棉鈴蟲為害與擬輪生鐮孢侵染對玉米穗腐病發生及玉米籽粒中伏馬毒素污染水平的影響

李人杰, 魏鐵松, 郭聰聰, 龐民好, 劉穎超*, 董金皋

(1. 河北農業大學植物保護學院, 保定 071001; 2. 河北農業大學真菌毒素與植物分子病理實驗室, 保定 071001)

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棉鈴蟲為害與擬輪生鐮孢侵染對玉米穗腐病發生及玉米籽粒中伏馬毒素污染水平的影響

李人杰1,2, 魏鐵松1,2, 郭聰聰1,2, 龐民好1, 劉穎超1,2*, 董金皋2

(1. 河北農業大學植物保護學院, 保定 071001; 2. 河北農業大學真菌毒素與植物分子病理實驗室, 保定 071001)

本研究以‘浚單 20’為供試玉米品種,以棉鈴蟲為供試昆蟲,以擬輪生鐮孢為供試病原菌,分別進行單獨及復合處理,以明確棉鈴蟲和擬輪生鐮孢單獨處理和復合處理對玉米穗腐病發病程度及籽粒中伏馬毒素污染水平的影響。結果表明,2011年和2012年均以棉鈴蟲與擬輪生鐮孢侵染復合處理對穗腐病發病程度及籽粒中伏馬毒素污染水平的影響最大,穗腐病平均病級分別為0.68±0.05和1.08±0.19;單獨接種棉鈴蟲,2011年和2012年的穗腐病平均病級分別為0.31±0.05和0.71±0.06;單獨接種擬輪生鐮孢,穗腐病平均病級分別為0.24±0.03和1.05±0.29。復合處理的籽粒中伏馬毒素污染水平,2011年和2012年分別為(0.85±0.56)mg/kg和(2.36±0.98)mg/kg;單獨接種棉鈴蟲處理分別為(0.17±0.12)mg/kg和(0.01±0.002)mg/kg;單獨接種擬輪生鐮孢處理分別為(0.10±0.03)mg/kg和(1.14±0.62)mg/kg。相同處理條件下,降水量大和相對濕度高的氣候條件更有利于穗腐病的發生及籽粒中伏馬毒素的積累。

棉鈴蟲; 擬輪生鐮孢; 玉米穗腐病; 伏馬毒素

玉米是世界三大作物之一,同時也是我國第一大糧食與飼料作物。因其具有生產成本低、產量高以及綜合利用價值高等特點,在食品、醫藥和工業等方面應用廣泛。目前,玉米產業已經成為我國的朝陽產業和黃金產業[1]。在我國,整個玉米生育期中有多達30余種病害發生,對玉米產業的發展造成了極大的影響。其中,玉米穗腐病(maize ear rot),或稱玉米穗粒腐病(maize ear and kernel rot),不僅是一種世界性的玉米病害,同時也是我國玉米生產上的重要病害。據報道,能夠引起玉米穗腐病的病原菌有30余種[2],主要包括鐮孢菌(Fusariumspp.)、青霉菌(Penicilliumspp.)、木霉菌(Trichodermaspp.)和曲霉菌(Aspergillusspp.)等[3-5]。擬輪生鐮孢(Fusariumverticillioides)是引起玉米穗腐病的優勢病原菌[6-9],它不僅直接造成玉米產量的損失,而且產生的伏馬毒素(fumonisins,FBs)影響玉米的品質[10]。在已鑒定的伏馬毒素中,伏馬毒素B1(fumonisin B1,FB1)發生最普遍且毒性最強,其次是伏馬毒素B2(fumonisin B2,FB2)[11]。伏馬毒素作為玉米中分布最廣泛的一種真菌毒素,不僅能夠導致馬腦白質軟化癥、豬的肺水腫、胸積水以及大鼠的肝癌和腎癌[12-14],同時懷疑與人類食道癌的發生存在密切關系。

玉米穗腐病的發生及伏馬毒素的產生均是極其復雜的過程,會受到多種因素的影響。研究表明,鐮孢菌(Fusariumspp.)主要通過花絲通道以及由蟲害引起的傷口侵染玉米果穗,其中害蟲為害是病原菌侵染的主要途徑,同時也是加速玉米穗腐病發生及促進伏馬毒素產生的脅迫因素之一[15-18]。國內外研究發現,多種昆蟲可作為擬輪生鐮孢的傳播媒介,如歐洲玉米螟[Ostrinianubilalis(Hübner)]、亞洲玉米螟[O.furnacalis(Guenée)]、棉鈴蟲[Helicoverpaarmigera(Hübner)]、玉米楷夜蛾[Busseolafusca(Fuller)]和西花薊馬[Frankliniellaoccidentalis(Pergande)]等[18-21]。在我國,引起玉米穗腐病的主要害蟲是亞洲玉米螟[18]。但隨著玉米上棉鈴蟲的為害越發嚴重,對玉米穗腐病的發生也起到一定的促進作用。魏鐵松等[19]報道,棉鈴蟲對玉米果穗的為害能顯著加重玉米穗腐病的發病程度。Cao等[22]研究發現,蛀穗害蟲對玉米果穗的破壞能夠促進玉米籽粒中伏馬毒素的積累。目前國內相關的研究主要集中在亞洲玉米螟為害對玉米穗腐病發生的影響上,而有關棉鈴蟲與擬輪生鐮孢復合侵染對穗腐病發生及籽粒中伏馬毒素污染水平影響的研究相對較少。本研究的目的在于明確棉鈴蟲與擬輪生鐮孢復合處理對穗腐病發生及籽粒中伏馬毒素污染水平的影響,進而為玉米病蟲害的防治提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試蟲源:棉鈴蟲為室內人工飼養,選擇第2代3齡幼蟲(體重8～12 mg)作為供試蟲源。由河北農業大學植物保護學院何運轉教授惠贈。

供試菌種:擬輪生鐮孢(F.verticillioides)分離自田間具有典型玉米穗腐病癥狀的果穗,并經過純化鑒定。由本實驗室保存。

供試玉米品種:‘浚單20’,未進行種子包衣處理。

1.2 試驗方法

1.2.1 田間設計

采用裂區設計。共4個處理,分別為單獨接棉鈴蟲、單獨接種擬輪生鐮孢、棉鈴蟲與擬輪生鐮孢復合接種以及空白對照,每處理3次重復。田間小區2.4 m×4.5 m,每小區種植4行,每行15株,行距60 cm,株距30 cm。各處理間及試驗田四周設置3行隔離行。試驗地點為河北省保定市農業科學研究所實驗農場,分別于2011年和2012年連續進行2年試驗,2011年播種日期為6月21日,2012年播種日期為6月17日,整個生長季節不施用任何農藥,人工去除雜草,肥水管理同一般大田生產。

1.2.2 接種方法

在玉米果穗吐絲期進行接蟲處理,選取長勢一致的植株果穗,將供試昆蟲分別接于果穗頂端花絲上,每個果穗接1頭棉鈴蟲3齡幼蟲。擬輪生鐮孢采用花絲注射法接種,使用連動注射器從果穗花絲通道(花絲吐出下方至穗軸頂部裹有苞葉的部位)一側插入,每穗注射2 mL孢子懸浮液,孢子濃度為1.0×107個/mL,空白對照注射2 mL清水,接種時注意不能傷害到玉米組織。

1.2.3 穗腐病發病程度調查

在玉米完熟期,分別從每個小區中隨機選取40個玉米果穗,逐個剝開苞葉,調查穗腐病發病程度,記錄分級情況,計算平均病級。穗腐病發病程度的分級標準參見文獻[6,8]。

1.2.4 伏馬毒素檢測

樣品采集與前處理:從各處理小區中隨機選取20個果穗,手工脫粒并將脫下的籽粒混合均勻,隨機取200 g籽粒加入粉碎機研磨,并使粉碎的玉米樣品通過0.45 mm網篩,備用。

樣品提取:準確稱取10 g粉碎的籽粒樣品于具塞三角瓶中,加入10 mL去離子水溶脹12 h,然后向三角瓶中加入30 mL乙腈,120 r/min振蕩30 min,然后用定量濾紙過濾上清液至離心管中,同時用1 mol/L NaOH調pH使其在5.8～6.5之間,備用。

樣品凈化:將強陰離子交換柱(SAX)與固相萃取裝置連接好,然后依次用5 mL甲醇,5 mL乙腈-水(3∶1)活化,當溶劑液面到達柱吸附層表面時,準確吸取8 mL樣品提取液加入柱中,再依次用5 mL乙腈-水(3∶1),5 mL甲醇淋洗小柱,棄去淋洗液。最后用10 mL 1%冰乙酸-甲醇溶液以小于1 mL/min的流速洗脫FB1和FB2,收集洗脫液于10 mL刻度試管中,將收集的洗脫液70 ℃水浴氮氣吹干,殘留物用乙腈-水(50∶50)溶解,定容至2 mL,過0.22 μm微孔尼龍濾膜,待測。

高效液相色譜分析:伏馬毒素含量通過高效液相色譜儀(HPLC),熒光檢測器(FLD)及鄰苯二甲醛(OPA)柱后衍生進行分析檢測,具體參見文獻[23]。FB1和FB2的檢測限均為11 μg/kg。FB1和FB2在80、400和2 000 ng/g 3個添加濃度水平上的平均回收率分別為80.7%～89.5%和78.6%～85.9%。

1.2.5 統計分析

試驗數據采用統計軟件SPSS Statistics 17.0進行ANOVA單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 玉米生長季的田間氣候

2011年和2012年玉米生長季(6-9月)的平均溫度基本相同,但2012年玉米生長季的平均相對濕度及平均降雨量均高于2011年(表1)。

表1 2011年和2012年玉米生長季的田間氣候條件

2.2 不同處理對玉米穗腐病發病程度的影響

田間試驗結果表明(表2),2011年和2012年的供試玉米品種經不同接種處理后,各處理的穗腐病平均病級均顯著高于對照,其中均以棉鈴蟲與擬輪生鐮孢復合侵染處理的平均病級最高,分別為0.68±0.05和1.08±0.19。2011年不同接種處理間的穗腐病平均病級差異均顯著;2012年復合侵染處理與單獨接菌處理間的穗腐病平均病級差異不顯著,但顯著高于接蟲處理。綜合2011年和2012年的田間試驗結果發現,除對照外,2012年各處理的穗腐病發病程度均重于2011年的相應處理。

表2 不同接種處理與玉米穗腐病發病程度的關系1)

1) 表中數據為平均值±標準誤,差異顯著性水平為0.05,下同。

Data in the table are mean±SE; significance level of difference is 0.05.The same below.

2.3 不同接種處理對玉米籽粒中伏馬毒素污染水平的影響

伏馬毒素檢測結果表明(表3),2011年和2012年對照處理的玉米籽粒中均未檢出伏馬毒素,棉鈴蟲與擬輪生鐮孢復合侵染處理的玉米籽粒中伏馬毒素污染水平分別為(0.85±0.56)mg/kg和(2.36±0.98)mg/kg,顯著高于單獨接棉鈴蟲及單獨接種擬輪生鐮孢處理。2011年單獨接蟲處理與單獨接菌處理間的玉米籽粒中伏馬毒素污染水平差異不顯著;2012年單獨接種擬輪生鐮孢處理玉米籽粒中伏馬毒素污染水平顯著高于單獨接棉鈴蟲處理。綜合2011年和2012年的伏馬毒素檢測結果發現,相同處理條件下,除單獨接蟲處理外,2012年的復合侵染處理和單獨接菌處理的玉米籽粒中伏馬毒素污染水平均高于2011年。

表3 不同接種處理與玉米籽粒中伏馬毒素污染水平的關系

3 結論與討論

連續2年的試驗結果表明,棉鈴蟲的為害不僅加重了玉米穗腐病的發病程度,同時也提高了玉米籽粒中伏馬毒素的污染水平,與Parsons等[24]的研究結果一致。2011年和2012年均以蟲、菌復合侵染對穗腐病發病程度及籽粒中伏馬毒素污染水平的影響最大。宋立秋等[25-26]發現,蛀穗害蟲的介入明顯加重了玉米穗腐病的發病程度,同時蟲、菌復合侵染對穗腐病發病程度的影響遠大于其對玉米果穗的單獨侵染。Santiago等[27]的研究證實,害蟲對玉米果穗的破壞不僅能促進鐮孢菌對玉米果穗的侵染,同時也能提高玉米籽粒中伏馬毒素的污染水平。Alma和Papst 等[16-17]的研究發現,玉米中伏馬毒素的發生率與蛀穗害蟲對果穗的破壞之間存在緊密的聯系,被破壞的果穗中伏馬毒素的污染水平是未被破壞果穗的40倍。本研究中,蟲、菌復合侵染的穗腐病發病程度以及籽粒中伏馬毒素污染水平均高于單獨侵染和對照。這也進一步表明,控制穗期蛀穗害蟲的為害是減輕玉米穗腐病發生及降低籽粒中伏馬毒素污染水平的重要措施。

相同處理條件下,除對照外,2012年各處理玉米穗腐病的發病程度均重于2011年;除單獨接蟲處理外,2012年的復合侵染處理和單獨接菌處理的玉米籽粒中伏馬毒素污染水平均高于2011年的相應處理。這可能與兩個年份的田間氣候條件有關(表1)。2011年和2012年玉米生長季的平均溫度基本相同,但是2012年的平均相對濕度以及平均降雨量均高于2011年。董廣同等[28]發現,玉米穗腐病的發病程度與玉米生長季期間的降雨量呈正相關,降雨量大,發病重;降雨量小,發病輕。Gong等[29]的研究發現,玉米籽粒中伏馬毒素污染水平與玉米生長季的氣候條件如降雨量、相對濕度以及溫度存在緊密的聯系。Hennigen和Gamanya等[30-31]的研究證實,較高的相對濕度以及降雨量均可導致玉米籽粒中伏馬毒素污染水平的升高。2012年對照處理的穗腐病發病程度輕于2011年的對照處理,這可能與蛀穗害蟲對玉米果穗的自然侵染有關。同時,2012年單獨接蟲處理的穗腐病平均病級高于2011年單獨接蟲處理,然而2012年單獨接蟲處理的玉米籽粒中伏馬毒素污染水平卻低于2011年單獨接蟲處理,原因可能是2012年接蟲處理造成玉米籽粒出現傷口,進而導致其他一些病原菌的侵染從而使穗腐病發病程度加重,但通過傷口侵染的病原菌不會產生伏馬毒素,因而玉米籽粒中伏馬毒素的污染水平也不會增加,具體原因還有待進一步研究。

本研究以‘浚單20’作為供試品種,研究了棉鈴蟲與擬輪生鐮孢復合侵染及蟲、菌單獨接種對玉米穗腐病及玉米籽粒中伏馬毒素污染水平的影響。結果表明,蟲、菌復合侵染能夠加重玉米穗腐病的發生及伏馬毒素的污染水平,在其他品種是否有同樣的結果,有待于進一步研究。根據本研究結果,在不同的田間氣候條件下,要減輕玉米穗腐病的發病程度以及降低玉米籽粒中伏馬毒素的污染水平,應著重控制穗期棉鈴蟲以及其他蛀穗害蟲對玉米果穗的為害,同時加強田間管理，增強作物的抗病能力,以及控制種植密度以改善田間小氣候條件進而降低田間的相對濕度,以達到減輕玉米穗腐病發病程度及降低玉米籽粒中伏馬毒素污染水平的目的。

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(責任編輯：田 喆)

Effects of infestation byHelicoverpaarmigeratogether withFusariumverticillioideson the severity of maize ear rot and the contamination level of fumonisin in kernels

Li Renjie1,2, Wei Tiesong1,2, Guo Congcong1,2, Pang Minhao1, Liu Yingchao1,2, Dong Jingao2

(1. College of Plant Protection,Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China; 2. Mycotoxin and Molecular Plant Pathology Laboratory,Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China)

The effects of co-infestation byHelicoverpaarmigeraandFusariumverticillioideson the severity of maize ear rot and the contamination level of fumonisins in kernels were investigated. The maize variety ‘Xundan 20’ was used, and the maize ears were inoculated withH.armigera,F.verticillioides, andH.armigeratogether withF.verticillioides, respectively. The results of 2011 and 2012 showed that the co-inoculation ofH.armigeraandF.verticillioidessignificantly increased the severity of maize ear rot and the content of fumonisins in kernels. Average disease levels of maize ear rot in the treatment with bothH.armigeraandF.verticillioideswere 0.68±0.05 and 1.08±0.19 for 2011 and 2012, respectively, while the average disease levels of maize ear rot were 0.31±0.05 and 0.71±0.06 for the treatment withH.armigeraonly, and 0.24±0.03 and 1.05±0.29 for the treatment withF.verticillioidesonly. Meanwhile, the content of fumonisins in kernels treated with bothH.armigeraandF.verticillioideswere (0.85±0.56)mg/kg and (2.36±0.98)mg/kg for 2011 and 2012, respectively. For the treatment withH.armigeraonly, it was (0.17±0.12)mg/kg and (0.01±0.002)mg/kg, respectively, and (0.10±0.03)mg/kg and (1.14±0.62)mg/kg after treated withF.verticillioidesonly, respectively. Under the same treatment conditions, the climatic conditions of high rainfall and high relative humidity were in favor of the severity of maize ear rot and the accumulation of fumonisins in kernels.

Helicoverpaarmigera;Fusariumverticillioides; maize ear rot; fumonisin

2014-05-13

2014-06-16

現代農業產業技術體系專項資金(CARS-02)；河北省科技支撐計劃項目(13226506D)

S 435.13

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.04.012

* 通信作者 E-mail:liuyingchao@hebau.edu.cn