4種蒿樹科植物揮發(fā)物的化學(xué)指紋圖譜及對(duì)光肩星天牛的誘引作用

4種蒿樹科植物揮發(fā)物的化學(xué)指紋圖譜及對(duì)光肩星天牛的誘引作用

光肩星太平天國是一種木屑蟲。它以柳樹、柳樹、榆樹、華北角楓和福建柏樹等植物的葉子和樹枝為食，然后進(jìn)入樹干產(chǎn)卵。據(jù)報(bào)道已有18屬的植物受到光肩星天牛的危害,給各國帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。利用植物性引誘劑引誘天牛從而達(dá)到消滅天牛是防治害蟲的措施之一。研究表明,昆蟲在尋找寄主的識(shí)別過程中,寄主植物釋放的揮發(fā)性次生物質(zhì)起著關(guān)鍵的通訊引導(dǎo)作用,研究害蟲在尋找寄主植物中所利用的化學(xué)信息物質(zhì)及其感受機(jī)制,不僅能夠揭示害蟲與寄主植物之間的化學(xué)聯(lián)系,而且可以為害蟲的防治提供新的思路與技術(shù)途徑,在利用天然生物活性物質(zhì)防治害蟲、抗蟲育種、生物防治等方面都具有重要的科學(xué)意義。因此,本研究以光肩星天牛寄主植物復(fù)葉槭、五角楓(AcermonoMaxim.)、華北五角楓及挪威槭(AcerplatanoidesL.)4種槭樹科植物為對(duì)象,依據(jù)光肩星天牛對(duì)不同寄主植物的行為反應(yīng)和寄主植物的揮發(fā)性化學(xué)組分等特征數(shù)據(jù),探求引起光肩星天牛對(duì)不同寄主植物的選擇性差異的可能機(jī)理。1材料和方法1.1實(shí)驗(yàn)材料5年生的復(fù)葉槭、五角楓、華北五角楓、挪威槭和從河北廊坊地區(qū)捕捉到的光肩星天牛成蟲。1.2氣體的吸附實(shí)驗(yàn)選取葉子健康并無缺損的枝條,并用Reynolds微波爐袋(44.3cm×55.8cm,此袋在高溫和高光強(qiáng)下?lián)]發(fā)物釋放量很低)套上。在短時(shí)間內(nèi)把袋內(nèi)的空氣抽出,然后把經(jīng)過活性炭和GDX-101(60～80目)雙重過濾的壓縮空氣沖入袋內(nèi)。30min后開始采樣,袋內(nèi)的氣體被裝有吸附劑Tenax-GR(200mg,60～80目)的石英玻璃管(L=16cm,фi=3.2mm)所吸附。采樣時(shí)間為40min,流速是100ml/min。每種材料重復(fù)3次。1.3gc-ms分析用TCT-GC-MS(Trace2000Voyager,Finnigan,ThermoQuest)對(duì)揮發(fā)物進(jìn)行定性和定量分析。此儀器配有CP-4010型熱脫附裝置(Chrompack,TheNetherlands),分流/不分流進(jìn)樣器和毛細(xì)柱,載氣(氦氣)壓力是6kPa。電子轟擊源(70eV)全程掃描,掃描速度0.4s,掃描范圍m/z10-400。熱脫附裝置內(nèi)的吸附劑Tenax-GR吸附的揮發(fā)物在250℃被解吸,10min后被冷凝在-120℃的冷阱中;然后迅速加熱冷阱(在1min內(nèi)升到260℃),使揮發(fā)物快速進(jìn)入GC,進(jìn)行GC-MS分析。GC-MS程序升溫條件如下:初始溫度40℃保持3min,以6℃/min的速度升到270℃并保持5min,全程共需46min。通過Xcalibur1.2版本應(yīng)用軟件檢索NIST98譜圖庫和GC保留指數(shù)兼顧的方法對(duì)揮發(fā)物進(jìn)行定性。1.4采用光肩星天牛作為對(duì)試驗(yàn)昆蟲的調(diào)查采用“Y”型嗅覺儀對(duì)光肩星天牛進(jìn)行趨性行為測(cè)定。生物測(cè)定裝置和試驗(yàn)方法參照Honda和李繼泉的方法。試驗(yàn)時(shí),挑選性別相同、活力較強(qiáng)并且觸角、附肢完好的光肩星天牛作為供試?yán)ハx。每次試驗(yàn)從放蟲口放入5頭光肩星天牛后開始計(jì)時(shí),觀察天牛的行為反應(yīng)并記錄天牛進(jìn)入引誘臂和對(duì)照臂球形陷阱的頻次(天牛從適應(yīng)臂每落入球形陷阱內(nèi)一次計(jì)為1個(gè)頻次)。每組觀察50min。每測(cè)完1組后,引誘臂和對(duì)照臂互換,并更換新鮮植株。測(cè)定重復(fù)3次。1.5性別光肩星天牛選取4種寄主植物中長勢(shì)相同的枝條,用鐵絲網(wǎng)將其套住,每個(gè)網(wǎng)中放入活性相同的雄性光肩星天牛7頭,使光肩星天牛取食一個(gè)晚上。第2天8:00拿開天牛,觀察被天牛取食枝葉的面積。1.6寄生蟲表面活性劑的觀察采用印跡法進(jìn)行觀察。用毛筆將火棉膠涂在葉片中部表皮上,數(shù)分鐘后撕下火棉膠膜,置于載玻片上,光學(xué)顯微鏡下觀察表皮毛的分布情況。1.7處理數(shù)據(jù)揮發(fā)物定量采用峰面積歸一化法表示各成分的相對(duì)百分含量。采用t檢驗(yàn)分析光肩星天牛成蟲對(duì)不同植物揮發(fā)物的嗅覺行為反應(yīng)。2結(jié)果與分析2.1植物對(duì)光肩星天牛的引誘效果天牛成蟲對(duì)不同植物的揮發(fā)物的嗅覺行為反應(yīng)如表1和圖1所示。行為測(cè)定結(jié)果表明,光肩星天牛在尋找寄主植物的過程中嗅覺起主導(dǎo)作用。不同的植物對(duì)光肩星天牛的引誘程度不同:復(fù)葉槭對(duì)光肩星天牛的引誘效果最好,其次為五角楓,并且復(fù)葉槭和五角楓植株揮發(fā)物對(duì)光肩星天牛的引誘作用達(dá)到了差異顯著的程度;華北五角楓植株的揮發(fā)物對(duì)光肩星天牛表現(xiàn)為引誘作用,但并未達(dá)到差異顯著的程度;挪威槭植株的揮發(fā)物對(duì)光肩星天牛作用表現(xiàn)為既不引誘也不驅(qū)避。2.2化學(xué)成分對(duì)復(fù)葉反等植物的誘發(fā)作用通過TCT-GC-MS分析,初步確定了光肩星天牛主要寄主樹種揮發(fā)性物質(zhì)的化學(xué)組成包括酮類、醛類、醇類、酯類、脂肪酸類及單萜類等(見表2)。分析數(shù)據(jù)顯示,各種植物具有不同的化學(xué)指紋圖譜:復(fù)葉槭釋放的揮發(fā)物中以酯類、醛類和烷烴類為主,酯類包括(E)-乙酸-3-己烯酯、乙酸庚酯、乙酸乙酯、(E)-乙酸-4-己烯酯和乙酸戊酯等;五角楓釋放的揮發(fā)物中以酯類和醛類為主,酯類化合物包括(E)-乙酸-3-己烯酯、丁酸-4-己烯酯等,醛類中以壬醛、(E)-2-癸烯醛、癸醛、2-己烯醛等為主;華北五角楓釋放的揮發(fā)物中以酯類、萜烯類和醇類為主,酯類中主要以(E)-乙酸-3-己烯酯、乙酸乙酯為主,醇類包括反-3-己烯醇、乙基己醇、和反-2-癸烯醇等,萜烯類化合物包括α-蒎烯、β-蒎烯、羅勒烯、苧烯等;挪威槭釋放的揮發(fā)物中以酯類為主,其次是醇類和醛類物質(zhì),而萜烯類物質(zhì)所占的比例很小,酯類物質(zhì)中以(E)-乙酸-3-己烯酯的釋放量最高,醇類以反-2-己烯醇為主,醛類物質(zhì)中2-甲基-4-丁烯醛、2-己烯醛、壬醛、癸醛等的釋放量較高,萜烯類中α-蒎烯、β-蒎烯含量較高。4種植物中相同的揮發(fā)物共8種,分別為正己烷、乙酸乙酯、2-己烯醛、α-蒎烯、β-蒎烯、(E)-乙酸-3-己烯酯、壬醛和癸醛。光肩星天牛在借助化學(xué)感受器尋找寄主的過程中,植物的氣味起著首要作用。光肩星天牛對(duì)寄主植物較高的選擇性表明寄主植物的氣味組成對(duì)其具有較強(qiáng)的引誘作用。以前的試驗(yàn)結(jié)果也表明,一定濃度的壬醛、癸醛、(E)-乙酸-3-己烯酯和反-2-己烯醇對(duì)天牛具有明顯的引誘作用,且達(dá)到了顯著的程度,羅勒烯、(E)-1-戊烯-3-醇和trans-香葉基丙酮對(duì)天牛具有顯著的驅(qū)避作用1。在復(fù)葉槭的揮發(fā)物中有乙酸乙酯、2-己烯醛、α-蒎烯、β-蒎烯、(E)-乙酸-3-己烯酯、壬醛和癸醛,而沒有羅勒烯、(E)-1-戊烯-3-醇和trans-香葉基丙酮;在五角楓中具有乙酸乙酯、2-己烯醛、(E)-乙酸-3-己烯酯、壬醛、癸醛和羅勒烯,而無(E)-1-戊烯-3-醇和trans-香葉基丙酮;在華北五角楓中具有乙酸乙酯、2-己烯醛、(E)-乙酸-3-己烯酯、壬醛、癸醛和羅勒烯,而無(E)-1-戊烯-3-醇和trans-香葉基丙酮;在挪威槭中具有乙酸乙酯、2-己烯醛、(E)-乙酸-3-己烯酯、壬醛、癸醛、(E)-1-戊烯-3-醇和trans-香葉基丙酮,而無羅勒烯。此外研究發(fā)現(xiàn)在感蟲樹種復(fù)葉槭中沒有檢測(cè)到醇類和酮類化合物,且醛類化合物的含量均低于五角楓、華北五角楓和挪威槭,而烷烴類、酯類化合物含量較高(見表2);五角楓中醇類、酮類和醛類化合物的含量也均小于華北五角楓和挪威槭,而大于復(fù)葉槭。即從數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)4種槭樹科植物中醇類和醛類化合物的含量的變化與植物的抗性順序是一致的,可能正是這些不同的化學(xué)組分導(dǎo)致了不同寄主植物對(duì)光肩星天牛具有引誘效果。同時(shí)發(fā)現(xiàn)同一種化合物在不同植物中的濃度是不同的。研究發(fā)現(xiàn)在植食性昆蟲對(duì)寄主植物的識(shí)別過程中,植物氣味中的各成分濃度比例至關(guān)重要,這也是復(fù)葉槭、五角楓、華北五角楓和挪威槭對(duì)天牛的引誘作用不同的原因之一。2.34光肩和捕食動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)4種寄主植物被光肩星天牛咬食程度是不同的(表3),由表3可知復(fù)葉槭咬食最厲害,其次是五角楓和華北五角楓,挪威槭咬食最輕。2.44種植物葉片表土植物種間的差異觀察發(fā)現(xiàn)4種寄主植物中腹面表皮毛均較少,沒有什么太大的差別,而背面差異較大。在四種植物中復(fù)葉槭背面表皮毛最少,而五角楓、華北五角楓和挪威槭很多,幾乎覆蓋了葉的表面(如圖2)。研究發(fā)現(xiàn)表皮毛的密度是影響昆蟲取食面積的一個(gè)重要因素,一般抗蟲樹種較感蟲樹種表皮毛較多。3討論3.1樹種復(fù)葉反葉反應(yīng)物類的組成GC-MS的測(cè)試結(jié)果表明4種寄主植物釋放出的揮發(fā)物的種類以及每種化合物在每個(gè)寄主中的相對(duì)含量是不同的。在感蟲樹種復(fù)葉槭中沒有檢測(cè)到醇類和酮類化合物(表2)。醛類、醇類和酮類化合物的相對(duì)含量在4種植物中由小到大的排序均為:復(fù)葉槭<五角楓<華北五角楓<挪威槭,即4種槭樹科植物中醇類、醛類和酮類化合物含量的大小順序與植物的抗性順序是一致的,而烷烴類和酯類化合物的相對(duì)含量在4種植物中的大小排序正好相反,即復(fù)葉槭>五角楓>華北五角楓>挪威槭。3.2植物的誘導(dǎo)效果復(fù)葉槭對(duì)光肩星天牛的引誘效果是最好的,其次為五角楓,并且復(fù)葉槭和五角楓植株揮發(fā)物對(duì)光肩星天牛的引誘作用達(dá)到了差異顯著的程度。這與李繼泉等的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。不同寄主植物中揮發(fā)物的種類和相對(duì)含量的不同導(dǎo)致不同樹種對(duì)光肩星天牛具有不同的引誘效果。首先,五角楓、華北五角楓和挪威槭中均含有反-2-己烯醇,五角楓和華北五角楓中具有羅勒烯,僅挪威槭中具有香葉基丙酮和(E)1-戊烯-3-醇,而反-2-己烯醇、羅勒烯、香葉基丙酮和(E)1-戊烯-3-醇等已被前人證明對(duì)光肩星天牛具有顯著的趨避作用,這可能是復(fù)葉槭較光肩星天牛引誘效果好的原因之一。此外,植物釋放的各類揮發(fā)物的相對(duì)含量與光肩星天牛的趨性行為有關(guān)。在感蟲樹種復(fù)葉槭中沒有檢測(cè)到醇類和酮類化合物,醛類化合物的相對(duì)含量均低于其他3種植物,烷烴類和酯類化合物的相對(duì)含量均高于五角楓、華北五角楓和挪威槭,五角楓揮發(fā)出的醇類、醛類和酮類化合物的量較復(fù)葉槭多,而較華北五角楓和挪威槭少,也許正是這種差異致使五角楓對(duì)光肩星天牛的引誘效果較華北五角楓和挪威槭好,而較復(fù)葉槭差。李建光在測(cè)定光肩星天牛不同寄主樹種旱柳、合作楊等的揮發(fā)物時(shí),也指出不同寄主樹種對(duì)光肩星天牛具有不同抗性的原因可能是由于這些樹種中不同揮發(fā)物所占的比例不同所致。3.3影響植食性昆蟲抗蟲性的因素光肩星天牛在尋找和發(fā)現(xiàn)寄主過程中嗅覺起著主要的作用,即光肩星天牛通過嗅覺感知植物釋放的揮發(fā)性次生代謝物質(zhì),對(duì)寄主進(jìn)行遠(yuǎn)程定位,然后通過觸覺和味覺等綜合作用最后對(duì)植物作出取舍決定。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)葉槭和五角楓對(duì)光肩星天牛的引誘效果均達(dá)到了顯著的程度,但天牛對(duì)二者的咬食程度不同,主要原因之一為兩種植物的物理特性不同,如復(fù)葉槭植物葉表表皮毛較少,而五角楓的表皮毛很多。許多研究表明,樹木在組織形態(tài)上的對(duì)害蟲的防衛(wèi)作用有時(shí)甚至大于化學(xué)因素,如表皮毛、蠟質(zhì)、樹皮等都可以構(gòu)成害蟲難于取食和刻槽產(chǎn)卵,這些形態(tài)結(jié)構(gòu)的輕微變化都有可能改變植食性昆蟲的適口度,從而影響昆蟲的行為和生長發(fā)育。此外植物中的水分含量和化學(xué)成分等多因素與昆蟲的取食有關(guān)。植物體內(nèi)較高含量的水分可阻止幼蟲的侵入。單寧和酚類化合物是樹木體內(nèi)有效的化學(xué)防御物質(zhì),與昆蟲的抗蟲性密切相關(guān)。植食性昆蟲依靠植物獲得營養(yǎng)成分,寄主植物對(duì)植食性昆蟲的營養(yǎng)效應(yīng)主要決定于取食部位所含成分的性質(zhì)和份量,楊雪彥等認(rèn)為當(dāng)樹木中還原糖、蛋白質(zhì)、氨基酸含量高和不飽和脂肪酸中亞麻酸相對(duì)比例高時(shí),樹木抗蟲性差。纖維素、木質(zhì)素