CO2濃度倍增對水稻和褐飛虱蜜露中游離氨基酸濃度的影響

黃建利， 石寶坤， 胡朝興， 侯茂林＊， 廖曉蘭

（1．湖南農業大學生物安全科技學院，長沙 410128；2．植物病蟲害生物學國家重點實驗室，中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193）

工業革命以來，全球CO2濃度已經上升了30%左右而且到本世紀末將倍增［1］。CO2濃度升高對植物生長發育的影響受到了特別關注。研究表明，CO2濃度升高促進光合作用［2］和增大植物生物量［3－4］。在 CO2濃度升高條件下，植物所吸收的氮被更大的生物量所“稀釋”，從而降低植物體內的氮濃度、提高 C／N 比［5－7］。CO2濃度升高條件下植株發育加快以及碳氮分配格局上的變化改變植食性昆蟲的營養和發育［7－11］。植食性昆蟲對CO2濃度升高的反應與植食性昆蟲的種類有關，特別是與取食的植物有關；盡管如此，特定取食習性的植食性昆蟲對CO2濃度升高的反應還是存在某些普遍規律。大多數咀嚼式植食性昆蟲（如鱗翅目昆蟲）在CO2濃度升高時由于 C／N 比升高而受到不利影響［7，10，12］；這些昆蟲常通過補償性取食來彌補營養上的不足［10］，從而使得其為害增大。刺吸式昆蟲對CO2濃度升高的反應更為復雜13。例如，在CO2濃度升高條件下，許多種蚜蟲在植物上單體飼養時發育良好［14－15］，但是某些種在群體飼養時表現出不同的反應［14］。植株C／N比的變化還可能影響次生代謝物的合成，促進以碳為基礎的次生代謝物的合成而抑制以氮為基礎的次生代謝物的生產［16－17］。

褐飛虱（Nil apar vata l ugens St?l）是亞洲水稻生產最為嚴重的害蟲之一［18］。若蟲和成蟲均群集稻叢基部刺吸葉鞘韌皮部汁液，往往造成嚴重的產量損失［19］。大多數昆蟲從食物蛋白質中獲得合成自身蛋白質所需要的氨基酸，而某些刺吸式口器害蟲，如飛虱、葉蟬等，則直接從寄主汁液中攝取氨基酸。因此，水稻植株中的游離氨基酸成分和含量對褐飛虱生長發育和繁殖存在重要影響［20－21］。Sun等［22］發現在CO2濃度升高條件下，棉花韌皮部的游離氨基酸濃度下降、棉蚜體內的游離氨基酸濃度上升，棉蚜蜜露的氨基酸濃度沒有變化，但是棉蚜的蜜露量增大。Xiao－Na等［23］報道了CO2濃度對褐飛虱在轉基因水稻和常規水稻上發育的影響，認為CO2濃度升高條件下褐飛虱危害將加重。但是，CO2濃度對水稻和取食水稻的褐飛虱的氨基酸代謝的影響沒有研究報道，本研究測定了不同CO2濃度下水稻植株和褐飛虱蜜露的游離氨基酸濃度，以明確CO2濃度對褐飛虱－水稻之間營養互作關系的影響。

1 材料與方法

1．1 供試褐飛虱和稻苗、試驗設置

褐飛虱在60目無蟲籠罩內用移栽稻苗（品種‘TN1’）群體飼養。已在溫室內連續飼養3年。

試驗中使用的水稻品種為‘TN1’，直播盆栽（盆體積約為900 mL），盆栽基質配方為稻田土∶蛭石∶草炭土∶雞糞＝10∶1∶2∶1。出苗數天后保留3株苗。盆栽苗按需澆水。供試稻苗在4臺人工氣候箱（HP400GS－D型智能人工氣候箱，武漢華瑞儀器設備有限責任公司）中培養。設置2個CO2濃度，其中2臺CO2濃度設定為750μL／L（高CO2濃度），另2臺為360μL／L（常CO2濃度）。CO2濃度由傳感器自動控制。人工氣候箱的日／夜溫度設定為28℃／23℃，白天時間設置為07：00－21：00。光周期為L∥D＝14 h∥10 h（光照時間為07：00－21：00），相對濕度為70%～80%，光照強度約為5 500～6 500 lx，每個培養箱共12個燈管（功率12 W），分兩層垂直照射。每個人工氣候箱放置32盆盆栽苗，稻苗在氣候箱內排放2層擺放。在試驗期間，每5 d重排一次盆栽苗的位置（層次和位置輪換），以盡量減小培養箱內位置效應產生的偽重復。試驗中采用不同處理下的45日齡水稻苗。

1．2 稻莖、傷流液和褐飛虱蜜露取樣

取兩種處理下水稻苗，剪取距主莖基部5～15 c m間的莖稈，用保鮮袋封存并立即置于－20℃的冰箱。在上述人工氣候箱中，將3頭饑餓3 h的短翅雌成蟲（＜24 h）接入parafil m小袋［24］，小袋套在主分蘗離地約5 c m處，每稻莖接1只小袋（約3．3 c m×6．5 c m）。取食24 h后移除雌蟲，用50μL微量進樣器收集小袋內的蜜露，保存在－20℃的冰箱。之后，在07：00時用清潔剪刀剪斷褐飛虱雌蟲取食過的稻莖（距泥面5 c m處），在稻茬頂端套上一個parafil m小袋，12 h后收集小袋中的傷流液，保存在－20℃的冰箱。每個稻莖或每個稻莖上收集的褐飛虱蜜露與傷流液作為一個重復，每處理重復3次。

1．3 游離氨基酸測定

針對褐飛虱蜜露和稻莖傷流液，取上述保存樣品0．1 mL加入0．1 mL 8%磺基水楊酸，10 000 r／min下離心10 min，取上清液0．1 mL濃縮至干（TVE－1000，EYELA，Japan），用檸檬酸緩沖液（p H＝2．2）復溶至0．6 mL。針對稻莖，取樣品1 g剪碎研磨后，稱取100 mg用80%乙醇溶液抽提30 min，加入1 mL 8%磺基水楊酸，90℃水浴加熱10 min，10 000 r／min 下離心 10 min，取上清液0．5 mL濃縮至干，用緩沖液復溶至0．6 mL。然后用氨基酸自動分析儀（S4300，SYKA M，Ger many）測定游離氨基酸濃度。

1．4 數據處理

采用t測驗法比較CO2濃度處理間游離氨基酸濃度的差異顯著性［25］。

2 結果與分析

稻莖中，甘氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、賴氨酸以及脯氨酸的濃度在高CO2濃度下顯著下降（t＞2．822，P＜0．048），但是16種游離氨基酸（蘇氨酸由于峰值重疊未檢出）總量在兩種CO2濃度下差異不明顯（t＝0．350，P＝0．744）。CO2處理間游離氨基酸濃度的大小排序基本相同，濃度從高到低的前9種游離氨基酸為：絲氨酸＞天門冬氨酸＞谷氨酸＞組氨酸＞纈氨酸＞丙氨酸＞精氨酸＞賴氨酸＞胱氨酸。

稻莖傷流液中，CO2濃度倍增極顯著增加16種游離氨基酸（蘇氨酸由于峰值重疊未檢出）的總量（t＝14．910，P＜0．001）。除了脯氨酸外，其他15種游離氨基酸的濃度在高CO2濃度下都顯著增加（t＞7．080，P＜0．002）。游離氨基酸濃度的大小排序與稻莖有明顯不同，而且CO2濃度處理間也存在顯著差異。

褐飛虱蜜露中，絲氨酸、賴氨酸、精氨酸、脯氨酸的濃度在CO2濃度處理間差異不顯著（t＜1．714，P＞0．162），甘氨酸濃度在高CO2濃度下顯著下降（t＝28．746，P＜0．001），其他11種游離氨基酸濃度在高 CO2濃度下顯著增大（t＞3．140，P＜0．035），16種游離氨基酸總量（蛋氨酸由于峰值重疊未檢出）在高CO2濃度下顯著增大（t＝28．349，P＜0．001）。16種氨基酸濃度的高低排序有很大不同，高CO2濃度下谷氨酸、天門冬氨酸、纈氨酸、組氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和異亮氨酸的濃度是常CO2濃度下的2倍多。

表1 CO2濃度倍增對水稻稻莖游離氨基酸濃度的影響1）Table 1 Influence of doubled CO2 concentration on contentof free amino acids in rice stem

表2 CO2濃度倍增對水稻傷流液游離氨基酸濃度的影響1）Table 2 Influence of doubled CO2 concentration on contentof free amino acids in rice sap

表3 CO2濃度倍增對褐飛虱蜜露游離氨基酸濃度的影響1）Table 3 Influence of doubled CO2 concentr ation on contentof free amino acids in planthopper honeydew

3 討論

刺吸式口器害蟲，如飛虱、葉蟬等，直接從寄主汁液中攝取氨基酸。因此，水稻植株中的游離氨基酸成分和濃度對褐飛虱生長發育和繁殖存在重要影響［20－21］。稻 株 內 游 離 氨 基 酸 濃 度 與 水 稻 品 種 有關［21］。本研究中測定的‘TN1’稻莖中濃度較高的游離氨基酸有絲氨酸、天門冬氨酸、谷氨酸、纈氨酸、丙氨酸，這與王蔭長等［21］報道的‘TN1’葉鞘中游離氨基酸的濃度類似，不過本研究中蘇氨酸由于峰值重疊未檢出。雖然甘氨酸、蛋氨酸、亮氨酸、賴氨酸以及脯氨酸的濃度在高CO2濃度下顯著下降，但是在兩種CO2濃度下16種游離氨基酸總量沒有差異，而且游離氨基酸濃度的大小排序基本相同。這表明，CO2濃度對稻莖中游離氨基酸濃度的影響甚微。

馬躍芳［26］測定了未被害蟲取食時水稻傷流液中游離氨基酸的濃度，發現在抽穗期含量較高的是丙氨酸、絲氨酸、天門冬酰胺和谷酰胺。本文中傷流液是在褐飛虱取食后取樣，常CO2濃度下傷流液中濃度較高的游離氨基酸包括組氨酸、纈氨酸、谷氨酸、天門冬氨酸和胱氨酸，而高CO2濃度下含量較高的游離氨基酸包括絲氨酸、纈氨酸、天門冬氨酸、谷氨酸、組氨酸和丙氨酸，本文結果與馬躍芳［26］報道的結果有些差異；結果上的偏差可能與傷流液取樣時水稻處于不同生育期以及水稻是否被褐飛虱取食有關。CO2濃度倍增顯著增加稻莖傷流液中16種游離氨基酸的總量，游離氨基酸含量的大小排序也發生明顯變化。很顯然，CO2濃度和褐飛虱取食對稻莖傷流液中游離氨基酸含量和組成存在明顯影響。

本文中，褐飛虱蜜露游離氨基酸濃度較高的有谷氨酸、天門冬氨酸、纈氨酸、絲氨酸、組氨酸、丙氨酸、蘇氨酸。這與前人［20－21，27］報道的褐飛虱或白背飛虱蜜露中的游離氨基酸濃度相似。在高CO2濃度下，褐飛虱蜜露中11種游離氨基酸濃度和游離氨基酸總量顯著增大，而且氨基酸濃度的高低順序也產生了很大變化。Sun等［22］報道在CO2濃度升高條件下，棉蚜蜜露的氨基酸濃度沒有變化，但是棉蚜的蜜露量增大；他們的結果表明在高CO2濃度下，棉蚜通過蜜露排泄的游離氨基酸總量增大。因此，CO2濃度對褐飛虱的氨基酸代謝存在明顯影響。

本文中，高CO2濃度下褐飛虱蜜露中游離氨基酸含量的增大可能與稻莖傷流液中游離氨基酸濃度的增大有直接關系，褐飛虱通過蜜露主動排出過多的氨基酸；另外，生物體排泄的氨很多來源于氨基酸的轉氨和脫氨氧化，CO2濃度升高可能誘發較強的轉氨脫氨作用，類似于高溫處理引起褐飛虱體內氨基酸代謝酶活性發生的變化［28］。與褐飛虱在抗蟲水稻品種上的表現一樣［21］，這種機制必然造成氨基酸和能量的過多消耗，從而不利于褐飛虱的生存和發展。因此，從褐飛虱的氨基酸營養角度看，未來CO2濃度升高將在一定程度上抑制褐飛虱種群的增長。不過，溫度是影響害蟲種群的更重要的因素，有必要耦合溫度與CO2濃度的變化來分析未來氣候變化情景下褐飛虱的種群趨勢。

［1］ IPCC．Cli mate change 2001：The scientific basis．Contribution of wor king gr oup I to the t hird assessment reportof the inter govern mental panel on cli mate change［M］．Cambridge：Cambridge University Press，2001．

［2］ Norby R J，Wullschleger S D，Gundrson C A，et al．Tree responses to rising CO2in field experi ments：i mplications for the future forest［J］．Plant Cell ＆Environ ment，1999，22：683－714．

［3］ Leadley P W，Niklaus P A，Stocker R，et al．A field st udy of the effects of elevated CO2on plant biomass and community structure in a calcareous grassland［J］．Oecologia，1999，118：38－49．

［4］ Owensby C E，Ham J M，Knapp A K，et al．Biomass production and species co mposition change in a tallgrass prairie ecosystem after long－ter m exposure to elevated at mospheric CO2［J］．Global Change Biology，1999，5：497－506．

［5］ Hughes L，Bazzaz F A．Effects of elevated CO2on five plantaphid interactions［J］．Entomologia Experi mentalis et Applicata，2001，99：87－96．

［6］ Cotruf o M F，Ineson P，Scott A．Elevated CO2reduces the nitrogen concentration of plant tissues［J］．Global Change Biology，1998，4：43－54．

［7］ Goverde M，Er hardt A．Effects of elevated CO2on development and larval f ood－plant preference in the butterfly Coenony mpha pamphil us （Lepidoptera，Satyridae）［J］．Global Change Biology，2003，9：74－83．

［8］ Lindrot h R L，Rot h S K，Volin J C．CO2－mediated changes in aspen chemistr y：effects on gypsy mot h perfor mance and susceptibility to virus［J］．Global Change Biology，1997，3：279－289．

［9］ Agrell J，Mc Donald E P，Lindorth R L．Effects of CO2and lighton tree photochemistry and insect perfor mance［J］．Oi－kos，2000，88：259－272．

［10］Bar behenn R V，Kar owe D N，Chen Z．Perfor mance of a generalist grasshopper on a C3 and a C4 grass：co mpensation for the effects of elevated CO2on plant nutritional quality［J］．Oecologia，2004，140：96－103．

［11］Asshoff R，H?ttensch wiler S．Gr owt h and repr oduction of the alpine grasshopper Mir a mell a al pine feeding on CO2－enriched d warf shr ubs at treeline［J］．Oecologia，2005，142：191－201．

［12］Knepp R G，Hamilton J G，Zangerl A R，et al．Foliage of oaks grown under elevated CO2reduces perfor mance of Anther aea pol y phemus （Lepidoptera：Sat ur niidae）［J］．Environ mental Ento mology，2007，36：609－617．

［13］Bezemer T M，Jones T H．Plant－insecther bivore interaction in elevated at mospheric CO2：quantitative analyses and guild effects［J］．Oikos，1998，82：212－222．

［14］Bezemer T M，Jones T H，Kmight K J．Long－ter m effects of elevated CO2and temperature on populations of the peach potato aphid Myzus persicae and its parasitoid Aphidius matricariae［J］．Oecologia，1998，116：128－135．

［15］Gao F，Zhu S R，Sun Y C，et al．Interactive effects of elevated CO2and cotton cultivar on tri－trophic interaction of Gossypiu m hirsutum，Aphis gossypii，and Propyl aea j aponica ［J］．Envir on mental Ento mology，2008，37：29－37．

［16］Veteli T O，Kuokkanen K，Julkunen－Tiitto R．Effectof elevated CO2and temperature on plant growth and herbivore defensive chemistry［J］．Global Change Biology，2002，8：1240－1252．

［17］Bidart－Bouzat M G，Mithen R，Berenbau m M R．Elevated CO2influences her bivory－induced defense responses of Ar abidopsis thaliana ［J］．Oecologia，2005，145：415－424．

［18］Dyck V A，Tho mas B．The br own plant hopper pr oblem．［M］∥Inter national Rice Research Institute（eds．）．Br own plan－t hopper：t hreat to rice production in Asia．Los Ba?os，Philippines．Inter national Rice Research Instit ute，1979：3－7．

［19］Sogawa K，Cheng C H．Econo mic t hresholds，nat ure of da mage，and losses caused by the brown planthopper［M］∥International Rice Research Institute（eds．）．Br own plant hopper：t hreat to rice pr oduction in Asia．Los Ba?os，Philippines：Inter national Rice Research Instit ute，1979：251－271．

［20］丁錦華，都健．褐飛虱對游離氨基酸的利用［J］．昆蟲知識，1990（2）：65－67．

［21］王蔭長，李國清，韓召軍，等．水稻品種南京14號對褐飛虱抗性的研究．Ⅱ褐飛虱對抗感水稻品種葉鞘內游離氨基酸的利用差異［J］．南京農業大學學報，1995，18（2）：116－119．

［22］Sun Y C，Jing B B，Ge F．Response of a mino acid changes in Aphis gossypii（Glover）to elevated CO2levels［J］．Journal of Applied Ento mology，2009，133：189－197．

［23］Xiao－Na C，Wei H，Neng－Wen X，et al．Effects of elevated CO2and transgenic Bt rice on yeast－like endosy mbiotic and its host br own plant hopper［J］．Jour nal of Applied Ento mology，2011，135：333－342．

［24］Pat hak P K，Saxena R C，Heinrichs E A．Parafil m sachet for measuring honeydew excretion by Nil apar vata l ugens on rice［J］．Journal of Economic Entomology，1982，75：194－195．

［25］SPSS．SPSS for windows，release 7．5．2［M］．SPSS Inc．，Cary，NC．1997．

［26］馬躍芳．雜交水稻抽穗后傷流液中游離氨基酸含量的變化［J］．植物生理學通訊，1989（6）：41－43．

［27］劉光杰，Ibabao M G，Saxena R C，等．白背飛虱在抗感稻株上分泌蜜露的氨基酸成分分析［J］．中國水稻科學，1993，7（2）：117－119．

［28］王國超，傅強，賴鳳香，等．褐飛虱體內類酵母共生菌與氨基酸營養的關系［J］．昆蟲學報，2005，48（4）：483－490．