玉米雌穗揮發(fā)物對(duì)亞洲玉米螟幼蟲取食選擇的影響

謝興偉, 楊 真, 陳 曉, 蘇國連, 陳 斌, 嚴(yán)乃勝, 董文霞

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,農(nóng)業(yè)生物多樣性與病害控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南省農(nóng)業(yè)生物多樣性利用與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650201)

玉米雌穗揮發(fā)物對(duì)亞洲玉米螟幼蟲取食選擇的影響

謝興偉#, 楊 真#, 陳 曉, 蘇國連, 陳 斌, 嚴(yán)乃勝, 董文霞*

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,農(nóng)業(yè)生物多樣性與病害控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南省農(nóng)業(yè)生物多樣性利用與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650201)

為了探明玉米雌穗揮發(fā)物組成及其對(duì)亞洲玉米螟(Ostrinia furnacalis)幼蟲取食行為的影響,本研究利用頂空吸附法及氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC/MS)測(cè)定了離體玉米雌穗的揮發(fā)物組分,并通過幼蟲取食選擇試驗(yàn)測(cè)定了11種玉米雌穗揮發(fā)物在4個(gè)不同濃度下(5×10-6、5×10-5、5×10-4、5×10-3g/mL,正己烷為溶劑)對(duì)亞洲玉米螟取食行為的影響。結(jié)果表明：從離體玉米雌穗中共計(jì)收集并鑒定出32種揮發(fā)物組分,主要包括綠葉氣味物質(zhì)、萜類化合物和脂肪族化合物。其中,萜類化合物的含量最高,占玉米雌穗揮發(fā)物總釋放量的84.40%。在所有測(cè)定的濃度范圍內(nèi),β-石竹烯、十四烷表現(xiàn)為引誘活性,壬醛表現(xiàn)為驅(qū)避作用。除濃度為5×10-3g/m L外,癸烷、反-羅勒烯、6-甲基-5-庚烯-2-酮對(duì)幼蟲取食表現(xiàn)為引誘作用。

亞洲玉米螟; 玉米雌穗; 植物揮發(fā)物; 取食行為

玉米(Zea mays L.)是世界上種植面積最大、分布最廣的作物,也是我國的第三大糧食作物,其種植面積位居我國秋糧之首[12]。亞洲玉米螟[Ostrinia furnacalis(Guenée)]是重要的玉米害蟲,也是我國玉米螟的優(yōu)勢(shì)種。據(jù)統(tǒng)計(jì),每年由亞洲玉米螟造成的危害可使玉米減產(chǎn)達(dá)30%以上[3]。目前,對(duì)亞洲玉米螟的防治仍以化學(xué)農(nóng)藥為主,迫切需要探索新的防治手段。

昆蟲通常依靠自身的化學(xué)感受器與周圍環(huán)境中的化學(xué)信息產(chǎn)生關(guān)聯(lián),為其尋找適宜的寄主植物,以完成生存和繁衍[4-7]。通過植物揮發(fā)物調(diào)控昆蟲的行為是探索害蟲防治的新途徑[8]。國內(nèi)外關(guān)于玉米揮發(fā)物與玉米螟行為互作關(guān)系的研究已有大量報(bào)道[912]。但是有關(guān)玉米雌穗揮發(fā)物的研究較少,已有的研究主要集中在玉米雌穗苞葉、玉米花絲等的揮發(fā)物研究上[13-14],而玉米雌穗揮發(fā)物對(duì)昆蟲行為的影響也未見報(bào)道。

本研究利用頂空吸附法及氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC/MS)測(cè)定了玉米雌穗的揮發(fā)物成分,并測(cè)定了幼蟲對(duì)添加了揮發(fā)物單組分的人工飼料的取食選擇,旨在篩選對(duì)亞洲玉米螟幼蟲取食具有引誘或驅(qū)避作用的組分。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試植物

玉米‘會(huì)單4號(hào)’為云南常用的普通品種,在光照培養(yǎng)箱中催芽,并于5 d后選取長勢(shì)一致的玉米芽種植于溫室內(nèi),行距1 m,株距25 cm,種植后覆蓋地膜。待玉米開花1個(gè)月后摘取玉米雌穗進(jìn)行試驗(yàn),無蟲害。

1.1.2 供試蟲源

亞洲玉米螟采自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米試驗(yàn)田,在人工氣候箱中連續(xù)飼養(yǎng)10代以上,溫度為(26± 1)℃、相對(duì)濕度為70%±10%、光周期為L∥D= 14 h∥10 h。幼蟲飼以人工飼料[15];成蟲飼以10%的蜂蜜水。試驗(yàn)時(shí)選取孵化當(dāng)天的幼蟲。

1.1.3 供試試劑

正己烷(色譜純,98%,Merck)、α-蒎烯(98%, Aldrich)、反-羅勒烯(90%,Aldrich)、β-石竹烯(90%, TCI)、2-己酮(98%,J&K)、6-甲基-5-庚烯-2-酮(98%,TCI)、壬醛(95%,TCI)、癸醛(95%,TCI)、1-辛烯-3-醇(98%,J&K)、癸烷(99%,Acros Organics)、十四烷(98%,J&K)、十六烷(98.5%,J&K)。

1.2 方法

1.2.1 離體玉米雌穗揮發(fā)物的收集

離體玉米雌穗揮發(fā)物的收集采用動(dòng)態(tài)頂空吸附法。試驗(yàn)時(shí)選取長勢(shì)一致、無病蟲害的玉米植株20株,剪下整個(gè)雌穗,放入玻璃干燥器(d=500 mm, h=400 mm)進(jìn)行揮發(fā)物的收集。試驗(yàn)前通氣10 min去除收集裝置中的氣味。玻璃干燥器上部通入兩根裝有吸附劑(700 mg Porapak Type Q,80-100 mesh,Waters)的巴斯德管,一根用Teflon管連接大氣采樣儀(QC-1S型,北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所);一根與活性炭相連接,作為凈化空氣的入口。收集時(shí),控制空氣流量為500 m L/min,連續(xù)吸附24 h,保持環(huán)境通風(fēng)、無異味,光源為自然光。收集完成后的樣品用2 m L正己烷洗脫至棕色樣品瓶中,加入辛烷和壬酸乙酯各1 000 ng作為內(nèi)標(biāo),用氮吹法濃縮至100μL,于-20℃冷藏待用。重復(fù)3次,系統(tǒng)為空白對(duì)照。3次試驗(yàn)所用玉米雌穗質(zhì)量分別為3 186.35、2 966.16、3 021.17 g。

圖1 氣體收集裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of collection device

1.2.2 揮發(fā)物組分的分離與鑒定

利用氣相色譜(GC)/質(zhì)譜(MS)聯(lián)用儀(Agilent 6890A/5973MS,美國Agilent公司)對(duì)離體玉米雌穗揮發(fā)物進(jìn)行分析,氫火焰離子檢測(cè)器,色譜柱為HP-5毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25μm);程序升溫：起始溫度40℃,以3℃/min升溫至80℃,再以5℃/min升溫至260℃;柱前壓100 k Pa,載氣為高純氦氣,流速1.0 m L/min,分流進(jìn)樣,分流比為10∶1,進(jìn)樣量2.0μL。質(zhì)譜條件：EI離子源,電子能量70 e V,質(zhì)子掃描范圍35～500 amu,四級(jí)桿溫度150℃,離子源溫度230℃,傳輸線溫度250℃,柱壓100 k Pa。通過核對(duì)標(biāo)準(zhǔn)譜庫(Wiley7n.l)與標(biāo)準(zhǔn)化合物的質(zhì)譜圖,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化合物的保留時(shí)間對(duì)提取物組分進(jìn)行定性分析。

1.2.3 玉米雌穗揮發(fā)物組分對(duì)亞洲玉米螟幼蟲取食選擇試驗(yàn)

選取已經(jīng)購買到的11種具有代表性的玉米穗揮發(fā)物組分(萜類化合物：α-蒎烯、反-羅勒烯、β-石竹烯;烷烴化合物：癸烷、十四烷、十六烷;酮類化合物：2-己酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮;醛類化合物：壬醛、癸醛;醇類化合物：1-辛烯-3-醇),將上述標(biāo)準(zhǔn)化合物配制成5×10-6、5×10-5、5×10-4、5×10-3g/m L的正己烷溶液,取等量正己烷作對(duì)照。取200μL待測(cè)樣品溶液均勻涂抹于長方體狀人工飼料(l×w×h=0.8 cm ×0.8 cm×3.0 cm)表面;將處理和對(duì)照飼料等距離擺放在普特斯瓶(d×h=6 cm×8 cm)中,接入100頭初孵幼蟲,4 d后統(tǒng)計(jì)飼料上幼蟲數(shù)量。重復(fù)6次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用峰面積歸一法和內(nèi)標(biāo)法對(duì)玉米雌穗揮發(fā)物各組分進(jìn)行定量分析,利用χ2檢驗(yàn)分析幼蟲取食處理與對(duì)照間的差異性,利用Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),相對(duì)取食率(%)=處理端幼蟲數(shù)/ (處理端幼蟲數(shù)+對(duì)照端幼蟲數(shù))×100。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Excel和SPSS 18.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 離體玉米雌穗揮發(fā)物的組成及含量

利用頂空吸附法從離體玉米雌穗中共計(jì)收集并鑒定出32種揮發(fā)物組分,主要包括綠葉氣味物質(zhì)、萜類化合物和脂肪族化合物(表1)。綠葉氣味物質(zhì)釋放量較少,占揮發(fā)物總釋放量的2.05%,僅有3-己醇和2-己醇。萜類化合物的釋放量最高,占總釋放量的84.40%,包括α-蒎烯、(-)-檸檬烯、反-羅勒烯、反-4.8-二甲基-1.3.7-壬三烯、(+) -環(huán)苜蓿烯等18種組分。其中,(+)-環(huán)苜蓿烯和α-衣蘭烯的釋放量較高,分別占萜類化合物釋放總量的35.93%和24.17%,反-4.8-二甲基-1.3.7-壬三烯和α-愈創(chuàng)烯的含量較低,分別占萜類化合物釋放總量的0.68%和0.67%。脂肪族化合物包括烴類、酮類、醛類、醇類和酯類共13種,約占揮發(fā)物釋放總量的13.56%。其中,2-己酮是釋放量最高的脂肪族化合物,占脂肪族化合物釋放總量的15.20%;十一烷的釋放量最低,占脂肪族化合物釋放總量的3.28%。

表1 玉米雌穗揮發(fā)物的組成及含量1)Table 1 Component quantities of corn ear volatiles

續(xù)表1 Table 1(Continued)

2.2 玉米雌穗揮發(fā)物組分對(duì)亞洲玉米螟幼蟲取食行為的影響

亞洲玉米螟幼蟲對(duì)經(jīng)正己烷處理與未經(jīng)處理的飼料的取食選擇沒有顯著差異(χ2=6.359;P= 0.384),處理端的取食率為51.11%±2.25%,未處理端的取食率為48.89%±2.25%。11種化合物在4種不同濃度下對(duì)亞洲玉米螟初孵幼蟲取食選擇的結(jié)果表明,β-石竹烯(5×10-6g/m L：χ2=39.587, P=0.000;5×10-5g/m L：χ2=32.914,P= 0.000;5×10-4g/m L：χ2=170.753,P=0.000; 5×10-3g/m L：χ2=17.610,P=0.007)和十四烷(5×10-6g/m L：χ2=18.363,P=0.005;5×10-5g/m L：χ2=20.087,P=0.003;5×10-4g/m L：χ2=44.9736,P=0.000;5×10-3g/m L：χ2= 13.089,P=0.042)對(duì)初孵幼蟲的取食行為表現(xiàn)出顯著的引誘作用,壬醛(5×10-6g/mL：χ2=17.464, P=0.008;5×10-5g/m L：χ2=19.330,P=0.004; 5×10-4g/m L：χ2=16.631,P=0.011;5×10-3g/ m L：χ2=20.632,P=0.002)對(duì)初孵幼蟲的取食行為表現(xiàn)出顯著的驅(qū)避作用。其余8種化合物在濃度為5×10-6g/m L時(shí),6-甲基-5-庚烯-2-酮(χ2= 32.821,P=0.000)、反-羅勒烯(χ2=18.301,P= 0.006)、癸烷(χ2=16.008,P=0.014)、對(duì)初孵幼蟲有顯著的引誘作用;6-甲基-5-庚烯-2-酮(χ2=32.740, P=0.000)、2-己酮(χ2=16.249,P=0.012)、α-蒎烯(χ2=29.781,P=0.000)、反-羅勒烯(χ2=85.390, P=0.000)、癸烷(χ2=18.954,P=0.004)在濃度為5×10-5g/m L時(shí)具有引誘作用;6-甲基-5-庚烯-2-酮(χ2=67.110,P=0.000)、1-辛烯-3-醇(χ2= 64.808,P=0.000)、十六烷(χ2=38.001,P= 0.000)、反-羅勒烯(χ2=39.258,P=0.000)、癸烷(χ2=40.831,P=0.000)、2-己酮(χ2=15.968, P=0.014)、α-蒎烯(χ2=16.561,P=0.011)在濃度為5×10-4g/m L時(shí)對(duì)初孵幼蟲取食有顯著的引誘效果;當(dāng)濃度為5×10-3g/mL時(shí),2-己酮(χ2=57.741, P=0.000)對(duì)幼蟲取食具有引誘作用,而6-甲基-5-庚烯-2-酮(χ2=37.989,P=0.000)和癸醛(χ2=14.549, P=0.024)對(duì)初孵幼蟲取食有顯著的驅(qū)避效果。

3 討論

植物揮發(fā)物通常包括綠葉氣味物質(zhì)、萜類化合物、芳香族化合物和脂肪族化合物[16]。其中,萜類化合物對(duì)于植物體的防御系統(tǒng)具有重要意義,一些萜類化合物不僅對(duì)植食性昆蟲具有驅(qū)避甚至是毒殺作用,還具有引誘天敵的通訊作用[1718]。本研究中,從離體玉米雌穗中收集到的萜類化合物的含量占總釋放量的80%以上,與Huang等[10]的研究結(jié)果較為相似。這可能是由于受機(jī)械損傷后激活了自身的防御機(jī)制而導(dǎo)致一些具有防御意義的次生物質(zhì)大量釋放;也可能是在長期的進(jìn)化過程中所形成的一種自我保護(hù)的特性[19]。本研究所收集到的32種揮發(fā)物組分中,未鑒定出芳香族化合物的存在。

表2 11種揮發(fā)物組分對(duì)亞洲玉米螟幼蟲取食行為的影響1)Table 2 Effects of 11 volatile compounds on feeding behavior of Asian corn borer larvae

國內(nèi)外已利用水蒸餾法、固相微萃取法、頂空吸附法等對(duì)玉米花絲[2022]、玉米籽粒[21,2324]、玉米苞葉[20]的揮發(fā)物組分進(jìn)行了研究。本研究共鑒定出32種揮發(fā)物,其中17種揮發(fā)物成分在上述研究中已有報(bào)道。此外,本研究中發(fā)現(xiàn)了11種萜類化合物,如反-羅勒烯、反-4.8-二甲基-1,3,7-壬三烯、(+)-環(huán)苜蓿烯、α-古蕓烯、β-古蕓烯、α-愈創(chuàng)烯、γ-古蕓烯、α-花柏烯、γ-杜松烯、δ-杜松烯、α-桉葉油醇和4種脂肪族化合壬烷、癸烷、3-己酮、2-甲基辛酸乙酯,這些物質(zhì)尚未見報(bào)道,這些特有組分可能是由于收集的時(shí)間、方法及玉米的品種、部位等差異所導(dǎo)致。

當(dāng)揮發(fā)物樣品濃度較高時(shí),6-甲基-5-庚烯-2-酮處理后的飼料對(duì)幼蟲表現(xiàn)出顯著的驅(qū)避活性,而在低濃度條件下表現(xiàn)引誘效果。這可能是由于供試化合物的濃度過大,遠(yuǎn)高于自然狀態(tài)下的揮發(fā)物濃度,導(dǎo)致幼蟲出現(xiàn)明顯的逃逸反應(yīng)。因此,揮發(fā)物的濃度對(duì)昆蟲的行為調(diào)控起著重要作用。

當(dāng)揮發(fā)物樣品濃度較高時(shí),6-甲基-5-庚烯-2-酮處理后的飼料對(duì)幼蟲表現(xiàn)出顯著的驅(qū)避活性,而在低濃度條件下表現(xiàn)引誘效果。Huang等[10]的研究發(fā)現(xiàn),在0.5μg濃度條件下,壬醛對(duì)亞洲玉米螟初孵幼蟲定向行為具有顯著的驅(qū)避效果,與本研究的結(jié)果一致;2-己酮和β-石竹烯對(duì)幼蟲幼蟲定向行為沒有影響,而本研究中發(fā)現(xiàn)2-己酮(5×10-4、5×10-5、5×10-6g/mL)和β-石竹烯(5×10-3、5×10-4、5×10-5、5×10-6g/mL)對(duì)亞洲玉米螟初孵幼蟲取食具有引誘作用,這可能是因?yàn)樵囼?yàn)濃度范圍存在差異所導(dǎo)致,也可能是幼蟲定向和取食行為之間不具有明顯的關(guān)聯(lián)性。

4 結(jié)論

本研究從離體玉米果穗揮發(fā)物中初步篩選出了對(duì)亞洲玉米螟初孵幼蟲的取食行為具有引誘作用的組分—β-石竹烯、十四烷、癸烷、反-羅勒烯、6-甲基-5-庚烯-2-酮,以及具有驅(qū)避作用的組分—壬醛。

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(責(zé)任編輯：田 喆)

Effects of volatiles from corn ear on the larval feeding behavior of the Asian corn borer,Ostrinia furnacalis

Xie Xingwei, Yang Zhen, Chen Xiao, Su Guolian, Chen Bin, Yan Naisheng, Dong Wenxia

(College of Plant Protection,Yunnan Agricultural University,Key Laboratory of Agro-Biodiversity and Pest Management of Education Ministry of China,Yunnan Key Laboratory of Agro-Biodiversity and Conservations,Kunming 650201,China)

In order to understand the volatile components of corn ear and their effects on larval feeding behavior of Asian corn borer,Ostrinia furnacalis,the volatile chemicals from corn ear were collected using headspace,and identified by using the gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS).The feeding behavior of the first-instar larvae were evaluated by exposing them to 11 selected volatile compounds at four dosages(5×10-6,5×10-5,5× 10-4and 5×10-3g/m L with hexane as solvent).There were 32 compounds identified,including green leaf volatiles(GLV),terpenoids,and aliphatic compounds.The content of terpenoids was the highest,reaching 84.40% of total compounds.β-Caryophyllene and tetradecane showed significant attractant effect on larval feeding behavior at all tested concentrations,but nonanal showed significant repellent effect.Decane,(E)-ocimene and 6-methyl-5-hepten-2-one showed significant attractant effect except at the concentration of 5×10-3g/m L.

Ostrinia furnacalis; corn ear; plant volatile; feeding behavior

S 435.132,Q 968.1

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.06.016

2014-09-17

2015-01-20

國家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB100404);云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金項(xiàng)目(2013ZK031)

致 謝： 感謝中國科學(xué)院昆明植物研究所余珍老師在植物揮發(fā)物鑒定上給予幫助。

*通信作者 E-mail：dongwenxia@163.com

#同等貢獻(xiàn),為并列第一作者