2种椰心叶甲寄主植物的叶片防御特性

王剑嵩; 龚治; 阎伟; 彭正强

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2021.03.032

热带作物学报 >

2021 , Vol. 42 >Issue 3: 839 - 846

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2021.03.032

植物保护与生物安全

2种椰心叶甲寄主植物的叶片防御特性

王剑嵩 ¹ ,
龚治 ²^,³ ,
阎伟 ⁴ ,
彭正强 ^,²^,³^,^*

展开

1.海南大学热带作物学院,海南海口 570228
2.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所,海南海口 571101
3.农业农村部热带作物有害生物综合治理重点实验室,海南海口 571101
4.中国热带农业科学院椰子研究所,海南文昌 571339

*彭正强,E-mail：lypzhq@163.com

王剑嵩（1993—）,男,硕士研究生,研究方向：害虫防治。

收稿日期: 2020-02-04

要求修回日期: 2020-05-19

网络出版日期: 2021-03-25

基金资助

海南省重大科技计划项目子课题(ZDKJ201817-1-1-2)

中国热带农业科学院基本科研业务费专项资金项目(1630042019016)

版权

收起

Leaves Defense Characteristics of Two Host Plants of Brontispa longissima (Gestro)

WANG Jiansong ¹ ,
GONG Zhi ²^,³ ,
YAN Wei ⁴ ,
PENG Zhengqiang ^,²^,³^,^*

Expand

1. College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China
2. Environment and Plant Protection Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571101, China
3. Key Laboratory of Integrated Pest Management on Tropical Crops, Ministry of Agriculture & Rural Affairs, Haikou, Hainan 571101, China
4. Coconut Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wenchang, Hainan 571339, China

*PENG Zhengqiang,E-mail：lypzhq@163.com

Received date: 2020-02-04

Request revised date: 2020-05-19

Online published: 2021-03-25

Copyright

Fold

摘要

近年来椰心叶甲[Brontispa longissima (Gestro)]对槟榔的危害逐渐加剧,而寄主植物对入侵害虫椰心叶甲的物理抗性研究鲜有报道。本研究对取自椰子、槟榔的5种叶片的叶绿素、蜡质、维管束、茸毛等物理特性进行研究,揭示椰心叶甲的物理抗性机制。结果表明：椰心叶甲对寄主叶片的取食选择性和产卵选择性之间存在显著的正相关性。叶片叶绿素含量、蜡质含量、叶片维管束埋深均与椰心叶甲取食选择性存在显著的负相关性;叶绿素含量、蜡质含量则与椰心叶甲产卵选择性存在极显著负相关性。这些揭示了叶片蜡质、维管束埋深及叶绿素含量可能是椰子、槟榔等棕榈科植物防御椰心叶甲的重要因子。

关键词： 椰心叶甲; 叶片物理特性; 抗性; 相关性; 寄主植物

本文引用格式

王剑嵩 , 龚治 , 阎伟 , 彭正强 . 2种椰心叶甲寄主植物的叶片防御特性[J]. 热带作物学报, 2021 , 42(3) : 839 -846 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.03.032

Abstract

In recent years, the damage of Brontispa longissima (Gestro) to Areca catechu is increasing gradually, but the study on the physical resistance of host plants to the invasive pest B. longissima is rarely reported. In this study, the physical characteristics of chlorophyll, waxiness, vascular bundle and pubescence of 5 kinds of leaves from coconut and areca were studied to reveal the physical resistance mechanism of B. longissima. There was a significant positive correlation between the feeding selectivity and oviposition selectivity. The correlation between chlorophyll content, wax content, the depth of vascular bundle in the leaves and the feeding selectivity was significantly negative, while correlation between chlorophyll content, wax content and the oviposition selectivity was significantly negative. These results suggest that the wax content, vascular bundle depth and chlorophyll content in the leaves may be important factors for the protection of Palmae such as coconut and areca.

Key words： Brontispa longissima (Gestro); physical characteristics of leaves; resistance; correlation; host plant

植物叶片的物理特性是植物组成抗性的重要组成部分,一般包括叶片表面茸毛、刺、腺体、表皮蜡质、气孔等。研究表明植物叶片物理性质可对植食性昆虫的取食、消化、产卵等行为产生影响^[1,2,3]。比如,棉叶蜡质含量与其螨虫受害级数存在显著负相关性,茸毛稀少的棉花品种对绿盲蝽具有一定抗性;辣椒叶片维管束埋深和颜色与其烟粉虱危害呈负相关性^[4]。由此可见,叶片物理特性是影响植食性昆虫取食、产卵等行为的重要因素。

目前,关于椰子、槟榔等棕榈科植物的叶片物理特性研究鲜有报道。叶片总厚度因在不同低温处理下变化明显,可作为椰子抗寒种质鉴定时的结构指标,并发现海南本地高种椰子的抗寒性比香水椰子强^[5,6]。除了用作抗寒指标外,叶片栅栏组织细胞宽度越大,对椰心叶甲幼虫的发育越有利,但上、下表皮厚度、栅栏组织厚度与椰心叶甲的寄主选择性关系不明显^[7]。另外,寄主植物的海绵组织厚度与椰心叶甲自由取食的取食量呈显著正相关,是影响椰心叶甲寄主选择性的一个重要因素^[7]。然而,关于椰心叶甲寄主植物叶片的叶绿素含量、蜡质含量、茸毛密度以及维管束埋深等物理特性与椰心叶甲的取食选择和产卵选择的关系尚不清楚。

近年来,重大外来入侵害虫椰心叶甲在热带地区棕榈种植区造成巨大危害。椰子、槟榔是其主要寄主植物,研究叶片物理特性对椰心叶甲取食和产卵的影响,可为其筛选抗性品种提供重要线索。本研究通过比较椰子、槟榔的心叶、半展开叶和展开叶的蜡质、维管束、茸毛等物理特性的差异,解析寄主植物对椰心叶甲的物理防御机制。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 叶片的采集和选择于海南省文昌市中国热带农业科学院椰子研究所实验基地内,选取2片环境条件相似的椰子园与槟榔园,分别选取其中椰子树由上而下第1片心叶、第2片半展开叶、第3片展开叶,槟榔树由上而下第1片心叶以及第2片展开叶（注：槟榔树不会同时存在心叶及半展开叶,从形态学角度上发现槟榔树第2片叶片的状态属于展开叶）5种叶片,即椰子心叶、半展开叶、展开叶,槟榔心叶和展开叶作为试验寄主材料。

1.1.2 供试虫源从中国热带农业科学院环境与植物保护研究所（儋州院区）内选取在光周期L∶D=14 h∶10 h,温度为26 ℃,相对湿度为80%的环境下用椰子混合叶片培养的椰心叶甲成虫。

1.2 方法

1.2.1 椰心叶甲对不同寄主的选择性（1）2种寄主不同叶片对椰心叶甲取食选择性的影响。参照何菁等^[4]的方法,并对试验过程进行改进。选用直径为50 cm的自制圆形培养箱,箱子中央留出一圆形空白区域,其余部分均匀分成5等分,分别在每个等分中放入1种叶片,其长度为5 cm,数量为5片,将60头椰心叶甲成虫饥饿处理6 h,放置在培养箱中央空白区域,任由其自由爬行取食,24 h后分别记录5种叶片上的椰心叶甲数量,用相同的方法重复10次实验,并记录分析。

（2）不同寄主对椰心叶甲产卵选择性的影响。试验操作与取食选择性试验基本相同。选择60头产卵期的雌成虫,放置在5等分的培养箱中,任由其自由产卵,48 h后记录叶片上卵的数量,并重复10次。

1.2.2 叶绿素含量测定叶绿素含量测定参照张宪政^[8]的方法,并加以改进。将3种椰子叶片与2种槟榔叶片洗干净后并擦干,分别称取0.1 g的新鲜叶片,剪碎后放入试管中,丙酮乙醇混合液（1∶1混合）10 mL并密封,黑暗处理1周左右,取上清液,待测,在663 nm以及645 nm波长下测定吸光度,试验重复3次。

1.2.3 叶片蜡质含量测定每种叶片选取1 g剪碎放入已称重的烧杯中,烧杯质量记为W₁,加入15 mL氯仿提取1 min,提取液过滤称重。待烧杯内的氯仿完全挥发后第2次称重记为W₂。测定3次取平均值。

1.2.4 叶片茸毛密度测定在1片叶片上段、中段以及下段分别选择1个取样点,各切取1块面积为1.5 cm×1.5 cm的叶片,于解剖镜下计数叶背茸毛。椰子叶片包括心叶、半展开叶和展开叶,槟榔叶包括心叶和展开叶,每种叶片选择5片进行测定,计算平均茸毛数。

1.2.5 叶片维管束埋深测定取上述测定叶片茸毛剩下的叶片做冷冻切片,在显微镜下用显微量尺测量叶片维管束的埋深。

1.3 数据处理

所有数据采用SPSS 22.0统计软件进行分析,不同分组间的均数比较采用单因素方差检验（多重比较采用Duncan’s法）,并对各因子进行Pearson相关性分析和2阶偏相关性分析。

2 结果与分析

2.1 椰心叶甲对不同叶片的选择性

2.1.1 2种寄主不同叶片对椰心叶甲取食选择性的影响通过对椰心叶甲成虫在5种叶片上的取食选择性进行测定,结果表明：椰心叶甲对5种叶片的取食选择性存在显著差异,表现出对心叶的偏好性。椰心叶甲对椰子心叶的选择性最强（P<0.01）,对槟榔心叶的选择性次之（P<0.01）;对椰子展开叶和槟榔展开叶的选择性最低,且二者之间无显著差异（P=0.609>0.05）。总的来说,椰心叶甲对5种叶片的选择顺序是：椰子心叶>槟榔心叶>椰子半展开叶>槟榔展开叶≌椰子展开叶（图1）。

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图1 椰心叶甲对5种不同叶片的取食选择

1：椰子心叶;2：椰子半展叶;3：椰子展开叶;4：槟榔心叶;5：槟榔展开叶。不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。

Fig. 1 Selection of five different leaves to B. longissima

1: Coconut unspread leaves; 2: Coconut half expansion leaves; 3: Coconut expansion leaves; 4: Areca unspansion leaves; 5: Areca expansion leave. Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments (P<0.05).

2.1.2 2种寄主不同叶片对椰心叶甲产卵选择性的影响椰心叶甲对5种叶片的产卵选择性具有显著性差异,并偏向于在心叶上产卵。椰心叶甲在椰子心叶、槟榔心叶和椰子半展开叶上的产卵数量显著多于椰子展开叶和槟榔展开叶上的产卵数量（P<0.01）;椰子心叶、槟榔心叶和椰子半展开叶上的产卵数量之间无显著差异;椰子展开叶和槟榔展开叶上的产卵数量间也无显著差异。按照产卵数量的多少,其顺序依次是：椰子心叶≌槟榔心叶≌椰子半展开叶>椰子展开叶≌槟榔半展开叶（图2）。

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图2 椰心叶甲对5种不同叶片的产卵选择

1：椰子心叶;2：椰子半展叶;3：椰子展开叶;4：槟榔心叶;5：槟榔展开叶。不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。

Fig. 2 Oviposition selection of five different leaves to B. longissima

通过与前面取食选择性结果进行Pearson相关性分析,显示出椰心叶甲对叶片的取食选择性和产卵选择性之间存在相关性,并且呈极显著的中度正相关性,相关系数r=0.7279,P=0.000<0.01,其一元线性回归方程为：y=0.1843x+0.8479（图3）。椰心叶甲的产卵选择性与其取食选择性相一致。

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图3 椰心叶甲取食选择与产卵选择间的相关性

Fig. 3 Correlation between feeding selection and oviposition selection of B. longissimi

2.2 叶绿素含量测定

叶绿素含量是判断植物叶片颜色的重要指标。通过对5种不同叶片的叶绿素含量测定,结果发现不同叶片之间叶绿素含量存在显著差异。叶绿素含量最高的是椰子展开叶和槟榔展开叶,分别为1.9742 mg/g和1.9332 mg/g,显著高于其他3种叶片（P<0.01）;其次是椰子半展开叶和槟榔心叶,含量分别为0.6464 mg/g和0.5511 mg/g,含量最低的为椰子心叶,含量为0.2015 mg/g（图4）。

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图4 5种不同叶片的叶绿素含量

1：椰子心叶;2：椰子半展叶;3：椰子展开叶;4：槟榔心叶;5：槟榔展开叶。不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。

Fig. 4 Chlorophyll content of five different leaves

2.3 叶片蜡质含量测定

5种叶片之间的叶片表面蜡质含量存在显著差异,蜡质含量最高的是槟榔展开叶（113.3422 mg/g, P<0.01）,蜡质含量最低的是椰子心叶（8.6937 mg/g, P<0.01）。5种叶片蜡质含量顺序为：椰子心叶<椰子半展开叶<椰子展开叶<槟榔心叶<槟榔展开叶（图5）。

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图5 5种不同叶片的蜡质含量

1：椰子心叶;2：椰子半展叶;3：椰子展开叶;4：槟榔心叶;5：槟榔展开叶。不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。

Fig. 5 Wax content of five different leaves

2.4 叶片维管束埋深测定

叶片维管束埋深最大的是椰子半展开叶（P<0.01）,维管束埋深最小的是槟榔心叶（P<0.05）。椰子展开叶和槟榔展开叶的维管束埋深差异不显著（P=0.887>0.05）,二者与其他不同叶片之间的维管束埋深差异显著（P<0.05）。按照维管束埋深的深浅,对5种叶片进行排序为：椰子半展开叶>椰子展开叶≌槟榔展开叶>椰子心叶>槟榔心叶（图6）。

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图6 5种叶片的维管束埋深

1：椰子心叶;2：椰子半展叶;3：椰子展开叶;4：槟榔心叶;5：槟榔展开叶。不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。

Fig. 6 Vascular burial depth of five kinds of leaves

2.5 叶片茸毛密度测定

5种叶片中,槟榔叶的单位面积茸毛数量均高于椰子叶的,其中槟榔展开叶和槟榔心叶的单位面积茸毛数量分别是2.79根/cm²和2.64根/cm²;而椰子心叶、椰子展开叶和椰子半展开叶的单位面积茸毛数量分别是1.48根/cm²、1.96根/cm²和2.40根/cm²。椰子心叶与椰子半展开叶的单位面积茸毛数量存在显著差异（P<0.01）（图7）。

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图7 5种叶片的茸毛密度

1：椰子心叶;2：椰子半展叶;3：椰子展开叶;4：槟榔心叶;5：槟榔展开叶。不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。

Fig. 7 Density of tomentum in five kinds of leaves

2.6 相关性分析

昆虫的取食和产卵特性往往和寄主植物叶片的物理性质相关。本研究中,椰心叶甲对寄主叶片的取食选择性与叶片叶绿素含量（r=‒0.782,P=0.000<0.01）、蜡质含量（r=‒0.609, P=0.000< 0.01）、单位面积茸毛数量（r=‒0.374, P=0.007< 0.01）存在极显著的中度负相关性,与叶片的维管束埋深（r=‒0.336, P=0.017<0.05）存在中度负相关性（图8）;而椰心叶甲的产卵选择性与叶片的叶绿素含量（r=‒0.739, P=0.000<0.01）、蜡质含量（r=‒0.501, P=0.000<0.01）存在极显著的中度负相关性,与单位面积茸毛数量和维管束埋深之间无相关性（图9）。

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图8 叶片物理特性与椰心叶甲取食选择性的相关性

Fig. 8 Correlation between physical characteristics of leaves and feeding selectivity of B. longissima

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图9 叶片物理特性与椰心叶甲产卵选择性的相关性

Fig. 9 Correlation between physical characteristics of leaves and oviposition selectivity of B. longissima

另外,相关性分析结果还显示叶绿素含量与蜡质含量具有极显著的中度正相关（r=0.418, P=0.000<0.01）,与茸毛密度呈较弱的正相关（r=0.177, P=0.036<0.05）,而与维管束埋深无相关性（r=0.097, P=0.222>0.05）。叶片蜡质含量还与茸毛密度具有极显著的中度正相关性（r= 0.371, P=0.000<0.01）,与维管束埋深具有较弱的负相关性（r=‒0.173, P=0.029<0.05）。茸毛密度与维管束埋深之间无相关性（r=‒0.005, P= 0.955>0.05）。

此外,偏相关性分析结果显示：在去除产卵选择性因素的情况下,单位面积茸毛数量与椰心叶甲取食选择性相关性不大（P=0.06>0.05）,而叶片的叶绿素含量、蜡质含量、维管束埋深则是影响椰心叶甲取食选择的重要因素;而去除取食选择性因素后,椰心叶甲产卵选择性与叶片蜡质含量的相关性不大（P=0.468>0.05）,而叶片的叶绿素含量则是影响其产卵选择的主要影响因子（P=0.005<0.01）。

总体来说,椰心叶甲寄主叶片的叶绿素含量、蜡质含量、维管束埋深是影响其取食和产卵的重要影响因子。

3 讨论

本研究通过比较椰子和槟榔的心叶、半展开叶、展开叶的叶绿素、蜡质、维管束、茸毛等物理特性的差异,解析寄主植物对椰心叶甲的物理防御机制。研究发现叶片蜡质、维管束埋深及叶绿素含量与椰心叶甲的取食和产卵选择特性相关,可能是椰子、槟榔等棕榈科植物防御椰心叶甲的重要因子。

在寄主植物的叶片物理特性中,叶绿素是植物抗逆生理特性的重要指标之一,也是植物与植食性动物关系中最重要的参数之一^[9]。叶片叶绿素含量可因昆虫取食、营养缺乏和病原体感染而减少^[10];同时,叶绿素也是某些昆虫特殊行为的重要诱发因素。例如叉角厉蝽的长鼻突出行为与其寄主的(E)-植物醇相关^[11]。另外,何菁等^[4]研究发现烟粉虱成虫数量与叶片颜色存在显著负相关性,并且叶片颜色在烟粉虱寄主选择前期起主要作用,而且当烟粉虱取食后还可诱导叶绿素含量上升^[12]。郭薇等^[13]报道广聚萤叶甲成虫产卵数量与叶绿素b含量呈显著的正相关性,并据此推测该虫可能以视觉识别叶片颜色来选择和定位产卵。王庆森等^[14]分析了不同抗虫茶树品种新梢叶绿素含量与黑刺粉虱选择性的关系,发现抗虫性较强的茶树新梢叶绿素含量较高,反之则较低。本研究中5种不同叶片之间叶绿素含量存在显著差异,而且叶绿素含量与椰心叶甲的取食偏好性和产卵偏好性存在显著的负相关性。这与郭薇等^[13]的研究结果相反,但与何菁等^[4]、王庆森等^[14]的研究结果相似。这表明椰心叶甲取食选择和产卵选择可能不依赖视觉,而是以嗅觉或是味觉为主,其具体机制还有待后续研究。此外,李传明等^[12]研究揭示辣椒体内的营养物质和次生代谢物质（如酚类化合物、黄酮类化合物等）共同影响烟粉虱的取食选择。然而本研究中未对椰心叶甲寄主植物叶片的次生代谢物进行测定,这有待后续深入研究。

高等植物的叶表角质膜外通常覆盖着一层蜡质薄层。这一薄层由表皮细胞的分泌物沉积而成,被称为上表皮蜡层（epicuticular wax）或蜡被（wax coating）^[15]。蜡质层的主要作用是防止水分流失,但其物种特异性的化学成分和多变的晶体形态,说明蜡质还具有包括调节植物和昆虫之间的相互作用等生态功能^{[2, 16]}。比如,刘凯扬等^[2]发现棉叶表面蜡质含量与叶片受害级数存在显著负相关,高抗螨棉花种质材料叶片蜡质中烷烃类与酯类组分的含量均高于高感螨材料。李昌盛等^[17]报道在麦蚜发生高峰期,蜡质含量与小麦叶色、叶毛长度、叶毛密度和穗密度等因子与抗蚜性呈显著负相关。而何菁等^[4]报道辣椒叶片蜡质含量与烟粉虱成虫量间无显著相关性。本研究中,5种不同叶片的蜡质含量存在显著差异,且与椰心叶甲的取食选择性和产卵选择均呈显著的负相关性。这与刘凯扬等^[2]、李昌盛等^[17]的研究结果相似,但与何菁等^[4]的研究结果不一致。推测叶片蜡质含量的提高增加了椰心叶甲对叶片的取食难度,使得椰心叶甲不易啃食,同时蜡质成分可能对椰心叶甲的生长繁殖具有抑制作用。具体是何种蜡质成分还有待后续的深入研究。

植物叶片中维管束富含极高的营养物质,是植食性昆虫成活的关键之一。维管束埋深常与昆虫的取食选择呈一定的相关性^[18]。比如叶片维管束埋深与蚜虫种群趋势指数在花粒期呈显著的负相关,即维管束埋深越深,品种抗蚜性越强,这可能与蚜虫刺吸取食维管束汁液的难易程度有关^[19]。另外,也有研究表明烟粉虱成虫数量与辣椒叶片的维管束埋深之间存在显著的负相关性^[4]。本研究发现椰心叶甲对5种叶片的取食选择与叶片的维管束埋深呈显著的负相关性,而椰心叶甲的产卵选择与维管束埋深之间无相关性。维管束埋深越深,椰心叶甲获得维管束内的营养成分就越难,尤其是低阶段的幼虫。

茸毛是评价抗虫性强弱的重要指标之一。不同植物或者同种植物的不同部位都可形成不同的形态、长度和密度等的茸毛,而且不同的茸毛也可表现出不同的功能。比如在不同黄瓜品种间,叶片茸毛长度与虫量呈高度负相关,茸毛密度与虫量则呈高度正相关;在同一品种内不同生长部位叶片上的茸毛长度与茸毛密度与该部位叶片上的虫量呈高度正相关^[20]。但也有研究指出茸毛密度与害虫取食选择呈显著负相关^{[3, 21]}。本研究发现槟榔叶的单位面积茸毛数量均要高于椰子叶的,并且茸毛密度与椰心叶甲的取食偏好性呈显著负相关性,但与椰心叶甲的产卵行为无相关性。推测椰心叶甲对寄主植物叶片茸毛具有一定的耐受性,但其具体机制还需进一步深入研究。

本研究通过对5种叶片的叶绿素、蜡质、维管束、茸毛等物理特性的研究,阐述了椰子、槟榔叶片在物理特性上的异同,初步揭示了椰子、槟榔对椰心叶甲的物理抗性,并在一定程度上解释了椰心叶甲偏好心叶的原因。这为椰子等棕榈植物筛选椰心叶甲抗性品种提供了参考。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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