小菜蛾成蟲對幾種甜味和苦味物質的味覺反應

武菊平，謝佼昕，郝 赤，閆喜中

（山西農業大學 植物保護學院，山西 太谷 030801）

小菜蛾Plutella xylostellaL.又名小青蟲、兩頭尖，屬于鱗翅目（Lepidoptera）菜蛾科（Plutellidae）昆蟲，是一種為害十字花科植物的主要農業害蟲之一，危害嚴重發生時可減產90%，甚至絕收，使十字花科蔬菜產量造成毀滅性損失，每年給世界經濟造成的損失數以億計[1-2]。小菜蛾在世界各地均有分布[3]，從20世紀70年代起小菜蛾已經成為我國主要害蟲之一[3-4]，目前化學防治仍是控制害蟲種群的主要防治方法，但小菜蛾對多種化學藥劑均具有較強的抗藥性[5-8]，防治難度進一步增大。因此，尋求安全綠色友好的防治技術與途徑是解決小菜蛾抗藥性這一世界性難題的關鍵。

自然界中的昆蟲的味覺感受系統極為靈敏，味覺感器分布在身體多個部位，這對其取食選擇、產卵交配、寄主識別和識別有害物質具有重要作用，通常昆蟲能夠識別到糖、氨基酸、植物次生物質及有毒化學物質等。在取食過程中，昆蟲觸角或足上的味覺感器接收到刺激物，其內部的味覺感受神經元通過一系列電生理活動，將刺激信息傳送到中樞神經系統，經過信息整合并輸出指令，進而做出取食或者忌避等行為[9-13]。糖感受神經元存在于多數昆蟲中，這類神經元可以刺激昆蟲取食，如棉鈴蟲側栓錐感器內存在一個敏感的蔗糖感受神經元[14]，美洲棉鈴蟲H.zea味覺感器內存在一個敏感的葡萄糖感受神經元[15]。因此，昆蟲取食蔗糖、葡萄糖和果糖等糖類物質為其生存和繁殖提供能量[16]。通常糖類作為能源物質，為昆蟲生長發育提供物質基礎[17]；苦味物質則呈相反作用，昆蟲識別后做出忌避行為，使其有效避免有害物質或有毒物質影響。

小菜蛾成蟲依靠味覺系統來尋找適合寄主和取食的植物，以此來獲取其中的糖類物質補充營養，同時回避對其生長發育不利的物質。但小菜蛾對植物中常見的幾種重要甜味和苦味物質的味覺反應未見報道。本研究利用喙管伸長反應測定了小菜蛾成蟲觸角末端對5種不同濃度的甜味物質和3種苦味物質的味覺反應，探討其取食選擇行為的味覺基礎，為研究小菜蛾成蟲取食機制提供行為上的依據，也為尋找新型防治害蟲的方法提供新思路。

1 材料和方法

1.1 供試蟲源

小菜蛾成蟲為山西農業大學昆蟲神經行為與感官生物學實驗室繼代飼養種群，使用人工氣候箱進行飼養，飼養條件：溫度（25±1）℃，相對濕度70%±5%，光周期14 L∶10 D。將雌、雄蛹單獨分裝于玻璃指形管中，以羽化后2～3 d的小菜蛾成蟲作為研究對象。

1.2 供試化合物

蔗糖（Sucrose）、葡萄糖（D-glucose）、海藻糖（Trehalose）、麥芽糖（Maltose），果糖（Fructose）、奎寧（Quinine）、苯甲地那銨（Denatonium benzoate）、黃連素（Berberine）購自Sigma-Aldrich 公司。用雙蒸水將5 種甜味物質配制成1、10、100、500 mmol/L 濃度梯度溶液，在前期研究確定苦味物質濃度基礎上，將3 種苦味物質分別配制成奎寧50 mmol/L、苯甲地那銨1 mmol/L 和黃連素溶液10 mmol/L，并分別與500 mmol/L 蔗糖混合。配制的待測溶液用于喙管伸長反應。

1.3 試驗設計

選取剛羽化2～3 d后的雌、雄小菜蛾成蟲單頭置于指形玻璃管中，每20 頭作為一組，共3 組用于試驗。在飽和水分的脫脂棉供給條件下將成蟲饑餓12 h，取100μL的移液槍頭將其頂端用單面刀片切除，將每頭小菜蛾固定于槍頭中，僅使其頭部伸至槍頭外，保證觸角和喙管不受損傷且可以自由活動。將固定好的小菜蛾放置12 h，期間采用雙蒸水喂食，使其適應新的環境。在體視鏡下用吸收了待測溶液的棉芯觸碰成蟲觸角的頂端部位，并觀察小菜蛾喙管30 s內有無伸長反應。

1.3.1 雌、雄蟲的敏感性試驗 通過喙管伸長反應分別測定了雌、雄小菜蛾成蟲觸角對100 mmol/L的蔗糖、葡萄糖、海藻糖、麥芽糖和果糖的味覺反應。

1.3.2 甜味物質的試驗 測試的溶液有1、10、100、500 mmol/L的蔗糖、葡萄糖、海藻糖、麥芽糖和果糖溶液，所有溶劑都溶解在雙蒸水中，雙蒸水作為對照溶液。選取雌成蟲進行試驗。若小菜蛾在30 s內喙管伸長，則認為此溶液對其取食有刺激反應；反之，則認為此溶液對其取食沒有刺激反應。

1.3.3 苦味物質的試驗 測試溶液有50 mmol/L奎寧、1 mmol/L 苯甲地那銨和10 mmol/L 黃連素分別與500 mmol/L蔗糖混合的溶液，以500 mmol/L蔗糖溶液作為對照。用含飽和水分或500 mmol/L 蔗糖溶液的棉芯刺激小菜蛾雌蟲觸角的頂端，選取對雙蒸水（對照）不起反應而對500 mmol/L 蔗糖溶液有喙管伸長反應的昆蟲繼續試驗，其他則從試驗組去除。用蒸餾水清洗測試后的刺激物，清洗干凈并吸干水分用于下一次測試，2次測試之間間隔10 min。

在測試甜味物質對小菜蛾的味覺刺激作用時，喙管伸長反應率越接近100 表示對甜味物質的敏感性越強，越接近0 則表示敏感性越弱；在測試苦味物質時情況相反[17]。

1.4 數據分析

采用SPSS 21 統計軟件進行處理，利用單因素方差分析（One-way ANOVA）進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 小菜蛾雌、雄成蟲對甜味物質的敏感性比較

由圖1 可知，這5 種糖均不同程度刺激小菜蛾產生喙管伸長反應，雌蛾對蔗糖、葡萄糖、海藻糖、麥芽糖和果糖的伸喙反應率均顯著強于雄蛾。蔗糖引起雌性小菜蛾喙管伸長反應最為強烈，反應率為57.5%，其次為麥芽糖、葡萄糖、海藻糖，果糖最弱，僅為20%。雌蛾對葡萄糖和海藻糖的敏感性稍微弱于麥芽糖，三者之間無顯著差異。對于雄蟲，對蔗糖的喙管伸長反應率最高，其次為葡萄糖、果糖和海藻糖，對果糖與海藻糖的反應率差異較小，對麥芽糖的喙管伸長反應率最低。

2.2 小菜蛾雌蟲對不同濃度甜味物質的味覺反應

由敏感性試驗可知，雌性小菜蛾對甜味物質更為敏感，可能跟雌蛾尋找產寄主產卵位點有極大關系。由圖2 可知，雌蛾對蔗糖的敏感性最大，對果糖的敏感性最弱，這5種糖引起雌蛾的喙管伸長反應率存在劑量依賴，總體而言，隨著糖類物質濃度的增大，小菜蛾的伸喙反應率增加，500 mmol/L 的蔗糖引起雌蛾的喙管伸長反應最大，反應率達到了60%，但是此濃度下的海藻糖引起雌蛾的喙管伸長反應弱于100 mmol/L 下的反應，反應率僅為20%。

2.3 小菜蛾雌蟲對不同苦味物質的味覺反應

苦味物質可抑制昆蟲喙管伸長，一般對昆蟲有驅避作用，小菜蛾可以感知植物中存在的苦味物質，從而對其回避，另尋產卵位點。從圖3可以看出，3 種混合溶液對小菜蛾雌蟲喙管伸長有顯著的抑制效果，對照組雌性小菜蛾對500 mmol/L蔗糖的伸喙反應率為60%，測試組中雌性小菜蛾的伸喙反應率均下降，50 mmol/L 奎寧和蔗糖的混合溶液的伸喙率下降最低，下降至6.7%，1 mmol/L 苯甲地那銨和10 mmol/L黃連素與500 mmol/L蔗糖的混合溶液的伸喙反應率分別下降至8.3%和11.7%，3 種物質與對照組均具有顯著性差異。

3 結論與討論

糖類、氨基酸等營養成分和次生化合物是寄主植物的化學成分，多數植食性昆蟲在成蟲階段能識別這些化學成分，這種識別能力是其對食物或寄主植物取食與否的關鍵[18]，并且由嗅覺和味覺系統支配，味覺系統在評估食物質量和區分可食用和有毒物質中起重要作用[19-21]。觸角是昆蟲重要的感覺器官，兼有化學感受器和溫濕度感受器等多種功能[22]。觸角具有不同功能，歸因于其上附著的不同種類的感器，如小菜蛾的毛型感器主要感受氣味信息，且具有雌雄二型性；腔錐形感器感受溫度、CO2及氣味信息[23]。山西農業大學植物保護學院昆蟲神經行為與感官生物學課題組前期通過掃描電鏡和透射電鏡研究發現，小菜蛾觸角末端主要是刺形感器，推測其功能可能和味覺相關[24]。喙管伸長反應是研究昆蟲味覺常用的生物學測定方法，廣泛應用于昆蟲味覺感器研究中[17]，目前在其他昆蟲的味覺感器研究中也運用了此方法，包括果蠅[25-26]、蜜蜂[27]、鱗翅目蛾類[12]和蝴蝶[28]等。

本研究表明，100 mmol/L 的5 種糖類均能不同程度地誘導雌、雄小菜蛾成蟲產生喙管伸長反應，其中，蔗糖是最強的取食刺激物，雌性小菜蛾對蔗糖的反應最強，反應率達57.5%，而果糖為弱取食刺激物，反應率僅為20%，且蔗糖、葡萄糖、麥芽糖和果糖這4 種糖引起雌蛾的喙管伸長反應率存在明顯劑量依賴關系，而海藻糖在500 mmol/L時的反應率為20%，低于對100 mmol/L 海藻糖的反應率。ROMEIS 等[29]在對大菜粉蝶Pieris brassicae味覺感器的研究中，結果表明，僅在蔗糖和果糖刺激的情況下，才能引起其喙管伸長反應；在棉鈴蟲Helicoverpa armigera（Hübner）雌性成蟲的味覺感器對糖類物質敏感性研究中，通過刺激跗節發現，果糖可以引起其伸喙反應，并且喙管伸長反應率呈現劑量依賴[12]。WINKLER 等[30]同樣研究了小菜蛾對糖類物質的敏感性，結果是蔗糖引起了小菜蛾較強的伸喙反應，同時引起較強伸喙反應的還有麥芽糖、棉子糖和松三糖，海藻糖反應最弱，這與本研究結果有一定差異，這可能與小菜蛾具有地域性差異有關。BLANEY等[31]研究表明，蔗糖和果糖能夠刺激引起甜菜夜蛾Spodoptera exigua喙管伸長反應。JRGENSEN 等[32-33]對 煙 芽 夜 蛾Heliothis virescens的研究表明，觸角感器對蔗糖、肌醇等有較強的反應，對桔小實蠅Bactrocera dorsalis Hendel成蟲的前足跗節的刺激能夠有效的識別蔗糖、葡萄糖、海藻糖、果糖、麥芽糖、樹膠醛糖和山梨糖醇等7種甜味物質，且對每種甜味物質的反應均呈濃度梯度反應[17]。而蜜蜂對葡萄糖的反應較為敏感[34]。由此可見，不同的昆蟲對不同的甜味物質的反應差異很大，這可能與昆蟲取食習性不同有關。

小菜蛾能有效識別奎寧、苯甲地那銨和黃連素3 種苦味物質，并且這3 種苦味物質較低濃度時能有效地抑制小菜蛾的伸喙反應，在500 mmol/L蔗糖溶液中分別加入50 mmol/L 的奎寧、1 mmol/L 的黃連素和10 mmol/L的苯甲地那銨，3種混合溶液均使小菜蛾對蔗糖溶液的喙管伸長反應率下降到12%以下。奎寧、咖啡因、黃連素和苯甲地那銨4 種苦味物質在較低的濃度下能引起桔小實蠅B.dorsalis的忌避行為，引起的忌避反應達90%以上[17]。KNIG 等[34]對黑腹果蠅Drosophila melanogaster幼蟲和成蟲研究發現，奎寧能夠抑制其幼蟲對果糖的偏愛性，苯甲地那銨能夠顯著抑制其成蟲對蔗糖的喙管伸長反應，并且隨著苯甲地那銨濃度的增加，抑制作用越顯著。HOSTACHY 等[35]對小地老虎Agrotis ypsilon的研究表明，奎寧能夠抑制其成蟲對蔗糖的伸喙反應。奎寧、苯甲地那銨和黃連素等苦味物質對大部分昆蟲起厭惡作用。

本研究表明，糖類物質對小菜蛾具有刺激取食的作用，而苦味物質抑制其對糖類物質的取食，這與小菜蛾喙管和觸角上的味覺感器有緊密聯系。并且在試驗中也觀察到小菜蛾觸角接觸刺激物后，喙管伸長去取食時，喙管在不同溶液中停留的時間不同。在接觸到甜味物質時，喙管在溶液中停留時間較長，在接觸到苦味物質時，極少數的喙管伸入溶液，并且都迅速將喙管卷曲。這個現象表明，小菜蛾喙管上也存在能感知不同味道的感器。因此，小菜蛾喙管和觸角味覺感器在取食過程中對化學信息的識別加工機理還有待更深層次的研究和驗證，同時為害蟲防治提供了新思路。