不同寄主植物對云南松毛蟲生長發(fā)育、繁殖及生理酶活性的影響

沈海燕，梁 運，陳正浩，華 銀，李昌良，張珠河，翁懷鋒，黃 飚，張飛萍，梁光紅*

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2. 羅源縣林業(yè)局，福建 福州 350600；3. 福州市森林病蟲害防治檢疫站，福建 福州 350003；4. 福建霞浦國有林場，福建 霞浦 355199)

植食性昆蟲在漫長的演化中與寄主植物形成了復(fù)雜的協(xié)同進化關(guān)系。寄主植物為植食性昆蟲提供了食料來源，但植食性昆蟲的生長發(fā)育及繁殖也受到寄主植物的影響[1-2]。如牧草盲蝽（Lygus pratensisLinnaeus）取食花椰菜（Brassica oleraceavar.botrytisLinnaeus）和田旋花（Convolvulus arvensisL.）后，其生長發(fā)育和繁殖力分別出現(xiàn)了上升和下降趨勢[3]。蘋小卷葉蛾（Adoxophyes orana beijingensisZhouetFu）取食適宜寄主植物桃（Amygdalus persicaL.）和蘋果（Malus pumilaMill.）后，其發(fā)育歷期縮短，產(chǎn)卵量升高[4]，表明寄主植物的種類會影響植食性昆蟲的生物學(xué)特性。當(dāng)然，寄主植物不會坐以待斃，也會產(chǎn)生有毒的植物次生代謝物來防御植食性昆蟲的取食[5]。此時植食性昆蟲會激活以谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶(GSTs)、羧酸酯酶(CarE) 和細胞色素 P450酶(CYP450)為主的解毒酶系統(tǒng)，使其迅速反應(yīng)達到代謝解毒的作用[6-7]。如草地貪夜蛾（Spodoptera frugiperdaJ.E. Smith）幼蟲取食煙草（Nicotiana tabacumL.）葉片后，體內(nèi)GSTs、CarE和CYP450活性均高于取食玉米（Zea maysL.）葉片的草地貪夜蛾幼蟲，表明解毒酶在應(yīng)對來自不同寄主植物的外源毒物和保護機體免受損傷方面發(fā)揮了重要作用[8]。另一方面，當(dāng)昆蟲克服植物的防御反應(yīng)后，還需將寄主植物中的營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收，以維持正常的生長發(fā)育[9]。其中蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶等消化酶可以將植物中的營養(yǎng)物質(zhì)分解為昆蟲能夠吸收的小分子蛋白，這些酶類常被用以評價寄主植物中各類營養(yǎng)物質(zhì)被昆蟲利用的狀況以及昆蟲與寄主植物之間的相互適應(yīng)性[10-11]。

云南松毛蟲（Dendrolimus houiLajonquiere）俗稱柳杉毛蟲或大柏毛蟲，屬鱗翅目(Lepidoptera)枯葉蛾科(Lasiocampidae)。以幼蟲取食針葉、嫩枝，發(fā)生嚴(yán)重時將導(dǎo)致林分大面積枯死[12-13]。云南松毛蟲寄主植物種類繁多，食物來源廣泛，除取食柳杉（Cryptomeria fortuneiHooibrenk）外，還取食云南松（Pinus yunnanensisFranch.）、思茅松（P. kesiyavar.langbianensis）、黑松（P.thunbergiiParl.）、側(cè) 柏（Platycladus orientalis(L.) Franco）、柏木（Cupressus funebrisEndl.）、馬尾松（P. massonianaLamb.）等多種寄主。這些植物的營養(yǎng)物質(zhì)與次生物質(zhì)各不相同，云南松毛蟲取食后卻能完成生活史并造成生物災(zāi)害[14-15]，推測其對不同寄主植物均具有一定的適應(yīng)能力。那么，不同寄主植物對云南松毛蟲的生長發(fā)育、繁殖及生理代謝有什么影響呢？

為此，依據(jù)文獻記載的寄主植物種類[14-15]，擬選取柳杉、側(cè)柏、柏木、馬尾松和云南松為供試寄主植物。在室內(nèi)條件下連續(xù)飼喂云南松毛蟲，持續(xù)觀察其當(dāng)代、子代的生物學(xué)特性差異，明確不同寄主植物對云南松毛蟲生長發(fā)育的影響。測定取食不同寄主植物后5齡幼蟲的酶學(xué)指標(biāo)，探析寄主植物種類與害蟲生物學(xué)特性、生理響應(yīng)差異的相互關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 寄主植物

選用柳杉、側(cè)柏、柏木、馬尾松和云南松5種寄主植物，均種植于福建農(nóng)林大學(xué)苗圃基地（119°14′2.92″ E，26°04′47.80″ N），未使用任何殺蟲劑、殺菌劑及化肥，定期澆水以維持植株健康生長。

1.2 供試?yán)ハx

云南松毛蟲繭采自福建省永泰縣嶺路鄉(xiāng)云山村（118°58′52.25″ E，25°45′55.43″ N，海拔820 m）。待成蟲自然羽化后，雌雄配對轉(zhuǎn)移至網(wǎng)紗籠（規(guī)格75 cm × 75 cm × 75 cm）中進行交配和產(chǎn)卵，把所產(chǎn)卵粒置于人工氣候箱（上海一恒，MGC-300H）。飼養(yǎng)條件為：溫度25±1 ℃，光周期L∶D=15 h∶9 h，相對濕度70%±5%。將同一天孵化的幼蟲作為供試蟲源。

1.3 不同寄主植物對云南松毛蟲生長發(fā)育及繁殖的影響

云南松毛蟲初孵幼蟲有群集性[16]。故將云南松毛蟲初孵幼蟲按寄主植物種類（柳杉、柏木、側(cè)柏、云南松和馬尾松）分別以30 頭·盒-1飼養(yǎng)在方形餐盒（規(guī)格17.2 cm × 11.6 cm × 5.2 cm）中，每種寄主重復(fù)10盒。每天定時觀察蛻皮情況，將蛻皮進入2齡的幼蟲放入新的餐盒內(nèi)，每盒1頭。每天更換一次新鮮寄主植物枝條并清理蟲糞保持飼養(yǎng)環(huán)境清潔，定時稱量和記錄各齡幼蟲蛻皮當(dāng)天的體質(zhì)量，標(biāo)記幼蟲蟲齡，記錄各齡幼蟲蛻皮日期和幼蟲結(jié)繭日期。化蛹后稱量第3 d的蛹質(zhì)量(g)，記錄蛹期(d)。待成蟲羽化后，將同一天羽化的成蟲進行雌雄配對，置于網(wǎng)紗籠中，每籠接入1對雌雄蟲。定時觀察和記錄雌蟲產(chǎn)卵情況，待成蟲自然死亡后記錄雌、雄成蟲壽命(d)。

1.4 不同寄主植物飼養(yǎng)的云南松毛蟲幼蟲解毒酶與消化酶的測定

分別取同一天進入5齡的各寄主植物飼養(yǎng)的云南松毛蟲幼蟲用于解毒酶和消化酶活性的測定。解毒酶和消化酶活性測定根據(jù)蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的試劑盒說明書操作進行。測定原理如下：

GSTs測定參照Habig等[17]的方法。GSTs催化GSH與CDNB結(jié)合，其結(jié)合產(chǎn)物的光吸收峰波長為340 nm；通過測定340 nm波長處吸光度上升速率，即可計算GSTs活性。

CarE測定參照Asperen[18]的方法。CarE能催化乙酸-1-萘酯生成萘酯，固籃顯色。在450 nm光吸收增加速率，計算CarE活性。

CYP450測定參照Brogdon等[19]和Tiwari等[20]的方法。CYP450經(jīng)連二亞硫酸鈉還原后，在424 nm 處有最大吸收峰，通過測定424 nm和490 nm處吸光值的差異，即可計算出CYP450的含量。

Protease測定參照白燕等[21]的方法。水解酪蛋白生成酪氨酸，酪氨酸還原磷鉬酸生成鎢藍，鎢藍在680 nm有特征吸收峰。通過測定其吸光度增加，來計算ACP活性。

AMS測定參照白燕等[21]的方法。AMS催化淀粉水解生成還原糖，還原糖還原3,5-二硝基水楊酸生成棕紅色物質(zhì)，在540 nm有吸收峰。通過測定540 nm吸光度增加速率，計算淀粉酶活性。

LPS測定參照白燕等[21]的方法。LPS催化油酯水解成脂肪酸，利用銅皂法測定脂肪酸生成速率，即可計算LPS活性。

蛋白質(zhì)含量測定采用考馬斯亮藍法[22]。

2 結(jié)果與分析

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行方差齊性檢驗，以單因素方差分析（One-way ANOVA）和Tukey檢驗法在0.05水平上檢驗各處理組間的差異顯著性。繪圖使用Excel 2007軟件。

2.1 不同寄主植物對云南松毛蟲幼蟲和蛹生長發(fā)育的影響

除取食馬尾松的幼蟲僅存活至5齡外，取食其他幾種寄主植物的幼蟲均能夠正常生長發(fā)育并化蛹，且幼蟲發(fā)育歷期無顯著差異（P>0.05）（表1）。其中，取食柳杉的幼蟲發(fā)育歷期（154.83±33.87 d）最短，取食側(cè)柏的發(fā)育歷期（181.11±38.54 d）最長。而不同寄主植物對云南松毛蟲的蛹歷期存在顯著差異（P<0.05）（表1），依次為側(cè)柏>云南松>柳杉>柏木（F=25.213，P<0.05）。

表1 不同寄主植物對云南松毛蟲生長發(fā)育的影響Table 1 Effects of different host plants on growth and development of Dendrolimus houi

不同寄主植物對云南松毛蟲幼蟲體質(zhì)量的影響如圖1所示，可知云南松毛蟲進入4齡后，除取食馬尾松的幼蟲外，取食其它寄主植物的幼蟲體質(zhì)量呈顯著增長趨勢。其中取食柳杉的4～7齡幼蟲體質(zhì)量均重于其它處理，而取食馬尾松的幼蟲體質(zhì)量最輕且僅持續(xù)至5齡階段；不同寄主植物對云南松毛蟲蛹質(zhì)量的影響如圖2所示，可知取食不同寄主植物的云南松毛蟲雄蛹蛹質(zhì)量無顯著差異（P>0.05），但雌蛹蛹質(zhì)量差異顯著（F=60.670，P<0.05）。其中，取食柳杉的云南松毛蟲雌蛹最重，而取食側(cè)柏的云南松毛蟲雌蛹最輕。

圖1 取食不同寄主植物的云南松毛蟲各齡幼蟲體質(zhì)量Fig. 1 Body weight of larvae feeding on different host plants during different instar of Dendrolimus houi

圖2 取食不同寄主植物的云南松毛蟲蛹質(zhì)量Fig. 2 Pupal weight on different host plants of Dendrolimus houi

2.2 不同寄主植物對云南松毛蟲成蟲壽命及繁殖力的影響

取食不同寄主植物的云南松毛蟲成蟲壽命存在顯著差異(P<0.05)，雌蟲壽命依次是柳杉>柏木>云南松>側(cè)柏（F=4.394，P<0.05）。雄蟲壽命依次是柏木>柳杉>云南松>側(cè)柏（F=3.157，P<0.05）。無論取食哪種寄主植物，雌蟲的壽命都長于雄蟲。同時，平均單雌產(chǎn)卵量在不同寄主植物之間的差異顯著(P<0.05)。幼蟲取食柳杉時，成蟲的產(chǎn)卵量最多（294.74±28.73 ?！ご?1）。而取食側(cè)柏時，成蟲產(chǎn)卵量最少（193.13±16.54 ?！ご?1）（表2）。

表2 取食不同寄主植物的云南松毛蟲成蟲壽命及成蟲產(chǎn)卵量Table 2 Adult longevity and fecundity of Dendrolimus houi reared on different host plants

2.3 不同寄主植物對云南松毛蟲解毒酶的影響

取食不同寄主植物的云南松毛蟲5齡幼蟲體內(nèi)GSTs（F=193.484，P<0.05）和CYP450（F=129.145，P<0.05）活性均存在顯著差異。取食柳杉 的 幼 蟲 體 內(nèi)GSTs（92.22±0.78 nmol·min-1·mg-1）活性最高；取食柏木的幼蟲體內(nèi)CYP450（68.53±2.26 nmol·g-1）活性最高；取食馬尾松的幼蟲體內(nèi)GSTs（46.99±0.64 nmol·min-1·mg-1）和CYP450（26.77±1.42 nmol·g-1）活性均最低；取食云南松的幼蟲體內(nèi)GSTs（87.86±4.07 nmol·min-1·mg-1）和CYP450（38.07±2.33 nmol·g-1）活性均處于較高的水平；取食不同寄主植物的云南松毛蟲5齡幼蟲體內(nèi)CarE活性無顯著差異（F=2.651，P>0.05）（表3）。

表3 取食不同寄主植物的云南松毛蟲解毒酶活性比較Table 3 Comparison of detoxification enzymes activities of Dendrolimus houi feeding on different host plants

2.4 不同寄主植物對云南松毛蟲消化酶的影響

取食不同寄主植物的云南松毛蟲5齡幼蟲體內(nèi)AMS活性順序依次是：側(cè)柏>柏木>柳杉>云南松>馬尾松（F=64.163，P<0.05）；LPS活性順序依次是：側(cè)柏>柏木>柳杉>云南松>馬尾松（F=111.159，P<0.05）。其中，取食側(cè)柏、柏木與柳杉的云南松毛蟲AMS和LPS活性顯著高于取食云南松和馬尾松的云南松毛蟲（P<0.05）；蛋白酶活性順序依次是：柳杉>柏木>云南松>側(cè)柏>馬尾松（F=29.615，P<0.05）。其中，取食柳杉的幼蟲體內(nèi)蛋白酶活性最高（3.26±0.114nmol·min-1·mg-1），取食柏木的云南松毛蟲蛋白酶活性也處于較高水平（表4）。

表4 取食不同寄主植物的云南松毛蟲消化酶活性比較Table 4 Comparison of digestive enzyme activities of Dendrolimus houi feeding on different host plants

3 討論

昆蟲取食不同寄主植物會顯著影響其生長發(fā)育和繁殖[23]。比如甜菜夜蛾（Spodoptera exiguaHiibner）在取食不同寄主植物后，其幼蟲的發(fā)育速率、發(fā)育歷期、蛹期以及蛹質(zhì)量均存在顯著差異[24]。一般蛹越重，適應(yīng)性越強[25-27]，且較短的發(fā)育歷期可衡量植食性昆蟲與寄主植物適合度[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，取食柳杉、柏木、側(cè)柏和云南松的幼蟲均具完整的生活史，驗證了云南松毛蟲是一種廣食性食葉害蟲，并具有較強的多寄主適應(yīng)能力。野外調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，該蟲除在福建、浙江等華東分布區(qū)嚴(yán)重危害柳杉外，在云貴川等西南分布區(qū)內(nèi)還嚴(yán)重威脅柏木、云南松和側(cè)柏，這與本研究結(jié)果一致，表明云南松毛蟲對不同寄主植物具有適應(yīng)性[29-32]。研究發(fā)現(xiàn)，取食柳杉、柏木的云南松毛蟲幼蟲和蛹的發(fā)育歷期短、雌蛹較重且成蟲產(chǎn)卵量高，推測柳杉和柏木是更適于幼蟲生長發(fā)育的寄主植物。但取食馬尾松的幼蟲只存活至5齡，不具有完整的生活史，且出現(xiàn)個體發(fā)育遲緩現(xiàn)象，可能與馬尾松的水分、營養(yǎng)物質(zhì)以及各種次生代謝物密切相關(guān)[33-34]。昆蟲能否正常地生存和繁衍下去，取決于它對食物等諸多生態(tài)因子的適應(yīng)力，通過人為方式調(diào)整寄主植物的配置方式，在一定程度上打破其對特定寄主的依賴性，擾亂消化道內(nèi)的微生物菌群，可對少數(shù)害蟲實現(xiàn)生態(tài)治理[35-36]。因而未來在人工混交林中可考慮配置馬尾松或其它非嗜食寄主，通過干擾云南松毛蟲的食性，改變其生物學(xué)進程和種群發(fā)生的固有模式，這是一個值得思考的方向。此外，前人測定了云南松毛蟲對寄主思茅松（P. kesiyavar.langbianensis(A.Chev.) Gaussen）、華山松（Pinus armandiiFranch.）、油松（Pinus tabuliformisCarriere）和白皮松（Pinus bungeanaZucc. ex Endl.）的成蟲產(chǎn)卵選擇性和幼蟲取食選擇性，發(fā)現(xiàn)云南松毛蟲對思茅松趨性最強，思茅松是云南松毛蟲的嗜食寄主[37]。另有研究表明，云南松毛蟲在云南芒市（海拔905～1321 m）取食思茅松，1年發(fā)生2代；但其在芒市毗鄰的騰沖（海拔950～1640 m）取食云南松后，1年僅發(fā)生1代[38-39]，表明海拔與氣溫相近的生境中，不同的寄主植物對云南松毛蟲發(fā)生代數(shù)存在明顯差異，與本研究結(jié)果相似。

大量研究表明，GSTs、CYP450和CarE等解毒酶對昆蟲分解外源毒物和維持正常生理代謝具有重要作用[40-41]。本研究發(fā)現(xiàn)，取食最適寄主柳杉和柏木的云南松毛蟲幼蟲體內(nèi)GSTs與CYP450活性顯著高于其他幾種寄主植物。這與松墨天牛（Monochamus alternatusHope）取食最適寄主馬尾松（P. massonianaLamb.）[42]、水椰八角鐵甲（Octodonta nipaeMaulik）取食最適寄主加拿利海棗（Phoenix canariensisChabaud）和棕櫚（Trachycarpus fortunei（Hook.) H. Wendl.）[43]時體內(nèi)解毒酶活性顯著高于取食其它寄主植物的結(jié)論一致，可能與不同寄主植物組織中水分、營養(yǎng)物質(zhì)以及各種次生代謝物質(zhì)種類和含量不同有關(guān)。進一步發(fā)現(xiàn)不同處理之間的CarE活性沒有顯著差異（P>0.05），推測5種寄主植物中所含的誘導(dǎo)CarE活性的化合物種類或含量可能相近[44]。

消化酶在維持昆蟲正常的生理生化代謝方面也具有重要作用，常被用作衡量植食性昆蟲對不同寄主植物適合度的重要指標(biāo)[45]。比如舞毒蛾幼蟲（Lymantria disparLinnaeus）取食不同寄主植物后中腸蛋白酶的活性出現(xiàn)明顯差異[46]；金銀花尺蠖幼蟲（Heterolocha jinyinhuaphagaChu）在取食營養(yǎng)成分含量高的寄主植物時，通過提高自身消化酶活性分解大量的營養(yǎng)物質(zhì)，以保證機體的快速生長[47]。表明昆蟲在取食不同寄主植物時，會根據(jù)自身生長發(fā)育的需求調(diào)節(jié)體內(nèi)消化酶的活性[48]。本研究發(fā)現(xiàn)，取食不同寄主植物的云南松毛蟲幼蟲體內(nèi)的消化酶也存在顯著差異。其中取食適宜寄主植物柳杉的幼蟲體內(nèi)蛋白酶活性最高，取食適宜寄主植物柏木的幼蟲體內(nèi)蛋白酶活性也處于較高水平，可能與幼蟲將蛋白質(zhì)水解為氨基酸，為機體生長和繁殖提供氮源有關(guān)[49-50]，進一步表明蛋白酶可能影響了云南松毛蟲對寄主植物的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

綜上所述，云南松毛蟲對柳杉和柏木有較好的適應(yīng)性，蟲體內(nèi)的解毒酶和蛋白酶可能是其適應(yīng)柳杉和柏木的主要原因。這些研究結(jié)果可為探析寄主植物種類與害蟲生物學(xué)特性、生理響應(yīng)差異的相互關(guān)系奠定基礎(chǔ)；同時發(fā)現(xiàn)云南松毛蟲取食馬尾松后不具有完整的生活史，且個體發(fā)育遲緩，未來可考慮通過配置馬尾松等形成多寄主新型混交林，干擾云南松毛蟲的食性及個體發(fā)育，從而實現(xiàn)云南松毛蟲的生態(tài)治理，還將有待繼續(xù)研究。