摘要：本研究为探索高粱蚜与不同生长阶段高粱的相互作用，比较分析不同生长阶段高粱表皮蜡质含量和糖含量变化对高粱蚜定殖与取食的影响，选用2周龄和6周龄高粱评估高粱与高粱蚜的相互作用。通过刺吸电位技术（EPG）监测蚜虫的取食行为发现，高粱蚜在6周龄高粱的筛元件阶段花费更多时间。然而，通过蚜虫取食选择观察到2周龄高粱上蚜虫种群数量高于6周龄高粱。对蜡质和糖分含量进一步差异分析表明，α-胰蛋白酶和异硼苷含量仅在6周龄高粱中增加，而海藻糖含量在2周龄和6周龄高粱中均显著提高。此外，蚜虫取食导致了2周龄高粱的蔗糖含量下降，而葡萄糖和果糖含量增加。本研究表明，植物年龄是决定高粱蚜取食行为的关键因素，而三萜类化合物和有效糖含量的变化则影响蚜虫的定殖。

关键词：蚜虫；植物防御

文 章 信 息

译名：高粱表皮糖及蜡质含量对高粱蚜（Melanaphis sacchari）在其不同生长阶段的定殖影响

发表时间：2023年03月02日

期刊影响因子：4.3（2023）

第一单位：内布拉斯加大学林肯分校昆虫学系

通讯单位：美国农业部—农业研究服务，国家农业利用研究中心，生物能源研究单位

文 章 亮 点

1.与6周龄高粱相比，高粱蚜（Melanaphis sacchari）更喜在2周龄高粱上定殖。

2.高粱蚜（Melanaphis sacchari）取食显著增加6周龄高粱表皮三萜类化合物的积累。

3.高粱蚜（Melanaphis sacchari）取食后，2周龄和6周龄高粱海藻糖含量显著增加。

文 章 简 介

1 研究意义

  随着高粱蚜（Melanaphis sacchari；SCA）的大规模发生，高粱作物产量和品质严重下降，农业生产迫切需要探索一条经济绿色的防治方法，以应对蚜虫对农业生产的危害。寄主植物抗性（HPR）是在田间控制SCA种群的一种防治策略。HPR可以利用害虫的生态学和生物学特性，从而开发出对环境更友好、对害虫更有效的控制机制。SCA防治面临的最大挑战之一是其繁殖能力极强及其高度分散性。它可在美国南部的营养生长期和美国北部的繁殖期于同一年内定殖高粱。因此，了解SCA定殖时间对于优良害虫防治至关重要。已有研究表明，高粱不同发育阶段会影响SCA种群数量，并且是了解其生物学和生态学的重要因素。在接近生殖阶段（约6周龄）植株上，SCA种群几乎是处于营养阶段（约2周龄）植株的2.5倍，这表明需要在田间及时防治SCA。然而，对影响SCA定殖能力的HPR因素的了解较少。

  植物表皮蜡质参与植物的多种过程，包括植物对抗植食性害虫。已有研究表明，表皮蜡对植物抵御蚜虫有显著效果，可通过改变蚜虫的粘附性及蚜虫活动进而达到抗性效果。植物韧皮部是糖类和其他营养物质的丰富来源，也是蚜虫的主要取食场所。本研究为探索高粱表皮胼胝质积累、蜡质及糖如何影响SCA的取食行为和在高粱不同生长阶段的定殖能力，采用刺吸电位技术（Electrical penetration graph，EPG）监测SCA在不同生长阶段高粱植株上的取食行为，同时监测胼胝质脱氢酶编码基因的表达，并测定角质层蜡的化学组成及糖含量，评估胼胝质积累、表皮蜡质和糖类如何影响SCA在高粱不同发育阶段的取食行为和定殖情况。

2 研究方法

2.1 供试植物

  本研究供试植物为高粱（Sorghum bicolor）。高粱种子播种于蛭石和珍珠岩混合的土壤，置于内布拉斯加大学林肯分校（UNL）温室中（光照周期为16 h/8 h，温度25℃，相对湿度50-60%）培养，分别取2周龄和6周龄植株进行试验。

2.2 供试虫源

  试验蚜虫为高粱蚜SCA（Melanaphis sacchari），置于恒温恒湿生长室用高粱植株维持其种群，培养条件为昼夜=16 h/8 h、光质量140 µE m⁻² s⁻¹、温度23℃及相对湿度50-60%。蚜虫生长期间及时更换新鲜高粱植株。

2.3 试验方法

  试验分别选用2周龄和6周龄高粱进行蚜虫受害。随机放置2周龄和6周龄高粱16株，并接种5头无翅高粱蚜成虫进行取食。分别将蚜虫接种于2周龄植株的叶近轴侧及6周龄植株的叶轮顶部，待蚜虫稳定取食后，用透明玻璃纤维织物通风的管状塑料笼住2周龄植株顶部，用布袋罩住6周龄植株。待蚜虫取食10 d后统计蚜虫数量，测定蚜虫在两个发育阶段高粱上的生长发育及存活率。收集蚜虫取食后的高粱植株，以未接种蚜虫2周龄及6周龄植株为对照组，样品置于－80℃冰箱保存，以测定植株蜡质含量和糖含量。

  选择2周龄和6周龄的高粱植株监测SCA取食行为，在温度为22-24℃、相对湿度为40-45%及连续光照的试验条件下进行EPG试验。在法拉第笼中随机放置4株同龄植株进行记录，EPG记录在当地时间上午8点至上午10点之间开始。每个发育阶段重复14次，记录8 h。

3 研究结果

3.1不同生长阶段高粱上SCA的存活及繁殖情况

      SCA取食10 d后，与6周龄高粱相比，2周龄高粱上SCA存活率和繁殖率更高，2周龄高粱上SCA数量大约是6周龄高粱的两倍（平均数量=421.3）（Fig. 1）。

3.2 不同生长阶段高粱对SCA取食行为的影响

  图2A为2周龄和6周龄高粱上SCA取食的代表性EPG波形变化。与2周龄高粱相比，SCA在6周龄高粱上的筛元件阶段花费更长时间，而花更少时间在路径阶段（Fig. 2B）。两个龄期高粱间的木质部和非探测阶段没有发现显著差异。

  与2周龄高粱相比，SCA更快在6周龄高粱韧皮部取食，表明SCA更喜取食发育后阶段高粱（Fig. 3A）。在两个发育阶段间，蚜虫首次探测的时间和电位下降的数量无显著差异（Fig. 3B）。蚜虫在2周龄和6周龄的高粱上几乎同时开始快速探测以及进行一致数量的探测尝试（Fig. 3B）。对蚜虫取食两个发育阶段高粱的E1期、唾液期、E2期、被动取食期及过渡期进行详细分析得出，SCA在6周龄高粱上的被动摄食阶段花费了更多时间进行取食，且6周龄高粱比2周龄高粱多约1 h（Fig. 3C）。

3.3 SCA取食对不同生长阶段高粱胼胝质沉积的影响

  分析高粱愈伤葡聚糖合酶、葡聚糖合酶和β-1，3葡聚糖酶3个合成酶基因的表达得出，与对照植物相比，尽管SCA取食显著诱导了2周龄和6周龄高粱中胼胝质合成酶基因的表达，但SCA取食10 d后两个生长阶段高粱的转录物表达之间没有显著差异。此外，葡聚糖合酶和β-1，3葡聚糖酶基因的表达在2周龄和6周龄高粱中基本一致。因此，SCA取食对2周龄和6周龄高粱中胼胝质沉积无显著影响（Fig. S1）。

3.4 SCA取食对不同生长阶段高粱中α-香树脂醇和异香豆素含量的影响

      SCA取食10 d后，与2周龄高粱相比，6周龄高粱中α-香树脂醇和异香豆素的含量显著增加（Fig. 4）。与对照植物相比，在2周龄和6周龄高粱中共检测到15种化合物，且在2周龄和6周龄植株上，丰度最高的化合物均为脂肪醇和三萜类化合物（Fig. 4）。只有在6周龄植株中，三萜类化合物α-香树脂醇和异香豆素含量显著增加（Fig. 4A，B）。2周龄植株在受到蚜虫取食后，其蕨烯酮丰度降低（Fig. 4C）。尽管与对照组比较并未观察到其他成分存在显著差异，但与SCA取食2周龄高粱相比，在6周龄高粱中检测到的9种化合物显著较高（Fig. S2）。SCA取食后，2周龄高粱表皮蜡成分降低，而6周龄高粱表皮蜡成分升高（Fig. S2）。

3.5 SCA取食对不同生长阶段高粱糖含量的影响

      SCA取食均显著提高2周龄和6周龄高粱的海藻糖含量，但蔗糖含量显著降低（Fig. 5A）。与对照相比，葡萄糖和果糖含量仅在2周龄高粱中显著升高（Fig. 5B，D）。SCA取食后2周龄高粱中棉子糖含量显著降低，而6周龄高粱中水苏糖含量显著降低（Fig. 5E，F）。

4 讨论

  本研究主要探究了营养阶段（2周龄）高粱和生殖阶段（6周龄）高粱对高粱蚜取食行为及定殖能力的影响。基于本研究结果得出，植物可能具有表皮和韧皮部防御机制，以保护筛管的完整性并阻碍蚜虫获取营养物质。EPG技术监测显示，高粱蚜在6周龄植株的韧皮部摄取花费了较长时间，且在被动摄食阶段花费的时间也较长。结果还表明，与2周龄高粱相比，SCA在6周龄高粱上能相对更快定位到所需的营养物质，考虑到植株体积更大，蚜虫定位到韧皮部可能更容易。然而，选择取食试验的结果显示，SCA在营养生长阶段高粱上的种群数量更高，这一结果与先前的研究结果相矛盾。因此，该研究表明蚜虫的种群数量变化与高粱的不同生长阶段相关。这也可能是不同高粱基因型影响的结果，但需要更进一步探索验证，以评估植物年龄对蚜虫繁殖力的影响。

      本研究还测定并分析SCA取食对不同生长阶段高粱表皮蜡质含量及糖分含量的影响。已有研究表明，植物表皮蜡质含量会影响蚜虫的取食偏好和定殖能力。此外，有研究发现，高粱不同生长阶段的表皮蜡质组成和覆盖情况存在差异。本研究中，在营养生长阶段（2周龄），高粱表皮蜡质的覆盖度较高，但单个蜡质成分的丰度较低。相比之下，接近生殖生长阶段（6周龄）的高粱，其表皮蜡质的覆盖度较低，但蜡质成分的丰度较高。这表明，随着植物的成熟，蜡质的组成会发生变化，这可能会影响植物与昆虫（如蚜虫）之间的相互作用。此外，有最新研究表明，蜡质成分中的特定物质，如16-单酰甘油和长链32碳醇，可能会影响SCA对宿主植物的选择，这些蜡质成分的晶体结构可能进一步促进了它们在植物-蚜虫相互作用中的媒介作用。

  此外，本研究还发现，相比于2周龄高粱，当SCA取食后6周龄高粱中α-香树脂醇和异香豆素两种三萜类化合物含量增加。已有研究表明，三萜类化合物为影响昆虫—植物相互作用的关键因素，特别是某些三萜类衍生物对昆虫有生长抑制作用，而α-香树脂醇对某些昆虫具有毒性或驱避作用。因此，本研究推测6周龄高粱上SCA的繁殖力降低可能是由于三萜类化合物含量增加所致。研究还发现，当SCA取食时，2周龄高粱的蜡质生物合成相比于6周龄高粱有所减少，这表明高粱的蜡质生物合成能力存在年龄相关的变化。然而，尽管这些发现揭示了植物蜡质组成和SCA繁殖之间的关系，以及这些关系如何随植物年龄而变化，但关于这些变化如何具体影响SCA的繁殖机制，仍需要更进一步的研究。

  最后，本研究发现，在受到SCA取食后，2周龄和6周龄高粱的海藻糖含量均显著增加，而海藻糖是一种对蚜虫取食产生反应的代谢产物。有研究表明，海藻糖对SCA具有毒性作用。结果显示2周龄对照植物的蔗糖含量显著高于6周龄对照植物，但在SCA取食后，蔗糖含量仅在2周龄高粱中大幅下降。然而，SCA取食后的蔗糖含量与6周龄对照和受害高粱的数据相似，这表明蔗糖含量可能是影响选择试验中SCA种群数量的因素之一。此外，SCA取食的2周龄高粱中蔗糖的减少与葡萄糖和果糖含量的增加相一致。尽管如前所述，6周龄高粱上的蚜虫数量较少，但SCA取食提高了6周龄高粱中的三萜类化合物含量，与2周龄高粱相比，可能产生了更强的抗性作用。此外，与2周龄高粱相比，6周龄高粱上SCA数量的减少可能不足以更大程度的改变糖代谢。

5 主要结论

  本研究描述了不同生长阶段高粱对高粱蚜取食为害的防御反应。结果表明，6周龄高粱上蚜虫种群数量比2周龄高粱少，蚜虫在6周龄高粱的筛元件阶段花费时间更多。在表皮蜡质化合物和糖含量变化中，2周龄和6周龄高粱的海藻糖含量均显著增加，但α-香树脂醇和异香豆素含量仅在6周龄高粱中增加。此外，蚜虫取食显著降低2周龄高粱的蔗糖含量，但增加了葡萄糖和果糖含量。综上所述，高粱表皮的蜡质组成和糖分含量会随着生长阶段的变化而改变，进而影响蚜虫在宿主植物上的取食偏好和定殖。本研究结果对于理解植物与昆虫之间的相互作用以及制定作物防治策略具有重要意义。

Reference：

Cardona, J. B., Grover, S., Bowman, M. J., Busta, L., Kundu, P., Koch, K. G., Louis, J. (2023). Sugars and cuticular waxes impact sugarcane aphid (Melanaphis sacchari) colonization on different developmental stages of sorghum. Plant Science, 330, 111646.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2023.111646

本期分享来自2022级农艺与种业专业硕士研究生姜鑫