施硅增强水稻对褐飞虱抗性的机制
褐飞虱Nilaparvata lugens(St(a)l)是水稻上的重要害虫之一，连年暴发危害对我国及其他亚洲国家水稻生产造成严重威胁。改善栽培措施是害虫综合治理中重要的技术措施。已有报道，施硅能增强水稻对褐飞虱的抗性，但抗性增强的机制尚不明确。基于此，本文采用感虫水稻品种TN1，设置施硅处理和不施硅对照，从施硅对褐飞虱适合度和种群增长的影响、施硅对褐飞虱取食行为的影响、施硅对水稻抗虫性防御反应的影响和施硅对水稻组织形态特性的影响等方面研究了施硅增强水稻抗褐飞虱的害虫种群生物学、害虫行为学、植物抗虫生理学和植物组织形态学机制，旨在为采用施用硅肥进行褐飞虱生态调控提供理论依据。主要研究结果如下: 1施硅对褐飞虱适合度和种群增长的影响。对25日龄盆栽稻苗设置3个盆栽土壤施硅水平（按有效成分Si计算）:对照（不施硅;0g Si/kg土壤）、0.16 g Si/kg土壤、0.32gSi/kg土壤，稻苗40日龄时采用种群生物学方法测定施硅对褐飞虱适合度和种群增长的影响。结果表明，相对于对照，硅处理水稻上褐飞虱的若虫存活率降低、发育历期延长，成虫寿命、产卵量和性比降低。同时，施硅显著降低褐飞虱种群的内禀增长率、周限增长率和净增殖率，缩短平均世代周期，延长种群加倍时间。施硅对褐飞虱种群增长具有抑制作用，这从害虫种群生物学角度阐明了施硅增强水稻对褐飞虱抗性的机制。 2.施硅对褐飞虱取食行为的影响。实验设置与施硅对褐飞虱适合度和种群增长的影响一样，采用parafilm小袋法测定褐飞虱的取食量，采用刺吸电位图(Electrical penetration graph，EPG)监测褐飞虱成虫的取食行为。发现褐飞虱成虫对硅处理水稻的取食选择性显著低于对照水稻，其在施硅水稻上的蜜露分泌量（取食量）也显著低于在对照水稻上的分泌量。EPG测定表明，褐飞虱在硅处理与对照水稻上的取食行为存在差异。在施硅水稻上，褐飞虱的未取食波(np)、口针开始刺入植物组织(Nc)的总持续时间比在对照水稻上延长，口针刺入韧皮部(N4a)和取食韧皮部汁液(N4b)的总持续时间显著低于在对照水稻上的数值;首次np的持续时间、从开始刺食到首次发生N4a的时间均显著长于对照。这些结果表明，施硅对褐飞虱的取食行为产生了不利影响，这是施硅增强水稻对褐飞虱抗性的害虫行为学机制。 3.施硅对水稻抗虫性防御反应的影响。设置2个水培营养液施硅水平（按有效成分Si计算）:0、112 mg Si/L营养液，10日龄稻苗接受施硅处理，30日龄稻苗接虫，褐飞虱取食0、24、48、72、96h后取样用于测定各种植物生理指标。研究发现，褐飞虱取食后，+Si处理水稻叶鞘CAT活性直到72h一直下调，-S1处理直到48h也呈下调趋势，褐飞虱取食96h时，+Si处理水稻叶鞘CAT活性出现急剧上升，而-Si处理CAT活性出现进一步的下降;接虫24、48和96h时，CAT活性+Si处理都显著高于-S1处理。褐飞虱取食后，SOD活性+Si处理呈稳定上升的趋势而-Si处理中呈持续下降的趋势;接虫48、72和96h时，SOD活性+Si处理显著高于-Si处理。叶鞘POD的活性+Si和-Si处理中呈相同的变化趋势;接虫48h时，+Si和-Si处理叶鞘POD的活性都达到最大值，且+S1处理显著高于-Si处理。+Si处理时水稻叶鞘PPO活性在取食0-24h时显著上升，在48h时出现显著降低。相反，-Si处理时PPO活性各取食时间段没有明显变化。接虫24h时，+Si处理水稻叶鞘PPO活性显著高于-Si处理。接虫96h时，PPO活性+Si处理显著低于-Si处理。+Si和-Si处理水稻叶鞘PAL活性有相同的变化趋势;接虫48、72h时，+Si处理的水稻叶鞘PAL活性显著高于-Si处理。+Si和-Si处理水稻叶鞘β-1，3-葡聚糖酶活性也呈相同的变化趋势;接虫24、48和72h时，+Si处理的水稻叶鞘β-1，3-葡聚糖酶活性显著高于-Si处理。褐飞虱取食，对MDA含量增加起促进作用，+Si处理水稻叶鞘MDA含量变化相对较小，而-S1处理水稻叶鞘MDA含量在48-72h和72-96h时出现显著增加。接虫48、72和96h时，MDA含量-Si处理显著高于+Si处理。褐飞虱取食后，+Si和-Si处理水稻叶鞘H2O2含量都增加了，在48h时达到峰值;接虫24、48和96h时，H2O2含量+S1处理显著高于-Si处理。这表明，褐飞虱取食胁迫诱导水稻的防御反应，施硅可在一定程度上放大这种诱导防御反应，导致取食施硅水稻的褐飞虱的适合度下降、种群增长受阻，从而增强水稻对褐飞虱的抗性。 4.施硅对水稻组织形态特性的影响。实验设置与施硅对水稻抗虫性防御反应的影响的类似。利用扫描电镜和石蜡切片染色技术，测定褐飞虱取食96h后水稻叶鞘中的硅细胞的组织形态特性和24、48、72、96h后韧皮部筛管中胼胝质的沉积状况;利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)技术，分析褐飞虱取食0、3、6、12、24、48、72、96h后水稻叶鞘中胼胝质合酶基因（OsGSL1）和胼胝质降解酶基因（GNS5）的相对表达量。结果发现，施硅显著增加水稻稻茎中硅含量，每1 mm2里硅细胞列数、每列硅细胞个数、硅细胞面积、硅细胞长度、硅细胞宽度+Si处理都显著高于-Si处理。无论施硅与否，水稻叶鞘中有胼胝质沉积的筛管数量随褐飞虱取食时间的延长呈现先增加后降低的动态变化;褐飞虱取食24和48h后，施硅水稻叶鞘中胼胝质数量显著高于不施硅处理。胼胝质形成受到胼胝质合成酶基因和β-1，3-葡聚糖酶基因的调控，胼胝质合酶基因OsGSL1在施硅处理中相对表达量高于不施硅处理，而胼胝质降解酶（β-1，3-葡聚糖酶）基因GNS5在施硅处理中相对表达量低于不施硅处理。施硅导致的水稻硅含量和硅化程度增大，可增强对褐飞虱取食的物理阻碍作用，这使得褐飞虱取食量下降、np和Nc总持续时间延长;施硅引起的胼胝质沉积的增多可进一步阻止褐飞虱取食、降低N4b的总持续时间。施硅引起的水稻组织形态上的这些变化也会使得褐飞虱的适合度下降、种群增长受阻，从而增强水稻对褐飞虱的抗性。
水稻;硅肥;褐飞虱;生态调控
中国农业科学院
硕士
植物保护
侯茂林
2017
中文
S511;S433.3
67
2018-01-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）