文章信息
- 范丽华, 牛辉林, 张金桐, 刘金龙, 杨美红, 宗世祥
- FAN Lihua, NIU Huilin, ZHANG Jintong, LIU Jinlong, YANG Meihong, ZONG Shixiang
- 脐腹小蠹聚集信息素的提取鉴定和引诱效果
- Extraction and identification of aggregation pheromone components of Scolytus schevyrewi Semenov(Coleoptera: Scolytidae) and trapping test
- 生态学报, 2015, 35(3): 892-899
- Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(3): 892-899
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201311032656
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文章历史
- 收稿日期:2013-10-30
- 网络出版日期:2014-07-07
2. 宁夏哈巴湖国家级自然保护区管理局高沙窝管理站, 盐池 751501;
3. 北京林业大学省部建森林培育与保护教育部重点实验室, 北京 100083
2. Gaoshawo Management Station of Ningxia Habahu Natural Reserve, Yanchi 751501, China;
3. Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
自2008年以来,宁夏盐池县的白榆Ulmus pumila L. 林遭受了脐腹小蠹Scolytus schevyrewi Semenov的严重危害,出现了成片白榆干枯死亡的现象[1, 2],严重影响到了林区的生态环境,该县环境保护与林业局森防站实施了打农药、挂药液瓶和砍伐被害树干等多项措施,但效果终不理想。
为尽快地控制脐腹小蠹对白榆林的危害蔓延,依据一种仿生学原理,找到该害虫的聚集信息素,采用集中诱杀的技术,实现对脐腹小蠹的有效控制[3]。目前,有几十种小蠹聚集信息素成分已被鉴定[4, 5, 6, 7, 8],研究大多是关于为危害针叶树的小蠹[9, 10, 11, 12],对危害阔叶树小蠹的聚集信息素研究很少,只涉及到4种小蠹,分别为杏树小蠹S. amygdali[13],山毛榉双色小蠹Taphrorychus bicolor[14],欧洲榆小蠹S. multistriatus[15, 16, 17, 18],欧洲大榆小蠹S. scolytus[17, 19],其中危害榆树的两种小蠹虫欧洲榆小蠹和欧洲大榆小蠹的聚集信息素成分,不同的人研究结果是不同的,甚至相同的人在不同时间发表的物质成分是不同的。对欧洲榆小蠹的聚集信息素物质而言,Gore等认为有3种成分[15],分别为4-甲基-3-庚醇、α-波纹小蠹素(5-乙基-2,4-二甲基-6,8-二羟二环[3.2.1]辛烷)和α-荜澄茄油烯;Cuthbert and Peacock[16]认为欧洲榆小蠹的聚集信息素为1-庚醇、波纹小蠹素和荜澄茄油烯3种成分;Blightet等[17]认为只有4-甲基-3-庚醇1种成分;Dickenset 等[18]认为应是己醛和1-己醇二种成分。对欧洲大榆小蠹的聚集信息素而言,Blightet 等[19]认为其成分为苏-4-甲基-庚-3-醇、庚-3-醇和α-苏-4-甲基-波纹小蠹素3种物质;Blightet 等[17]则认为只有4-甲基3-庚醇1种成分。
小蠹的聚集信息素是由其虫体产生,并能引起雌、雄两性同种昆虫聚集行为反应的化学物质[5],这些物质一般在其消化系统中产生[20]。测定昆虫对某些化合物的反应所采取的技术种类主要包括触角电位仪、“Y”型双向选择嗅觉仪和风洞技术等[21, 22]。其中,触角电位仪是一种快速检测触角对气味的反应活性和敏感性非常重要的生物测定方法,是昆虫信息素及其他挥发性信息化合物生物测定非常得力的工具之一[23, 24]。
迄今为止,国内外还没有人发现脐腹小蠹的昆虫源聚集信息素。本文利用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)鉴定了脐腹小蠹后肠和虫粪中的挥发性物质,并借助触角电位仪测定了脐腹小蠹对这些挥发性物质的触角电位(EAG)反应。最后,在田间进行诱捕试验,试图找到对脐腹小蠹具有生物活性的聚集信息素物质,并探讨利用这些物质来防治脐腹小蠹。
1 材料与方法 1.1 供试昆虫于5月中旬,在脐腹小蠹扬飞后的营养取食期,寻找被脐腹小蠹危害严重的白榆树桩,将其锯为木段带回室内,剥去韧皮部,露出了正在取食的脐腹小蠹成虫,分辨其雌雄,额部圆凸且额毛少的为雌虫,扁凹额毛多的为雄虫,将雌雄脐腹小蠹分别饲养在放有白榆韧皮部组织的圆柱形(直径10 cm,高15 cm)玻璃缸中,任其取食。在室内饲养时,用黑色聚乙烯塑料遮盖以避光,模拟其在榆树树干中自然取食的状况。饲养时,室内温度为18—27℃,湿度为30%—40%。
1.2 脐腹小蠹后肠挥发物的提取将已分开饲养至完全成熟的雌雄脐腹小蠹成虫,参照Blomquist等[3]和Phillips等[25],分别确定其中肠和后肠的位置,切下后肠及相关组织(部分中肠、马氏管和一些脂肪体),放入装有2 mL重蒸正戊烷的5 mL采样瓶中。每个采样瓶收集到50 个后肠,在冷却状态下放置48 h,然后将提取液用滤膜过滤后转移到另一个干净的采样瓶中,置冰箱中冷藏保存,以备分析。
1.3 脐腹小蠹虫粪挥发物的提取收集分别饲养有30 头雌雄脐腹小蠹成虫的圆柱形玻璃缸(规格同上)底部的虫粪和被蛀食后掉落的榆树韧皮部碎屑混合物,饲养3 d后,在Leica M 26解剖镜下,用解剖针仔细分辨并分离虫粪和榆树韧皮部碎屑,辨别时根据虫粪为红褐色的有规则的圆形或椭圆形,树皮屑为白色不规则形,放在准备好的5 mL采样瓶中,加入1 mL的重蒸正戊烷,放置48 h,滤膜过滤后转移到另一个干净的采样瓶中,置冰箱中冷藏保存,以备分析。
1.4 GC-MS条件 1.4.1 脐腹小蠹后肠挥发物GC-MS分析条件Finnigan Trace DSQ气相色谱仪,HP-1毛细柱长度、直径和膜厚度为50 m×0.22 mm×0.33 μm;起始温度80℃,保持2 min;以5℃/min升温到200℃,然后以20 ℃/min升温到280℃,保持10 min。
1.4.2 脐腹小蠹虫粪挥发物GC-MS分析条件thermo公司生产GC型号Trace 2000,MS型号Plaris Q,DB-5MS毛细柱,毛细管长度、直径和膜厚度为30 m×0.25 mm×0.15 μm;40℃保持1 min,10℃/min升到270℃,270℃保持5 min。
1.5 GC-MS结果的分析将GC-MS检测结果获得的图谱与有机物数据图谱库系统NIST 2008相比对,得到图谱中峰所对应的化合物名称,计算各个峰面积和峰面积之和的比值,可得每种挥发物成分的相对百分含量。
1.6 触角电位试验方法用荷兰Syntech公司生产的触角电位仪测定。调节刺激气体流速为20 mL/min,连续气体流量为120 mL/min。刺激持续0.1 s,两次刺激间隔30 s。迅速将脐腹小蠹成虫触角切下,在触角锤头部的正中,先用尖细的解剖针刺1个小孔,然后将充有生理盐水的毛细管插入其中,作为记录电极;在触角的基部插入另一个充有生理盐水的毛细管,作为对比电极。将试验所用化合物用丙酮分别配成浓度为10 μg/μL,每次将10 μL的样品滴于滤纸条上。待溶剂挥发后,迅速将滤纸条放置在巴斯德吸管中,吸管末端连接刺激气体控制装置。刺激顺序以摩尔质量从小到大的顺序。每支触角由每个样品轮流刺激1次后,中间相隔10 min,继续轮流刺激,共轮流重复3 次,且每轮刺激前及最后均有有溶剂丙酮刺激作为对照。每个样品至少重复5根触角。
1.7 田间诱捕诱捕器为十字型小蠹诱捕器,从中捷四方公司购买。诱芯为自制诱芯,用微量移液器取各成分的单组分50 mg,放入2 mL的塑料离心管中,用棉花塞满离心管,起到缓释作用,将离心管盖子打开并挂在诱捕器的侧板上。
于2010年6月25日到7月4日,在宁夏盐池县高沙窝机械化林场第29 号白榆林斑,该试验地为立地条件相同且脐腹小蠹危害白榆严重,将配好的诱芯挂在诱捕器的中部。随机悬挂诱捕器,每2个诱捕器间距大于30 m,每2d检查1 次,记录诱集到的脐腹小蠹雌雄成虫数。为保证随机性,每次检查时,将诱芯随机调换位置,对照为不挂任何诱芯。每个处理设4 个重复。
1.8 数据分析利用SPSS 11.0软件进行数据统计分析。
2 结果与分析 2.1 GC-M S分析结果 2.1.1 脐腹小蠹成虫后肠挥发物的鉴定脐腹小蠹成虫后肠挥发物成分的离子图见图 1(雌虫)和图 2(雄虫),其主要成分的保留时间以及每种成分的相对百分含量见表 1,雌成虫后肠挥发性物质成分有:十四烷、十五烷、十二酸、十六烷、十四酸、十八烷和十九烷五种正烷烃和两种酸,其中十四酸含量最高,达到了42.2%,十四烷最少,占5.71%,其余成分相对含量均在10%左右。雄成虫后肠挥发性物质成分有:十一烷、十四烷、十五烷、十六烷、十八烷和十九烷六种正烷烃,十六烷(23.3%)和十九烷(21.5%)含量最多,其余相对含量从多到少依次为十五烷(18.4%)、十八烷(17.7%)、十四烷(14.4%)和十一烷(4.59%),与雌虫相比雄虫并无酸的成分。
物质名称 Compounds | 保留时间 Retention time/min | 相对含量/% Relative percentage composition | |
雌虫Female | 雄虫Male | ||
十一烷 Undecane | 8.78 | — | 4.59 |
十四烷 Tetradecane | 16.86 | 5.71 | 14.4 |
十五烷 Pentadecane | 19.37 | 8.04 | 18.4 |
十二酸 Dodecanoic acid | 21.18 | 12.1 | — |
十六烷 Hexadecane | 21.80 | 10.4 | 23.3 |
十四酸 Myristic acid | 25.75 | 42.2 | — |
十八烷 Octadecane | 26.30 | 10.4 | 17.7 |
十九烷 Nonadecane | 28.39 | 11.1 | 21.5 |
脐腹小蠹成虫虫粪挥发物成分总离子图见图 3(雌虫)和图 4(雄虫),其主要成分的保留时间和每种成分的相对百分含量见表 2,雌成虫虫粪挥发性物质成分有:十一烷、十二烷、十四烷、十六烷、十八烷和十九烷,六种物质全部为正烷烃,其中十九烷含量最高,达到了29.9%;其后依次为十六烷(23.4%)和十八烷(18.7%),最少为十四烷、十二烷和十一烷,相对含量在5%左右。雄成虫虫粪挥发性物质成分有:庚烷、十一烷、十二烷、十四烷、十六烷、十八烷、二十二烷和二十三烷八种正烷烃,庚烷(20.5%)相对含量最多,其余从多到少依次为十六烷(16.5%)、十八烷(16.5%)、二十二烷(12.3%)和二十三烷(9.78%)、十四烷(8.13%)、十一烷(2.93%)和十二烷(2.41%)。
物质名称 Compounds | 保留时间 Retention time/min | 相对含量/% Relative percentage composition | |
雌虫Female | 雄虫Male | ||
庚烷 Heptane | 8.08 | — | 20.5 |
十一烷 Undecane | 16.61 | 4.26 | 2.93 |
十二烷 Dodecane | 18.25 | 6.25 | 2.41 |
十四烷 Tetradecane | 21.20 | 6.54 | 8.13 |
十六烷 Hexadecane | 23.81 | 23.4 | 16.5 |
十八烷 Octadecane | 26.14 | 18.7 | 16.5 |
十九烷 Nonadecane | 27.23 | 29.9 | — |
二十二烷 Docosane | 30.82 | — | 12.3 |
二十三烷 Tricosane | 32.52 | — | 9.78 |
从脐腹小蠹雌雄成虫后肠和虫粪挥发性化学信息物质中,选取鉴定出的12种化学信息物质(表 3),利用触角电位仪测定触角对这些物质的电位反应,结果见图 5所示,单一物质刺激下,雌雄虫的触角对12种物质的电位反应相对值较对照差异均达到了显著水平(P<0.05),触角电位反应相对值较大的为十二酸、十四酸、十八烷;雌雄成虫比较,十二酸、十四酸和十九烷3种单一物质刺激后触角反应的相对值雄虫显著高于雌虫 (P<0.05),其余化学物质刺激后脐腹小蠹的触角电位反应值雌雄间差异均未达到显著水平。
物质 Compounds | 纯度/% Purity | 厂家 Factory |
庚烷Heptane | 99 | TCI |
十一烷 Undecane | 99 | TCI |
十二烷 Dodecane | 99 | TCI |
十四烷 Tetradecane | 99 | TCI |
十五烷 Pentadecane | 98 | Sigma-aldrich |
十二酸 Dodecanoic acid | 98 | 北京化工厂 |
十六烷 Hexadecane | 99 | TCI |
十四酸 Myristic acid | 98 | 北京化工厂 |
十八烷 Octadecane | 99 | TCI |
十九烷 Nonadecane | 99 | Fluka |
二十二烷 Docosane | 99 | Supelco |
二十三烷 Tricosane | 99 | Sigma-aldrich |
脐腹小蠹的林间引诱结果如表 4所示,与对照相比,12种物质(表 3)对脐腹小蠹的诱捕量均达到了显著水平(P<0.05)。十二酸、十四酸、十九烷对对脐腹小蠹雄虫的引诱数量显著高于雌虫数量(P<0.05),其余单一物质对脐腹小蠹诱捕量雌雄虫间均无显著性差异。12种物质中对脐腹小蠹雌雄虫诱捕总量最多的是十八烷,达32.1头,其后诱捕量较多的依次为十二酸(24.1)、十四酸(22.7)、十一烷(19.2)、十九烷(18.2)、十六烷(18.1)、二十二烷(17.1)和十二烷(16.0),庚烷、十四烷、十五烷和二十三烷的成虫诱捕总量最少。
序号 Number | 处理 Treatment | 诱捕量/头 trap catch numbers | |
雄虫male | 雌虫female | ||
*表示雌雄差异达显著水平(P<0.05) | |||
1 | 庚烷Heptane | 6.65±2.87 | 8.26±3.29 |
2 | 十一烷Undecane | 10.9± 4.66 | 8.37±4.56 |
3 | 十二烷Dodecane | 8.39± 3.57 | 7.56±2.67 |
4 | 十四烷 Tetradecane | 6.64± 2.47 | 8.33±2.51 |
5 | 十五烷 Pentadecane | 7.33± 3.89 | 7.27±4.55 |
6 | 十二酸Dodecanoic acid | 15.4±1.81 | 8.68±2.55* |
7 | 十六烷 Hexadecane | 10.6±3.55 | 7.48±2.89 |
8 | 十四酸 Myristic acid | 14.8±1.40 | 7.90±2.12* |
9 | 十八烷 Octadecane | 15.5±1.28 | 16.6±3.12 |
10 | 十九烷 Nonadecane | 11.9±2.44 | 6.28±2.11* |
11 | 二十二烷 Docosane | 9.44± 3.23 | 7.62±3.78 |
12 | 二十三烷 Tricosane | 5.68± 1.13 | 6.34±4.33 |
13 | 对照Control | 2.11±0.17 | 1.12±0.17 |
在脐腹小蠹雌雄成虫后肠和虫粪挥发性化学信息物质的GC-MS分析中发现,表 3中的12种化学成分在室内触角EAG反应测试中,触角反应的相对值较对照有显著效果,田间诱捕试验中诱捕量较对照显著,说明,这些化学物质成分都是与脐腹小蠹聚集有关的化学信息物质。
雌虫后肠中的十四烷 、十五烷、十六烷、十八烷和十九烷,雄虫后肠中的十一烷、十四烷、十五烷、十六烷、十八烷、十九烷和二十三烷,雌虫虫粪中十一烷、十二烷、十四烷、十六烷、十八烷和十九烷,雄虫虫粪中的庚烷、十一烷、十二烷、十四烷、十六烷、十八烷、二十二烷和二十三烷,这些来自脐腹小蠹虫体的挥发性物质在范丽华等用3 种不同方法提取,并通过GC-MS分析鉴定得到的白榆树干的挥发性物质成分中均能找到[26]。Martín 等采用石油醚和乙醚混合浸泡提取了白榆、欧洲白榆U. Laevis和小叶榆U. minor的树干挥发物成分,并通过GC-MS进行了鉴定,最终认为小蠹在搜寻和确定寄主以及进行种间的化学通讯,在很大程度上利用了寄主的挥发性正烷烃类物质[27]。Gore等[15]和Cuthbert and Peacock等[16]鉴定的欧洲榆小蠹的聚集信息α-荜澄茄油烯均来自其寄主英国榆树U. procera。十二酸和十四酸两种物质对脐腹小蠹有明显的引诱作用,但其不属于脐腹小蠹寄主的挥发物成分,可以认为,脐腹小蠹与聚集有关的化学信息物质成分大多来自其寄主白榆,部分物质成分是其利用寄主的挥发物成分作为前体并通过生化途径合成了其用来进行化学通讯的化学信息物质[3, 28]。
鞘翅目昆虫中,聚集信息素可由雄虫或雌虫单独产生,对两性成虫均有引诱作用,同时聚集信息素有时也担任性信息素的功能[11, 29]。Liu等[30]认为红脂大小蠹Dendroctonus valens LeConte的瘤额大小蠹素frontalin((1S,5R)-1,5-二甲基-6,8-二氧[3, 2, 1]-二环辛烷)在雌虫中产生,试验中将瘤额大小蠹素加入到红脂大小蠹的聚集信息素成分3-蒈烯中,诱捕量可以提高200%,但如果再增加瘤额大小蠹素的浓度,会明显降低诱捕到的雌虫的数量,认为瘤额大小蠹素既是红脂大小蠹的聚集信息素又是其性信息素。在脐腹小蠹成虫虫粪中分析得到的挥发物成分中,十九烷在雌虫虫粪中相对含量为29.9%,而在雄虫虫粪中尚未提取到,十二酸(12.1%)和十四酸(42.2%)只存在于脐腹小蠹雌虫后肠中,雄虫触角反应相对值对以上3 种物质较雌虫有显著性强烈(P < 0.05)的反应以及田间诱捕试验中3 种物质对脐腹小蠹雄虫较雌虫有显著多(P < 0.05)的诱捕量,推断,十九烷、十二酸和十四酸是脐腹小蠹成虫聚集信息素主要成分,同时又可能作为脐腹小蠹的性信息素成分。对于十八烷而言,在雌雄虫中无论是后肠还是虫粪中所占相对含量都相当,结合EAG实验和田间诱捕试验的诱捕量,推断十八烷是脐腹小蠹聚集信息素的主要成分。
Negron[31]等利用乙醇、乙醇和α-蒎烯的混合物、云杉八齿小蠹的引诱剂包括小蠹二烯醇、马鞭草烯醇和2-甲基-3丁烯-2-醇以及欧洲榆小蠹引诱剂包括波纹小蠹素、己醇、己醛、荜橙茄烯和4-甲基-3-庚醇的单一物质分别对脐腹小蠹和欧洲榆小蠹进行诱捕,结果显示,只有2-甲基-3-丁烯-2-醇和波纹小蠹素较其它物质对脐腹小蠹有显著高的诱捕效果(P=0.0245),这两种物质间对脐腹小蠹的引诱效果没有差异显著性。值得注意的是,波纹小蠹素作为欧洲榆小蠹的引诱剂平均一周诱捕到的脐腹小蠹成虫数量较欧洲榆小蠹要多10头。多数昆虫的聚集信息素在同属中具有极大的相似性[5],但本研究对脐腹小蠹后肠和虫粪挥发物成分的GC-MS分析结果中没有鉴定出欧洲榆小蠹的聚集信息素成分波纹小蠹素,而且也没有鉴定出对脐腹小蠹有显著诱捕效果的2-甲基-3丁烯-2-醇,所以脐腹小蠹的聚集信息素成分是否含这两种物质成分还待进一步的鉴定去证实。
昆虫在寻找寄主时往往是通过多种化合物的共同作用来实现的[32],来自小蠹自身、其寄主或存在于环境中的物质,经常会以混合方式起作用,这样来提高种的特异性[5]。脐腹小蠹聚集信息素成分的配比和最佳释放速度以及范丽华等[26]文中列出的脐腹小蠹寄主挥发物的其它物质是否也可作为其聚集信息素成分,有待研究。
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