干旱脅迫對棉花上棉蚜種群增長影響的評價方法

王 晨, 劉金萍, 楊益眾, 陸宴輝*

(1.揚州大學植物保護學院, 揚州 225007; 2.中國農業科學院植物保護研究所, 植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京 100193)

干旱是一個世界性的生態問題,尤其近年來隨著平均氣溫不斷上升等全球氣候變化,很多國家與地區的干旱問題日益加劇,對農業生產構成了嚴重威脅[1-2]。嚴重干旱脅迫不但對農作物的形態特征、光合速率、生物量積累等造成明顯負面影響并導致產量下降,還會改變農作物生理特性比如水分、營養物質、次生化合物的組成及含量,從而間接地影響害蟲的個體發育與種群消長,以及植物-害蟲-天敵之間的三營養級關系[3-5]。

新疆地處干旱半干旱區,年降雨量少,蒸發強烈,當地棉花等農作物常遭受干旱脅迫。已有不少研究從棉花栽培生理學的角度,評價了干旱脅迫對棉花植株生長、生理代謝的影響[6-9],發現干旱脅迫顯著影響棉花植株含水量、凈光合速率、最大光合量子產量、葉片滲透勢、葉片相對電導率、葉片脯氨酸含量及根部抗氧化酶活性等生理指標,從而影響棉花產量[10]。而干旱脅迫對棉花植株上害蟲發生的影響尚缺乏系統評價和深入研究。

棉蚜AphisgossypiiGlover是一種重要的刺吸式口器害蟲,以吸取植物木質部和韌皮部汁液來滿足其自身生命活動所需的營養物質,取食汁液不僅給植物帶來直接損傷,而且在取食過程中會傳播植物病毒和分泌蜜露誘發霉菌影響植物光合作用[11]。目前,棉蚜是新疆棉花生產中的首要害蟲,取食為害常造成棉花產量和品質嚴重下降[12]。棉蚜種群增長快、世代周期短,易受棉花植株生長狀態變化的影響,是評價研究干旱脅迫影響棉花植株上害蟲種群發生消長的理想對象。

本研究在室內采用滲透調節劑聚乙二醇6000(PEG-6000)降低水勢干擾棉花根部吸水來模擬不同程度的干旱脅迫,探討干旱對棉花幼苗地上部生物量、葉片干重和相對含水量的影響以及對棉株上棉蚜種群數量的影響。以此,探索建立干旱脅迫對棉花植株生理代謝及棉蚜種群動態影響的評價方法,為研究干旱脅迫條件下棉花-害蟲-天敵之間的相互作用關系奠定基礎。同時,明確棉花植株上棉蚜對不同干旱脅迫條件的響應程度,以期為解析新疆干旱脅迫環境下以及從漫灌到滴灌的灌溉方式變革中棉田棉蚜種群消長動態及機制提供必要數據支撐。

1 材料與方法

1.1 供試棉花品種

棉花品種‘冀棉14’(‘JM14’)由創世紀種業有限公司提供,‘中棉49’(‘ZM49’)由中國農業科學院棉花研究所提供。

1.2 供試棉蚜

棉蚜于2019年采集于中國農業科學院植物保護研究所新疆庫爾勒試驗基地(41.45°N,85.48°E)棉田,隨后在中國農業科學院植物保護研究所廊坊科研中試基地(39.53°N,116.70°E)的光照培養箱中用4～5葉期‘ZM49’棉苗進行繼代飼養。飼養環境條件為溫度(26±1)℃,相對濕度(50±5)%,光周期L∥D=16 h∥8 h。

1.3 營養液配方

營養液采用國際通用的霍格蘭營養配方,并進行了適當改良。具體配方組成為:5 mmol/L Ca(NO3)2·4 H2O、1 mmol/L KH2PO4、1 mmol/L K2SO4、2 mmol/L MgSO4·7 H2O、0.045 mmol/L H2BO3、8×10-3mmol/L ZnSO4·7 H2O、3×10-3mmol/L CuSO4·5 H2O、6.7×10-3mmol/L MnSO4·4 H2O、5×10-3mmol/L H2MoO4·4 H2O、0.02 mmol/L EDTA-Na2和0.02 mmol/L FeSO4·7 H2O。采用去離子水先配制為100倍的母液,保存于不透光的玻璃瓶中,置于陰涼處,使用時用自來水稀釋即可。

1.4 水培棉花種植

干旱脅迫試驗所用棉花品種為‘JM14’,試驗前對其進行水培種植。水培棉花種植分為3個階段(圖1)。第Ⅰ階段,將棉花種子播種于育苗基質(由泥炭土、蛭石和中壤土組成,體積比為6∶1∶1),待種子發芽長至子葉完全展開時,選取長勢一致的棉苗,從基質中輕輕取出,盡量不傷及根部,抖落多余基質后用流水洗凈。第Ⅱ階段,將棉苗根基部用海綿包住,放入定植籃(上內直徑為2.0 cm,上外直徑為2.5 cm,底部直徑1.4 cm,高度3.5 cm)中,然后固定于裝有1 L 0.5×營養液的黑色塑料罐中。塑料罐蓋上有大小2個圓孔,一個孔直徑為2.0 cm,用于固定定植籃,一個孔直徑為5 cm,用于放氧氣泵通氣。每個塑料罐培育一株棉苗,每天通氣3～4 h,每7 d更換1次營養液。0.5×營養液培養7 d后更換為全營養液,培養至4葉期開始進行第Ⅲ階段的干旱脅迫試驗。

圖1 水培棉花培養流程

1.5 干旱脅迫處理

試驗所用聚乙二醇6000(PEG-6000)由北京酷來搏科技有限公司生產。基于前人研究[10,13]與我們預試驗結果,按質量比將PEG-6000與營養液混合，設置1%、3%和5% 3個不同梯度模擬干旱脅迫,濃度越高干旱程度越大,3個濃度依次模擬輕度、中度、重度干旱脅迫。以不加PEG-6000作為空白對照。

1.6 棉花植株地上部分生物量、葉片干重及相對含水量測定

棉苗從4葉期開始進行不同程度干旱脅迫處理。28 d后,取棉株地上部分(莖和葉片),去離子水洗凈后用濾紙吸干表面浮水,稱其鮮重。將莖和葉片分開,將莖放入牛皮紙袋中105℃殺青30 min,然后80℃烘干至恒重,得到棉花植株莖部生物量。同時,將全部葉片在去離子水中浸泡24 h后稱其飽和鮮重,將葉片表面水分用濾紙吸干后置于牛皮紙袋內105℃殺青30 min,然后80℃烘干至恒重,得到葉片干重。植物地上部分生物量為莖和葉片干重的總和。每個處理測試8株,即為重復8次。

葉片相對含水量=(鮮重-干重)/(飽和鮮重-干重)×100%。

1.7 棉蚜種群數量測定

挑取經過干旱脅迫處理7 d后長勢一致的棉苗,在其頂部第一片完全展開的葉片上接10頭棉蚜成蚜,12 h后保留5頭若蚜,將成蚜及多余的若蚜一并刷除。每隔5 d觀察記錄1次棉株上棉蚜數量,共記錄8次。每株棉苗單獨放置于長28 cm×寬33 cm×高53 cm的120目的紗網籠中,防止棉蚜逃逸。每個處理測試8株,即為重復8次。

1.8 數據分析

數據采用SPSS 21.0軟件進行單因素方差分析,處理間差異顯著性采用Tukey HSD法檢驗(P<0.05)。所有圖采用Graphpad Prism 8.0軟件進行繪制。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對棉株地上部分生物量、葉片干重和相對含水量的影響

由圖2a可知,干旱脅迫對棉株地上部分生物量具有顯著影響(F=4.012,df=3,28,P=0.017),但各濃度PEG-6000處理間棉株地上部分生物量差異不顯著。棉花葉片干重和相對含水量均隨著PEG-6000濃度增加而逐漸下降(圖2b～c)。PEG-6000處理對棉花葉片干重和相對含水量均有極顯著影響(葉片干重：F=30.824,df=3,28,P<0.001；相對含水量：F=19.647,df=3, 28,P<0.001)。棉花葉片相對含水量在1%、3%和5% PEG-6000處理下分別為空白對照組的84.59%、69.76%和51.68%。

圖2 不同PEG-6000濃度處理下棉花地上部生物量、葉片干重和相對含水量的變化趨勢

2.2 干旱脅迫對棉株上棉蚜種群數量的影響

棉株受干旱脅迫7 d后,每株棉株上接入初產仔蚜5頭,5 d后每株棉株上棉蚜數量均為5頭。由圖3a可知,棉株上棉蚜種群數量均隨著干旱脅迫天數增加呈現先上升后下降的趨勢。在1% PEG-6000處理下,除第35天外,其余時間棉株上棉蚜數量均顯著低于空白對照。在第10～40 天,3%和5% PEG-6000處理下棉株上棉蚜數量均顯著低于空白對照,且棉蚜種群數量下降時間早于空白對照和1% PEG-6000。干旱脅迫對棉蚜40 d內的單株平均種群密度具有極顯著影響(圖3b,F=24.476,df=3,28,P<0.001),在所有濃度的PEG-6000處理下,棉蚜平均種群密度均顯著低于空白對照。

圖3 不同PEG-6000濃度處理下棉蚜種群數量

3 結論與討論

新疆棉區干旱問題突出,是影響棉花植株生長與生理代謝的重要環境因素,從而可能進一步影響棉花-害蟲-天敵三級營養互作關系。本文建立了干旱脅迫對棉花植株上棉蚜種群動態影響的評價方法,為系統研究干旱脅迫對棉花-害蟲-天敵互作關系的影響奠定了重要基礎。

葉片是植物進行光合作用的重要器官,同時也是蚜蟲等食葉類害蟲的主要取食部位,其生理狀態會直接影響害蟲種群的發生。植物葉片干重越大,說明其光合作用越強,積累的干物質量越多,植物營養成分越高[14]。害蟲主要依靠寄主植物獲取營養,寄主植物組織內營養物質的組成及質量會直接影響害蟲的生長發育及繁殖。前人研究發現隨著干旱脅迫程度增加,棉花中可溶性糖、可溶性蛋白及游離氨基酸含量逐漸增加,這些物質作為組織內重要的滲透調節物,可使組織維持正常水平,緩解干旱脅迫造成的損傷[15-16]。而這些營養物質對害蟲的生長發育及繁殖常具有重要作用[17-18],比如早期研究表明，植物組織中過高的可溶性糖不利于刺吸式口器害蟲的消化[19]。Karley等[20]發現馬鈴薯葉片韌皮部蔗糖與氨基酸含量的比值對桃蚜Myzuspersicae和馬鈴薯長管蚜Macrosiphumeuphorbiae生長和繁殖影響不顯著,但氨基酸的組成特別是谷氨酰胺的變化對蚜蟲影響較大。祝愿等[21]基于昆蟲刺探電位技術發現早小洋菊Chrysanthemummorifolium頂葉中可溶性糖和可溶性蛋白含量與菊小長管蚜Macrosiphoniellasanborni、棉蚜和桃蚜韌皮部取食時間成正相關。然而,葉片積累的有機物成分較為復雜,當植物在干旱脅迫下生長受到抑制時,植物葉片還會積累大量的防御物質適應干旱環境,比如酚類、萜類和生物堿,這些物質對害蟲具有抵御作用[22-23]。Ibrahim等[24]發現在干旱脅迫下棉花葉片黃酮類和酚類物質含量顯著增加。馬惠等[13]研究發現棉花葉片的棉酚含量隨著干旱脅迫程度增加而逐漸升高,棉酚含量與棉蚜若蚜發育速率、成蚜產蚜量呈負相關。目前越來越多研究結果表明干旱脅迫對蚜蟲的種群增長是不利的,且不受蚜蟲、寄主、地理分布等因素的影響[25-26]。本研究發現,棉株上棉蚜種群數量隨著干旱脅迫程度增加而逐漸降低,然而干旱脅迫下棉花葉片組織內營養物質、防御物質的組成和含量如何變化、怎樣影響棉蚜種群發生有待進一步研究。

葉片相對含水量不僅能反映葉片水分狀態,還能反映葉片細胞是否處于膨脹狀態[27]。當植物葉片水分缺失時,氣孔會關閉以減少水分蒸發,從而導致細胞膨壓降低[28]。對于刺吸式口器害蟲,寄主植物葉片細胞膨壓降低會直接影響其對韌皮部的被動取食,不利于此類害蟲的種群增長[29]。Guo等[30]發現蒺藜苜蓿Medicagotruncatula在干旱脅迫下葉片水分缺失,豌豆蚜Acyrthosiphonpisum取食蒺藜苜蓿韌皮部時間顯著縮短,種群數量減少。本研究發現棉蚜種群增長隨著葉片相對含水量降低而逐漸下降,可能是棉蚜取食行為受阻,獲取的營養和水分不足所致。

植物地上部分莖葉生物量與植物的生長有著密切的關系,是衡量植物抗旱性常用的重要指標[31]。已有不少研究表明干旱脅迫對植物的地上部分莖葉生物量積累具有負面影響,比如Lama等[32]發現，麻風樹Jatrophacurcas遭受干旱脅迫后,莖干生物量顯著下降。王娟等[33]和Zou等[10]通過盆栽試驗發現，土壤干旱脅迫不利于棉花蕾期和初花期地上部分莖葉生物量的積累。本研究發現干旱脅迫對棉花幼苗莖葉干重具有負影響,說明相對較高的水分含量更有利于棉株地上部分莖葉的生長和干物質的積累。植物葉片對水分虧缺響應十分敏感,當植物處于缺水狀態時,植物葉片很快會表現出萎蔫狀。葉片相對含水量是植物葉片實際含水量占葉片組織飽和含水量的百分比,是反映植物葉片水分虧缺的常用指標。大量植物抗旱性研究表明,隨著干旱脅迫程度增加,植物葉片相對含水量逐漸下降[34-35]。植物葉片相對含水量低會直接影響氣孔開合導致光合作用效率降低,干物質量積累減少,從而影響產量[36-37]。本研究發現棉花葉片相對含水量隨著干旱脅迫程度增加而逐漸下降,這可能是導致干旱脅迫下棉花地上部分莖葉生物量下降的原因。以上結果表明非干旱脅迫下,棉花長勢更好,更有利于棉蚜種群增長。

新疆屬于典型的灌溉農業,20世紀90年代前棉花種植主要采用漫灌方式,大水漫灌后土壤水分蒸發快、含水量極不穩定,致使棉花植株頻繁遭受短期干旱脅迫。90年代初開始引進并大面積使用覆膜種植及膜下滴灌技術,棉田土壤含水量較為穩定,棉花長勢優于漫灌方式下種植的棉花[38-39]。根據干旱脅迫對植物及害蟲影響的活力假說,即害蟲更喜歡取食長勢較好的植物[40],同時結合本文研究結果,初步推測隨著新疆棉花膜下滴灌技術的推廣應用與不斷優化,棉田土壤中水分的保持能力逐步增強,這不僅促進新疆棉花健康生長及單產遞增,也可能是引起近年來新疆棉蚜發生危害加重的重要原因。

在棉花植株耐旱性評價中,常采用高濃度的PEG-6000溶液進行短期處理。如張雪妍等[8]用17% PEG-6000溶液對3～6片真葉的棉花幼苗進行12 h連續處理,來評價棉花幼苗耐旱性。胡根海等[16]用5%、10%、15%、20% PEG-6000溶液處理長有3片真葉的棉花幼苗,7 d后評價植株抗旱生理指標。我們預試驗發現,高于5%的PEG-6000溶液常顯著抑制棉花植株正常生長甚至導致死亡,不適用于棉花植株的長期脅迫處理,不能滿足棉蚜等害蟲的全生命周期研究及種群動態監測。本試驗結果表明,與空白對照相比,1%、3%和5% PEG-6000溶液對棉花葉片相對含水量和棉蚜種群密度產生了顯著的梯度效應,特別是5% PEG-6000溶液處理既維持了棉花植株生長和棉蚜種群增長,滿足了長期性試驗的要求,又充分顯示了干旱脅迫帶來的嚴重負面影響。馬惠等[13]比較了0%、2.5%和5% PEG-6000溶液處理下棉花上棉蚜若蟲發育速率和成蟲產仔量,發現兩者隨干旱脅迫力度增加而逐步降低,本研究結果與其一致。因此,本研究設置的1%、3%和5% PEG-6000溶液處理有效反映了輕度、中度、重度干旱脅迫,為后續干旱脅迫下棉花-害蟲-天敵互作關系的長期評價與系統研究奠定了重要基礎。