等, 2008; 楊群芳等, 2015; 艾哈邁德等, 2015)，而針對葉螨在不同品種(系)玉米上種群動態(tài)的比較研究較少。本研究對二斑葉螨在玉米營養(yǎng)生長階段至成熟期的葉螨種群動態(tài)的研究結(jié)果表明，二斑葉螨種群數(shù)量在玉米進(jìn)入灌漿期后種群數(shù)量顯著增加，因此，玉米生殖生長階段的葉螨防控尤為重要。

本研究發(fā)現(xiàn)JK968的父本J92對二斑葉螨的田間抗性最強(qiáng)，具有較好的抗螨育種潛力，可作為玉米抗螨育種的重要材料。從葉螨防治角度考慮，選擇種植JK968能夠較好的防控玉米生殖生長階段的葉螨為害。本研究闡明了玉米材料的抗蟲性與葉片厚度和表皮毛密度的關(guān)系，表明較厚的葉片和較低的表皮毛密度是抵御葉螨為害的重要因素。同時(shí)，揭示了葉片物理性狀在玉米品種抗螨性中起到了重要作用，為玉米抗螨新品種的培育提供了一定的理論依據(jù)。

致謝：感謝中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所高建明博士提供防蟲網(wǎng)搭建方法，感謝貴州大學(xué)昆蟲研究所李娟博士鑒定二斑葉螨種群。