取食非靶標(biāo)植物對(duì)蓮草直胸跳甲消化酶活力的影響

王彪龍，柴艷萍，2，韓 慧，劉 浦，高玲玲，3，郭艷瓊

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，山西太谷030801；2.夏縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，山西夏縣044400；3.澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織農(nóng)業(yè)與食品部，文布利西澳6913）

喜旱蓮子草（Alternanthera philoxeroides）原產(chǎn)于南美洲，莧科（Amaranthaceae）蓮子草屬（Alternanthera Forsk），俗稱水花生，又名空心蓮子草，水陸兩生，當(dāng)前已成為一種世界范圍內(nèi)的入侵雜草。喜旱蓮子草起初作為飼料引入我國(guó)，后逸生到野外，肆意擴(kuò)散，造成嚴(yán)重危害，在我國(guó)南方廣泛分布[1]。每年用于防治所耗費(fèi)的人力物力不可計(jì)數(shù)，是我國(guó)入侵種之一[2]。

蓮草直胸跳甲（Agasicles hygrophila）起源于南美洲，又名空心蓮子草葉甲、曲紋葉甲，屬鞘翅目（Coleoptera）葉甲科跳甲亞科，是喜旱蓮子草的專一性寄主，是國(guó)際上防治喜旱蓮子草最有效的天敵昆蟲。蓮草直胸跳甲作為一種生物防治因子，于1987年引入我國(guó)。隨后進(jìn)行了一系列的專一性測(cè)定，結(jié)果表明，其只能在喜旱蓮子草上健康生存并產(chǎn)生后代[3]，且對(duì)我國(guó)生態(tài)安全和生物多樣性不會(huì)產(chǎn)生影響[4]，用于防治喜旱蓮子草安全有效[5-6]。

在昆蟲與植物的進(jìn)化過程中，昆蟲為了生存與發(fā)展，會(huì)根據(jù)營(yíng)養(yǎng)、繁殖等需要，對(duì)寄主植物產(chǎn)生針對(duì)性的適應(yīng)[7]。蓮草直胸跳甲作為外來物種，引入我國(guó)已30多年，為了明確其專一性是否發(fā)生改變，傅東靜[8]等進(jìn)行了生態(tài)因子對(duì)其寄主適應(yīng)性的影響，結(jié)果表明，昆蟲會(huì)根據(jù)營(yíng)養(yǎng)、繁殖等需要，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)趨勢(shì)。趙龍龍等[9-11]對(duì)蓮草直胸跳甲取食不同植物的偏好性研究發(fā)現(xiàn)，除專一性寄主喜旱蓮子草外，蓮草直胸跳甲也會(huì)少量取食蓮子草（Alternanthera sessilis）、莙 荙（Beta vulgarisvar.cicla）和甜菜（Beta vulgaris）等，但無法完成生活史。

昆蟲的生長(zhǎng)和發(fā)育與消化酶活力相關(guān)[12]。消化酶可以將植物中的不同成分轉(zhuǎn)化為昆蟲體內(nèi)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它反映動(dòng)物的消化生理以及營(yíng)養(yǎng)利用效率[13]，也促進(jìn)昆蟲的生長(zhǎng)[14-15]。有研究表明，取食不同植物后光肩星天牛（Anoplophora glabripennis）的淀粉酶、蛋白酶等活力有一定變化[16]。王倩倩等[17]研究表明，不同寄主植物會(huì)使昆蟲的消化酶呈現(xiàn)差異。

為了探究蓮草直胸跳甲無法在非靶標(biāo)植物上正常完成生活史和消化酶的關(guān)系，本試驗(yàn)選擇3種非靶標(biāo)植物蓮子草、莙荙和甜菜及靶標(biāo)植物喜旱蓮子草，測(cè)定其含水量與營(yíng)養(yǎng)成分以及蓮草直胸跳甲取食這些植物后體內(nèi)消化酶活力的變化，摸索蓮草直胸跳甲對(duì)非靶標(biāo)植物的適應(yīng)性，評(píng)估對(duì)非靶標(biāo)植物的安全性。

1 材料和方法

1.1 供試植物

喜旱蓮子草與蓮子草常年于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院Mary-office課題組試驗(yàn)基地溫室栽培。莙荙與甜菜的種子來自源源種業(yè)，培育在溫室內(nèi)80 cm×50 cm×30 cm泡沫箱中，間距合適均勻，定期施肥澆水。

1.2 供試蟲源

蓮草直胸跳甲于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)人工飼養(yǎng)箱中長(zhǎng)期飼養(yǎng)，溫度25～28℃、濕度85%、光周期14L∶10D。

選取排列整齊、發(fā)育良好的蓮草直胸跳甲的卵片，放置于培養(yǎng)皿中進(jìn)行孵育。孵化出的幼蟲使用喜旱蓮子草飼喂，待三齡后期，將其置于放有喜旱蓮子草莖稈的飼養(yǎng)罐中化蛹，約一周后羽化。選取同批新羽化的健康成蟲用于試驗(yàn)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 4種植物葉片含水量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及次生代謝產(chǎn)物的測(cè)定 待種植的喜旱蓮子草、蓮子草葉片生長(zhǎng)至長(zhǎng)約4 cm，寬約2 cm，甜菜、莙荙生長(zhǎng)大約50d后，采集葉片進(jìn)行測(cè)定。使用烘箱法測(cè)定葉片含水量。在與飼喂試驗(yàn)同期的葉片中隨機(jī)選取若干片，清洗并干燥后先稱質(zhì)量，然后將其置于烘箱中110℃10 min進(jìn)行殺青處理，殺青后于80℃烘干48 h，再次稱質(zhì)量，計(jì)算含水量。

采用南京建成生物工程研究所試劑盒測(cè)定可溶性糖、可溶性蛋白含量。

采用蘇州科銘生物科技有限公司試劑盒測(cè)定單寧的含量。

1.3.2 消化酶活力測(cè)定 將挑選出的成蟲分別置于放有不同植物（蓮子草、莙荙、甜菜和喜旱蓮子草）新鮮葉片和空的玻璃瓶中，每個(gè)玻璃瓶中放置10頭成蟲，即處理組為取食新鮮蓮子草、莙荙、甜菜葉片和饑餓的蓮草直胸跳甲，對(duì)照組為取食喜旱蓮子草葉片的蓮草直胸跳甲。分別處理12、24、48、96 h后收集成蟲，每24 h更換一次新鮮的葉片，并設(shè)置4次重復(fù)。將收集的成蟲保存于-80℃超低溫冰箱中。

1.3.2.1 蛋白酶活力測(cè)定 采用福林-酚法[18]對(duì)饑餓和取食不同植物后蓮草直胸跳甲的蛋白酶活力進(jìn)行測(cè)定，方法略有改動(dòng)。

1.3.2.2 纖維素酶活力測(cè)定 使用3，5-二硝基水楊酸法[19-20]測(cè)定蓮草直胸跳甲的纖維素酶活力，其中內(nèi)容略有改動(dòng)。

1.3.2.3 淀粉酶活力測(cè)定 根據(jù)南京建成生物工程研究所試劑盒說明書，使用淀粉-碘比色法測(cè)定蓮草直胸跳甲的淀粉酶活力。

2 結(jié)果與分析

2.1 取食非靶標(biāo)植物對(duì)消化酶活力的影響

2.1.1 蛋白酶 從圖1可以看出，蓮草直胸跳甲喂食12 h后，饑餓組蛋白酶活力最高，為52.73 U/mg，取食蓮子草、甜菜以及莙荙組均低于對(duì)照組，且存在顯著差異（F＝98.784，P＜0.05）。在喂食24 h后，取食蓮子草和甜菜組的蛋白酶活力逐漸超過對(duì)照組；饑餓組活力仍是最高，并呈上升趨勢(shì)，為64.95 U/mg，其次是取食蓮子草組，為45.89 U/mg（F＝140.609，P＜0.05）。喂食48 h后，取食蓮子草組的蛋白酶活力仍然最高，為96.16 U/mg（F＝185.019，P＜0.05）。喂食96 h后，饑餓組的成蟲死亡，取食3種植物的蛋白酶活力均超過對(duì)照組，其中，取食莙荙組的蛋白酶活力最高，為125.29 U/mg，且與取食其他植物組存在顯著差異（F＝308.73，P＜0.05）。

2.1.2 纖維素酶 昆蟲纖維素酶分為葡聚糖外切酶、葡聚糖內(nèi)切酶、β-葡萄糖苷酶等3種。由圖2可知，饑餓組24 h后葡聚糖外切酶活力下降，饑餓組48 h后葡聚糖外切酶活力急劇上升，直至死亡；取食喜旱蓮子草時(shí)，葡聚糖外切酶活力先降低后升高，取食蓮子草、甜菜和莙荙時(shí)酶活力緩慢升高。

由圖3、4可知，饑餓處理、取食喜旱蓮子草和非靶標(biāo)植物后，葡聚糖內(nèi)切酶和β-葡萄糖苷酶活力變化同葡聚糖外切酶一致。

2.1.3 淀粉酶 蓮草直胸跳甲饑餓及取食不同植物后淀粉酶活力差異顯著（圖5）。

饑餓處理后蓮草直胸跳甲淀粉酶活力逐漸升高，于96 h死亡。取食后12 h，饑餓處理組的淀粉酶活力最高，為18.36 U/mg，莙荙處理組淀粉酶活力最低，為7.44 U/mg；取食24 h后，饑餓處理組淀粉酶活力仍是最高，為23.53 U/mg，蓮子草處理組最低，為16.32 U/mg；取食后48 h，除了甜菜處理組的淀粉酶活力有所提升，其他處理組的蓮草直胸跳甲淀粉酶活力均有不同程度的下降。其中，饑餓處理組的淀粉酶活力仍是最高，為23.48 U/mg，然后依次是甜菜、蓮子草、喜旱蓮子草、莙荙；取食96 h后，取食蓮子草和甜菜組淀粉酶活力相近，分別為16.96、16.91 U/mg。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，莙荙的淀粉酶活力始終低于對(duì)照組。

2.2 4種植物葉片營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、單寧含量及含水量

從表1可以看出，4種植物的可溶性糖含量差異極顯著，甜菜最高，莙荙最低（F＝4284.102，P＜0.01）；莙荙的可溶性蛋白含量最高（F＝45.759，P＜0.01），蓮子草和莙荙的可溶性蛋白差異不顯著；莙荙單寧含量最高，蓮子草與喜旱蓮子草單寧含量間無顯著差異（F＝49.387，P＜0.01），甜菜單寧含量最低；4種植物含水量處于84.59%～93.98%，且存在顯著性差異。

表1 4種植物葉片營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、單寧及含水量比較

3 結(jié)論與討論

植物體內(nèi)蛋白含量會(huì)對(duì)植食性昆蟲產(chǎn)生影響[21]。昆蟲可以將植物體內(nèi)的二糖或多糖水解為單糖，用于幼蟲的生長(zhǎng)發(fā)育[22]。本試驗(yàn)測(cè)定的4種植物中蓮子草、莙荙較其他2種植物的可溶性蛋白含量更高。徐偉等[23]研究得出，植物葉片中可溶性糖含量的高低會(huì)對(duì)幼蟲的取食量產(chǎn)生影響，隨可溶性糖含量的增加取食量增加。

單寧是植物體內(nèi)的一種酚類物質(zhì)，它與蛋白質(zhì)特異性結(jié)合后會(huì)抑制昆蟲水解酶的活性，也可以與淀粉絡(luò)合，影響昆蟲的分解與淀粉消化[24]。作為植物中的次級(jí)代謝產(chǎn)物，它可以通過產(chǎn)生毒性，降低昆蟲的消化，從而對(duì)食草動(dòng)物的發(fā)育和繁殖產(chǎn)生負(fù)面影響[25]。本試驗(yàn)中，莙荙單寧含量最高，蓮草直胸跳甲取食后淀粉酶活力降至最低，可能是由淀粉與單寧發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)引起。水分含量會(huì)影響昆蟲的生長(zhǎng)、繁殖[26]。充足的水分是昆蟲生存的基礎(chǔ)。本研究表明，4種植物的含水量與昆蟲的取食偏好沒有明顯的相關(guān)性。

消化酶活力與昆蟲的生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)。昆蟲通過體內(nèi)的消化酶發(fā)揮作用，將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為所需的能量。昆蟲體內(nèi)重要的消化酶包括蛋白酶、淀粉酶和纖維素酶等，它們通過分解蛋白質(zhì)和淀粉等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，來維持昆蟲正常的生長(zhǎng)發(fā)育。某些蛋白還參與昆蟲與寄主的相互作用[27]。在本試驗(yàn)中，饑餓處理后蛋白酶、淀粉酶活力達(dá)到最高，可能是因?yàn)轲囸I促進(jìn)了其體內(nèi)能源物質(zhì)的消耗。昆蟲在饑餓狀態(tài)下能發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)，分解體內(nèi)蛋白質(zhì)、糖類等能源物質(zhì)，并在較短的時(shí)間內(nèi)，通過物質(zhì)的綜合利用適應(yīng)饑餓脅迫。在面對(duì)同樣的饑餓條件時(shí)，許向利等[28]關(guān)于饑餓對(duì)麥長(zhǎng)管蚜有翅成蚜能量物質(zhì)的影響也得出相似結(jié)論。取食次喜好植物蓮子草時(shí)，蛋白酶活力較高。推測(cè)其在取食蓮子草時(shí)進(jìn)行了蛋白質(zhì)的分解。可能是因?yàn)樯徸硬菖c喜旱蓮子草的親緣關(guān)系最近，且可溶性蛋白含量高，能夠促進(jìn)蓮草直胸跳甲的消化分解。饑餓也會(huì)刺激昆蟲進(jìn)行能量代謝，維持其生命活動(dòng)的基本需求。即昆蟲在饑餓狀態(tài)下，可以分解本身的纖維素、淀粉等，從而提供所需能量，導(dǎo)致體內(nèi)糖原減少，此結(jié)論與麥長(zhǎng)管蚜中的研究相一致。而取食甜菜時(shí)的淀粉酶活力較高，這可能是因?yàn)樘鸩怂目扇苄蕴呛孔罡撸偈估ハx進(jìn)行糖類分解。

纖維素酶系包括葡聚糖外切酶、葡聚糖內(nèi)切酶以及β-葡萄糖苷酶，3種酶協(xié)同作用將纖維素降解為葡萄糖[29-30]。已有不少研究測(cè)定了昆蟲纖維素酶活性[31-32]。本研究結(jié)果表明，取食莙荙、甜菜時(shí)，纖維素酶活力明顯高于喜旱蓮子草，因此，蓮草直胸跳甲在取食非寄主植物莙荙和甜菜時(shí)可能通過分解纖維素以提供昆蟲所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。而取食較為喜好的植物蓮子草時(shí)，纖維素酶活力并不是很高，可能是由于蓮子草中其他物質(zhì)提供了所需營(yíng)養(yǎng)而無需消耗其纖維素。

本試驗(yàn)表明，蓮草直胸跳甲在取食寄主植物喜旱蓮子草時(shí)，隨著時(shí)間的變化，其消化酶活力保持穩(wěn)定狀態(tài)，而取食非寄主植物時(shí)，蓮草直胸跳甲的消化酶活力呈現(xiàn)一個(gè)明顯的起伏變化。這表明蓮草直胸跳甲可能在被迫取食非寄主植物時(shí)，體內(nèi)消化酶活力呈現(xiàn)主動(dòng)適應(yīng)的現(xiàn)象[17]，且取食后的蓮草直胸跳甲并沒有健康地完成生長(zhǎng)發(fā)育[9-11]。猜測(cè)蓮草直胸跳甲在面對(duì)非寄主植物時(shí)，并沒有立即取食，而是一段時(shí)間之后才被迫取食[9-11]。這也說明了蓮草直胸跳甲在引入我國(guó)的這30 a時(shí)間里，其專一性保持良好，到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)其影響國(guó)內(nèi)的其他植物。

綜上所述，蓮草直胸跳甲可取食寄主植物喜旱蓮子草一段時(shí)間后消化酶活性趨于穩(wěn)定，而取食部分非靶標(biāo)植物后消化酶活性變化明顯，表明蓮草直胸跳甲對(duì)非靶標(biāo)植物仍不適應(yīng)。盡管取食這些植物后體內(nèi)的消化酶活力并沒有高于饑餓狀態(tài)，但其壽命相對(duì)于饑餓處理均有所延長(zhǎng)。因此，蓮草直胸跳甲在被迫取食非專一寄主植物后壽命延長(zhǎng)，繁衍后代機(jī)會(huì)增加，對(duì)其適應(yīng)環(huán)境有著積極的作用。但相對(duì)于寄主植物喜旱蓮子草，蓮草直胸跳甲在取食非寄主植物時(shí)，蓮草直胸跳甲消化酶活力呈現(xiàn)出了明顯的波動(dòng)趨勢(shì)，這也表明其對(duì)非寄主植物的不適應(yīng)，但要明確其機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。