林业科学  2000, Vol. 36 Issue (4): 46-50   PDF    
0

文章信息

薛皎亮, 谢映平, 刘计权, 王金胜, 冀卫荣.
Xue Jiaoliang, Xie Yingping, Liu Jiquan, Wang Jinsheng, Ji Weirong.
鞘蛾危害后诱导华北落叶松体内化学物质变化的研究
A STUDY ON THE VARIATION OF SOME CHEMICAL SUBSTANCES IN THE BODY OF LARCH INDUCED BY THE DAMAGE FROM THE LARCH CASE-BEARER
林业科学, 2000, 36(4): 46-50.
Scientia Silvae Sinicae, 2000, 36(4): 46-50.

文章历史

收稿日期:1999-08-03

作者相关文章

薛皎亮
谢映平
刘计权
王金胜
冀卫荣

鞘蛾危害后诱导华北落叶松体内化学物质变化的研究
薛皎亮 , 谢映平 , 刘计权 , 王金胜 , 冀卫荣     
山西农业大学 太谷 030801
摘要: 本文于1997~1998年在山西省关帝山和五台山林区, 通过定点定期采样结合实验室化学测试, 研究了华北落叶松鞘蛾, Coleophora sinensis Yang (鳞翅目, 鞘蛾科), 取食危害后, 诱导华北落叶松Larix Princippis-rupprechtii Mayr.树体内化学物质的变化及其与抗虫性相关的生理生化反应。结果表明, 华北落叶松鞘蛾危害后, 能使树体产生一系列生理生化反应, 表现出强烈的抗虫性。首先是树体内产生有毒次生代谢物如单宁和游离酚的变化。在鞘蛾幼虫暴食的5月份, 单宁在针叶内从低含量迅速增加, 形成第1个峰值。在中等受害区, 这种增加幅度到鞘蛾取食后的6月份可以超过对照区。严重受害区单宁在前、中期略低于前2区, 但持续增长时间更长。单宁在韧皮部内的含量在初期由高向低下降, 说明它有可能是从枝条转向叶部, 以补充抗性之急需。游离酚在鞘蛾危害后期才开始增加, 中等受害区其含量最高, 严重受害区和对照区之间差异不显著。其次, 树体内保护酶系如过氧化物酶在受害区高于对照区, 受害愈重, 含量越高。第3类是树体营养物质如还原糖和Vc的含量在受害区显著低于对照区, 造成害虫的营养成份改变和质量下降。这3方面因素参与了华北落叶松的化学防御体系。
关键词: 华北落叶松    华北落叶松鞘蛾    化学防御    诱导抗虫性    
A STUDY ON THE VARIATION OF SOME CHEMICAL SUBSTANCES IN THE BODY OF LARCH INDUCED BY THE DAMAGE FROM THE LARCH CASE-BEARER
Xue Jiaoliang, Xie Yingping, Liu Jiquan, Wang Jinsheng, Ji Weirong     
Shanxi Agricultural University Taigu 030801
Abstract: The induced variation of some chemical substances in the body of the larch, Larix princippis-rupprechtii Mayr. injured by the larch case-bearer, Coleophora sinensis Yang, was studied. The tests were conducted in 1996~1998 in the forest areas of Wutai and Guandi Mountains located in Shanxi, China.The results showed that the North China larch could produce some secondary substances and change the compositions of some compounds in its body when it was injured by the larch case bearer. The first group of the secondary substances was tannin and free phenol. Tannin was raised so quickly with the case bearer feeding leaves in the moderate damaged forest that its content in leaves could exceed that in the other two areas. The second change was the variation of peroxidase activity in the leaves. The more damages the forest suffered, the more activities of the peroxidase the trees had. Another pest resistant factor of the forest was the dropping of its reducing sugar and Vc when the damage happened, so that the pest did not prefer to the nutrition of the leaves. These factors together took part in the chemical defense of the larch against the case-bearer attack.
Key words: Larix princippis-rupprechtii Mayr.    Larch case-bearer    Coleophora sinensis Yang    Chemical defense    Induced pest-resistance    

植物与植食性昆虫之间存在着复杂的协同进化关系, 其中包括植物为抵抗昆虫的危害, 在长期进化过程中形成了自身的化学防御体系, 其中包括组成抗性(constitutive resistance)和诱导抗性(induced resistance), 充分认识和利用这种化学防御体系于森林保护和森林害虫综合治理, 是近年来森林科学研究的新领域(李镇宇等, 1998; 娄永根等, 1997; 钦俊德, 1987; 1994;1995;Baldwin et al., 1983; Bernays et al., 1989)。国外从70年代以来, 先后有关于冬尺蠖、松叶蜂、舞毒蛾和小蠹虫等害虫取食危害诱导寄主产生抗性的报道(张庆贺, 1994; Christisen et al., 1987; Hanover, 1975; Nebeker et al., 1992)。国内自90年代以来, 也先后有关于马尾松毛虫Dendrolimus punctatus Walker(戈峰等, 1997; 马尾松抗松毛虫抗性研究组, 1990)、油松毛虫Dendrolimus punctatus tabulaeformis Tsai et Liu(李镇宇等, 1998)、杨树天牛Batocera horsfieldi(孙艳丽等, 1995)、榆树叶甲Pyrrhalta aenesces Fairmaire(茹桃勤等, 1996)和栗瘿蜂Dryocosmus kuriphilus (王绍卿等, 1991)等害虫与寄主树木化学抗虫性的研究。华北落叶松鞘蛾Coleophora sinensis Yang是华北落叶松Larix princippis-rupprechtii May r.的重要食叶害虫, 以往的研究仅集中于生物学和它的防治, 对它危害后引起寄主抗虫性还没有研究报道。本文作者从1997 ~ 1998年在山西省鞘蛾发生的五台山和关帝山林区, 通过在林场布点, 定期观察, 连续采样, 结合实验室化学测试, 研究了华北落叶松受害后树体内几类与抗虫性相关的化学物质变化的情形, 希望能对该林区的科学管理和害虫综合治理提供新的思路和依据。

1 材料和方法 1.1 试验林地概况

本研究林地选在华北落叶松鞘蛾大发生的五台山林场和关帝山林区三道川林场, 20年生的华北落叶松人工林。野外调查在两个林场进行, 用于化验分析采样点在三道川林场。该林场位于吕梁山中脉东侧, 东经111°30′~ 111°54′, 北纬37°28′~ 37°35′, 海拔1000 ~ 2160 m, 年降雨量600 ~ 800 mm。采样林在该林场小桦林沟, 海拔1600 ~ 1700 m。树高10 m左右, 胸径15 cm左右。

1.2 华北落叶松鞘蛾的危害及松林的危害等级

华北落叶松鞘蛾在华北地区1年发生1代, 以低龄幼虫结鞘越冬, 从4月下旬到5月底, 越冬后幼虫负鞘扩散到针叶上危害, 它们蛀入针叶内取食, 食空叶肉, 然后转移到另一叶。5月份为暴食期, 形成针叶枯黄干死, 严重受害林分树冠呈红黄色, 远看象火烧一般。6月份幼虫化蛹, 停止取食, 落叶松林恢复生长, 到8月份针叶恢复十分明显。为了研究方便, 根据受害状和虫口密度, 将落叶松分为3个受害等级, 即:严重受害, 其整株树冠外表枯黄, 似火烧一般, 虫口密度很高, 为0.31(0.23 ~ 0.52)头/叶簇, 枝叶受害率超过70 %以上; 中等受害, 其整株受害状明显, 虫口密度较高, 为0.15(0.10 ~ 0.21)头/叶簇, 树冠外部枝叶成片状枯黄, 30 %以上的枝条受害; 对照区虫口密度很低, 小于0.10头/叶簇, 受害状轻微, 枝叶外表嫩绿。

1.3 标准树及采样

确定受害等级后, 在每类样地内选10株标准树, 用红漆在树干标记, 作为定点采样树, 共30株, 同时每一样树周围再选与样树相同受害程度, 长势相似的树3 ~ 5株, 作为采样和观察的备用树群。采样:采样时间从5月初开始至9月底结束。间隔期在前期为7 d, 后期为10 d 1次。采样时, 在每个标准树的树冠高度中部, 按东西南北4个方位各选3 ~ 5个大枝, 每大枝上再选3个2 ~ 3年生的样枝, 这些样枝要能代表各该株受害程度。采样时尽量减少树体损伤。采下样枝后连叶立即放入冰壶, 分别保鲜, 尽快带回实验室内, 连壶一起放入冰箱。并立即开始作化验分析的预处理, 特别是对要求新鲜样品的测试项目, 材料要格外保鲜, 边做边从冰箱中取材料, 尽快做完。

1.4 抗虫性生化指标的选择及测定方法

选择抗虫性相关因子有枝条韧皮部和针叶内单宁、游离酚、过氧化物酶、还原性糖和Vc。其测定方法是:单宁采用钨钼酸还原法, 还原性糖采用3, 5 -二硝基水杨酸比色定糖法(中国林业科学研究院分析中心, 1994), Vc采用2, 4 —二硝基苯肼法(黄伟坤等, 1989), 过氧化物酶采用愈创木酚氧化比色法(王金胜等, 1994)。

2 结果与分析 2.1 受害落叶松针叶和韧皮内单宁和游离酚的变化

单宁和酚类化合物被认为在树木对食叶害虫化学防御中起主导作用。它们能抑制酶的活性或使蛋白质鞣化, 害虫取食二者含量多的植物, 不利于蛋白质的消化利用, 甚至起到毒害作用。Feeny(1970)发现在栎树上取食叶子的冬尺蠖, 在6月份突然停止取食而转移到其它树木上, 认为这与取食刺激引起叶内复合单宁迅速增加有关, 使蛋白质不易消化, 降低树叶相对营养成份。另外也发现树叶内单宁与蛋白质复合能力有关, 会引起害虫肠道pH变化(张庆贺等, 1994), 戈峰等报道, 马尾松针叶受害后, 叶内单宁含量增加(戈峰等, 1997)。孙艳丽和韩一凡等研究认为, 对天牛具抗性的杨树品种树体内单宁和酚类含量高(孙艳丽等, 1995)。本研究结果发现(见图 1, 2):鞘蛾危害前期, 针叶内单宁含量低于韧皮部, 由于针叶受害, 其单宁迅速增多, 5月份到6月上旬, 增加幅度最大, 虽然在这期间, 受害区单宁含量低于对照区, 但从6月中旬至7月上旬, 中等受害区的单宁则高于对照区, 此后直到生长后期, 与对照区之间无显著差异。说明中等受害区的树体抗性在7月上旬之前为剧烈期。严重受害区在前期单宁的含量低于对照区和中等受害区, 但它的反应表现在前期增幅大, 中、后期一直保持增加, 其出现峰值时间较晚, 持续反应时间较长, 这与树体受害后要调节体内生理活动和物质供求平衡相联系。韧皮部单宁含量在初期高于针叶, 鞘蛾危害期其值呈下降趋势, 这与针叶内单宁的增加趋势恰相对应。作者认为, 叶子是直接受害部位, 当叶子对受害做出反应, 急骤增加单宁时, 韧皮部的单宁会通过树体生理调节而转移到针叶内, 起到平衡和快速补充作用, 以增强针叶抗虫性。当7月中旬以后, 随着树体恢复生长, 针叶内单宁积累量很高, 韧皮部内积累也逐渐增多。但叶内含量明显高于韧皮部, 因此, 这种变化非常有利于针叶对害虫的防御。

图 1 针叶、韧皮部中单宁含量变化曲线 Fig. 1 The content variation of Tannin in the leaves and twig, phloem 1.对照区针叶, 2.中等受害区针叶, 3.严重受害区针叶, 4.对照区韧皮部, 5.中等受害区韧皮部, 6.严重受害区韧皮部。 1.In leave of check plots, 2.In leaves of moderate, 3.In leaves of heavily dameged plots, 4.In phloem of check plots, 5.In twig phloem of moderate damaged plots, 6.In twig phloem of heavily damaged plots.
图 2 针叶中游离酚含量变化曲线 Fig. 2 The viriation of free phenol in dry sample leaves 1.对照区针叶, 2.中等受害区针叶, 3.严重受害区针叶。 1.In leaves of check plots, 2.In leaves of moderate damaged plots.

在虫害取食期的5月份针叶内游离酚由高含量向低含量下降, 从6月初开始为增加期, 直到8月上旬达到高峰, 这与落叶松恢复生长过程相吻合。在中等受害区其酚类高于严重受害区, 但与对照区无明显差异。中国农科院汤德良报道, 棉株受棉铃虫危害后, 棉酚和单宁在受害叶内均高于正常叶, 棉酚和单宁的含量变化呈明显负相关。认为可能是因为棉株受害后, 分配到次生代谢物质的总量是有一定限度的, 当转化为棉酚的物质较高时, 则转化为单宁和其它物质的量较少, 反之亦然(汤德良等, 1997)。本研究结果与汤氏结论有相似之处, 证明了单宁和酚类都是华北落叶松抗虫性物质, 二者在受害后增加顺序以单宁在前, 酚类在后, 且有从枝条和其它部位向直接受害的针叶转移的趋势。同时次生代谢产物的生成与树体受害程度相关, 中等受害树体产生抗性物质多, 严重受害的树体伴随着它的恢复生长, 使次生抗性物质增加期延长。

2.2 受害树体过氧化物酶在针叶和韧皮部内活性的变化

过氧化物酶是植物体内的保护酶系, 在植物防御反应中起着极重要作用。经测定发现(见图 3):在华北落叶松的针叶内过氧化物酶的活性低于韧皮部, 其活性大小与受害程度成正相关, 受害重, 活性高。在5月份, 受害区过氧化物酶在枝叶内急剧增加, 出现第1个峰值, 对照区则为平缓趋势。说明过氧化物酶属于树体抗虫快速反应因子。这种因子的生长期长, 于6月份出现第2个高峰值, 这一阶段为鞘蛾停止取食后, 树体恢复生长期, 中等受害区的活性最高, 说明这种抗性因子也与树体强弱和其生理活动能力密切相关。进入7月份生长后期, 枝叶内过氧化物酶出于平缓活性期, 在受害等级间无显著差异, 说明它已基本恢复到正常状态, 这与树体恢复和补偿生长趋势相吻合。

图 3 针叶、韧皮部中过氧化物酶活性变化 Fig. 3 Variations of peroxidase activity in leaves and twig phloem 1.对照区针叶, 2.中等受害区针叶, 3.严重受害区针叶, 4.对照区韧皮部, 5.中等受害区韧皮部, 6.严重受害区韧皮部。 1.In leaves of check plots, 2.In leaves of moderate damaged plots, 3.In leaves of heavily damaged plots, 4.In twig phloem of check plots, 5.In tw ig phloem of moderate damaged plots, 6.In twig phloem of heavily damaged plots.
2.3 受害落叶松枝叶内还原糖和Vc的变化

根据研究结果显示(见表 1), 华北落叶松从4月下旬进入生长期, 5月份光合作用逐渐增强, 枝条韧皮部和针叶内含糖量增高, 形成第1个增长期; 6月份树体旺盛生长, 生理活动和光合作用都最强, 含糖量达到第2个高峰期, 7 ~ 8月份气温升高, 呼吸代谢作用强, 还原糖积累量呈平缓趋势; 此后, 气温适宜, 糖积累量再次上升, 以备越冬积累。针叶内含量在前期低于韧皮部, 而后以快速增加超过韧皮部, 在生长后期则与韧皮部含量比例相近。在整个生长期, 经鞘蛾危害的林分, 其还原糖含量显著低于对照区, 且受害越重, 含糖量越低。Mcclure报道, 受损伤的植物叶片常会导致一些营养成份如氨基酸、糖类含量的下降, 从而影响到植食性昆虫的生长、发育和繁殖。树木受害后要进行防御, 使呼吸强度增加, 而防御本身是一个耗能的过程, 糖类作为最直接的能源物质被消耗掉一部分, 另外, 叶片受害, 光合作用要在短期内受影响, 糖类合成会减少。在对马尾松的研究中也发现, 抗性马尾松比对照品种含糖量少8.34 %(戈峰等, 1997; 马尾松抗松毛虫抗性研究组, 1990)。糖是昆虫的重要营养物质, 华北落叶松受害后, 其针叶内糖量减少, 不利于鞘蛾幼虫继续取食和发育, 因此起到了忌避和抵抗害虫作用。

表 1 还原糖占干样的百分数测定结果 Tab.1 Percentage of reducing sugar in the dry leaves and twig phloem

Vc又名抗坏血酸, 是可溶于水的低分子有机物, 它的功能主要有:参与新陈代谢的生理活动, 促进酶活性, 促进受伤组织的复原, 加强生物对蛋白质的利用等。随着华北落叶松生长, Vc在树体内增多, 特别在针叶内增加极明显。但受害区Vc含量低于对照区, 这种特点在鞘蛾暴食的5月份十分明显(见表 2)。Vc的含量在受害区变低, 说明Vc对防治害虫的生理活动有较显著的影响。一方面表现为树体受害后的自我修复和补偿生长需要消耗Vc, 另一方面, 鞘蛾幼虫取食含Vc低的叶子, 对它的消化和酶活性不利, 因此起到了抗虫作用。

表 2 针叶、韧皮部中Vc含量测定结果(表中值为每百克鲜样中Vc的毫克数) Tab.2 Vitamin C. in the fresh leaves and twig phloem
3 结论与讨论

根据本研究结果, 作者认为, 华北落叶松对华北落叶松鞘蛾取食危害具有诱导抗虫性反应, 这种反应表现在树体内化学物质发生变化。包括针叶内和韧皮部单宁和酚类物质的增加, 由此使鞘蛾幼虫食入高含量单宁和酚类针叶后, 不利于消化, 形成营养不良, 甚至毒杀作用。这两类物质的变化由树体生理代谢来调节, 并且能从枝条向直接受害部位的针叶转移输送, 使抗虫性发挥作用。多酚氧化酶可在树体内将酚类转化为醌类物质, 对昆虫毒性更大, 这是华北落叶松化学防御体系中重要一面。

过氧化物酶在受害树体内活性增高, 且与受害程度成正相关。它的反应出现得早, 属快速反应因素。它是树体保护酶系的重要组成部分。

营养物质是昆虫生长、发育和繁殖的基础。还原糖和Vc在受害树针叶和韧皮内含量降低, 也是华北落叶松抗虫机制之一。

华北落叶松由鞘蛾幼虫取食危害, 具有较强的自我恢复和化学防御功能, 是减少化学防治、利用生态调控的基础。特别在中等受害林内, 完全可以不采取化学防治。在严重受害林分, 防治目标使虫口密度降到一定程度即可, 这样可以降低防治成本, 提高森林自身调控效能。以往研究曾指出落叶松受灰线小卷蛾Zeriaphera griseana危害和桦树受桦尺蠖Epirrita autumnata危害后所产生的诱导化合物可延续3 ~ 4 a之久(张庆贺, 1994; Baldwin et al., 1983; Hanover et al., 1975; Mckey, 1979), 关于华北落叶松受鞘蛾危害产生的诱导抗虫物质和效应持续多少年的问题, 有待今后继续研究, 将会对揭示其抗性规律提供更有益的依据。

参考文献(References)
戈峰, 李典谟, 邱业先, 等. 1997. 松树受害后一些化学物质含量的变化及其对马尾松毛虫种群参数的影响. 昆虫学报, 40(2): 337-342.
黄伟坤, 等. 1989. 食品检验与分析. 北京: 中国林业出版社.
李镇宇, 陈华盛, 袁小环, 等. 1998. 油松对赤松毛虫的诱导化学防御. 林业科学, 34(2): 45-49.
娄永根, 程家安. 1997. 植物的诱导抗虫性. 昆虫学报, 40(3): 320-328. DOI:10.3321/j.issn:0454-6296.1997.03.018
马尾松抗松毛虫抗性研究组. 1990. 马尾松抗松毛虫植株的抗性机制研究. 林业科学, 26(2): 133-140.
钦俊德. 1987. 昆虫与植物的关系—论昆虫与植物的相互作用及其演化. 北京: 科学出版社.
钦俊德. 1995. 昆虫与植物关系的研究进展和前景. 动物学报, 41(1): 12-20. DOI:10.3321/j.issn:0001-7302.1995.01.008
钦俊德, 王琛柱. 1994. 植物对昆虫的化学防御. 百科知识, (2): 36-38.
茹桃勤, 等. 1996. 白榆优良无性系65212对榆毛胸萤叶甲的抗虫性研究. 北京林业大学学报, 18(4): 35-40. DOI:10.3321/j.issn:1000-1522.1996.04.006
孙丽艳, 韩一凡. 1995. 对云斑天牛有不同抗性的杨树品种中化学物质的分析. 林业科学, 31(4): 333-345.
汤德良, 等. 1997. 棉铃虫危害诱导棉花内物质含量变化. 昆虫学报, 40(3): 332-333. DOI:10.3321/j.issn:0454-6296.1997.03.019
王绍卿, 等. 1991. 栗树枝条中酚类化合物含量与抗栗瘿蜂性状的关系. 辽宁林业科技, 2: 48-51.
王金胜, 等. 1994. 实用生物化学技术. 山西高校联合出版社.
张庆贺译.森林生态系统中的食叶性害虫.国外林业, 1994, 24(4): 25~29
中国林业科学研究院分析中心编.现代实用仪器分析方法.北京: 中国林业出版社, 1994
Baldwin I T, Shultz J C. 1983. Rapid changes in leaf chemistry induced by damage :evidence for communication between plants. Science, 221: 277-228. DOI:10.1126/science.221.4607.277
Bernays E A. 1989. Insect-plant Interaction. Boca Raton, CRC Press.
Christisen E, et al. 1987. Resistance of conifers to bark beetle attack :searching for general relationship. For.Ecol.Manag, 22: 89-106. DOI:10.1016/0378-1127(87)90098-3
Hanover J W. 1975. Physiology of tree resistance to insects. Ann.Rev.Entomol, 20: 75-95. DOI:10.1146/annurev.en.20.010175.000451
Mattson W J et al.Defensive strategies of woody plants against different insect-feeding guiding relation to plant ecological strategies and intimacy of association with insect In : W.J.Mattson et al.(eds.): Mechanisms of woody plant defenses against insect : search for pattern.Springer-Verlag, 1988, 3~38
Mckey D.The distribution of secondary compounds within plants.In : Rosenthal G A & Janzen D H (eds.)Herbivores : Their Interaction with Secondary Plant Metabolite.New York : Academic Press, 1979, 55~133
Nebeker T E, et al. 1992. Variation in the constitutive defensive system of loblolly pine in relation to bark beetle attack. For.Sci, 38: 457-466.