自然界通常处于低压正静电场状态。地球上空的电离层对地面具有360 kV的正电位，地面附近的场强为130 V/m^[1,2]。在这个巨大的天然静电场中，生物本身其电荷分布，排序以及运动都达到稳定并呈现一定的规律性^[3]。若改变自然环境的静电场，必然会给生物带来一定的影响。高压静电场(HVEF)对种子的生物学效应研究是静电生物学领域研究最早的领域^[4]，关于静电场直接加于植物或者动物而带来的影响，已有研究表明，外加适当强度的静电场可以影响植物生长，促进种子萌发，促进愈伤组织细胞生长和根的分化及增强种子的抗冻害能力^[5,6]。另外，高压静电场对昆虫的生长发育和行为学方面也会产生影响^{[7,8,9,10,11]}。但关于高压静电场如何间接影响昆虫体内保护酶活性和种群动态的相关研究却鲜见报道。

麦长管蚜(Sitobion avenae Fabricius)是小麦上重要害虫之一，它可导致小麦籽粒灌浆不足，千粒重及品质下降，且可以传播黄矮病毒^[12,13,14]。在实际生产中，为了杀灭麦长管蚜，通常采用喷施农药的方法，不仅污染环境，破坏生态平衡，也带来了农药残留等一系列危害。因此，寻找无污染的生态控蚜方法势在必行。

由于小麦与麦长管蚜经过长期的协同进化，已形成了较稳定的遗传适应性^[15]。因此在面对外界胁迫时，不仅会在外在表现上有所差异，也会迫使体内细胞产生大量的活性氧自由基(ROS)，如氢氧根负离子(OH^-)、自由羟基(· OH)、过氧化氢(H₂O₂)、超氧物阴离子自由基(·O₂^-)、单线态氧(¹O₂)等^[16,17]。HVEF作为一种刺激因子，在给植物的各项指标带来变化的同时，使其体内产生大量ROS，细胞中的保护酶系如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等，它们协调作用有效清除这些自由基,防御着膜脂过氧化,进而维护活性氧的平衡^[18,19,20]。本实验以麦长管蚜作为研究材料，探究高压静电场能否为生态控蚜提供新方法，通过测定小麦及麦长管蚜体内3种抗氧化酶活性(SOD,POD,CAT)的变化，并对麦长管蚜的种群数量动态和模型进行分析，明确HVEF对小麦及蚜虫的作用，为探索高压静电生态控蚜提供理论基础。

供试麦长管蚜虫源为西北农林科技大学植物保护学院昆虫生态组实验室提供，该种群是在实验室((21±0.5)℃,(75±5)% RH,16 ∶ 8 LD)饲养的单克隆体系。寄主小麦品种为小偃22。

图1 装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of the device

图选项

选取大小一致且饱满干燥(干湿度均一)的小麦种子适量，分别在、4 kV/cm和6 kV/cm的静电场强下处理20 min，不处理组作为对照。将每个处理的小麦分为第一，第二，第三组，长至二叶期将第一组和第二组小麦接上单克隆系的麦长管蚜，待其产仔留下4头同龄初生若蚜。第一组每天记录其种群数量，用于种群数量测定；第二组长至成蚜后于-80 ℃冰冻保存；第三组不接麦蚜，其他条件相同。

小麦叶片酶粗液的制备：取各HVEF处理的小麦苗期(大约出芽后25 d)叶片(包括被蚜虫取食过的和未被取食的叶片)鲜样(0.9 g)于预冷的研钵中，加入3.0 mL 0.05 mmol/L磷酸缓冲液(pH值 7.8)及少量石英砂，冰浴下研磨成匀浆，于12000r/min,4 ℃冷冻离心15 min，上清液定容至9 mL，用于SOD、POD、CAT 活性、及可溶性蛋白质含量的测定^[21,22]。

麦长管蚜酶粗液的制备：将供试麦长管蚜置于预冷的组织匀浆器中，按照体重8 mL/g加入预冷的0.04 mol/L、pH值7.0的磷酸缓冲液，在冰浴条件下研磨匀浆，所得匀浆液以3500r/min，4 ℃离心10 min，其上清液即为待测的酶液。保存于-20 ℃备用^[23]。

主要仪器：植物电场发生器SCDC-II(中国浙江省)；全功能酶标仪M200 Pro(瑞士)；低温高速离心机ARANTI(美国)；纯水仪；水浴锅等等。

试剂盒：BCA法蛋白质浓度测定试剂盒；超氧化物歧化酶WST-1法测定试剂盒；过氧化氢酶POD测定试剂盒(测植物)；过氧化氢酶POD测定试剂盒(测组织)；过氧化物酶CAT测定试剂盒。均购于南京建成有限公司。

试验数据用SPSS统计软件中的One-Way ANOVA 方差分析，平均数采用Student-Newman-Keuls (SNK)法进行差异显著性检测。各处理间的显著性差异均设为P<0.05水平。

由HVEF处理后的小麦被蚜虫取食前后其体内超氧化物歧化酶(SOD)活力变化结果可以看出(图2)，在未被蚜虫取食的情况下，SOD活性最高值出现于4 kV/cm处理组(51.66 U)，且与对照组(46.48 U)相比均有显著差异(P< 0.05)，增幅达到11.14%；在经过麦长管蚜取食以后，各处理组的SOD活性均与对照组(47.67 U)有显著差异(P< 0.05)，其中4 kV/cm处理组的SOD酶活性降为最低值(37.12 U)，降幅达到22.13%。与被麦长管蚜取食过之前相比，降幅达到28.15%。这说明被蚜虫取食以后小麦叶片内部的抗氧化酶系统发生了较大变化。

图2 经高压静电场 (HVEF)(High Voltage Electrostatic Fields) 处理后小麦体内SOD活性的变化 Fig.2 The change of SOD activity in wheat leaves after seeds exposed to High Voltage Electrostatic Fields (HVEF) a叶片未被蚜虫取食过，b叶片被蚜虫取食过的植株; 图中数据为平均值±标准误，柱上不同字母表示不同浓度(0，2，4，6 kV/cm)HVEF处理下在0.05水平上存在显著差异(SNK检验，One-way ANOVA)

图选项

图3为小麦体内POD活性的变化，在被蚜虫取食之前，2 kV/cm和4 kV/cm处理组相比于对照组(56.91 U)显著升高(P< 0.05)，最大值出现于4 kV/cm处理组(73.12 U)，升幅为28.48%；在右图中可以明显发现，被蚜虫取食过的叶片中4 kV/cm处理组中的POD活性降为最低(45.44 U)，降幅为20.15%。与麦长管蚜取食之前相比，POD酶活性降幅达到37.86%，与其他组相比(CK: 58.20 U; 2 kV/cm: 64.91 U; 6 kV/cm: 54.80 U)差异性显著(P< 0.05)。此变化与图2中表现的结果类似，即4 kV/cm处理组小麦在被蚜虫取食之前有最高酶活性，而被取食以后酶活性却降为最低。

图3 经HVEF处理后小麦体内POD活性的变化 (a未被蚜虫取食过，b被蚜虫取食过的植株) Fig.3 The change of POD activity in wheat leaves after seeds exposed to HVEF (a. the undamaged plant; b. the damaged plant by aphid)

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综合2.1.1的结果可以看出，4 kV/cm处理组最值得关注，在未被蚜虫取食的情况下SOD和POD酶活性为4组中最高值，而被蚜虫取食过以后其活性又降为最低。这个结果说明由于SOD和POD酶活性的升高，不同HVEF处理对小麦造成胁迫所产生的活性氧被清除；蚜虫取食植株以后，小麦体内的抗氧化酶系统被破坏，从而无法适当而准确地调控活性氧的动态平衡。

在被HVEF处理后小麦体内的CAT活性如图4所示。被麦长管蚜取食之前CAT活性稳定，各处理间没有显著性差异(P > 0.05)，表明高压静电对小麦叶片CAT活性没有影响。而被蚜虫取食以后4 kV/cm处理组(0.02160 U)和6 kV/cm(0.02508 U)处理组的CAT活性相对于对照组(0.04869 U)显著降低(P< 0.05)，降幅分别为对照组的55.64%，48.49%；与未被麦长管蚜取食时的小麦叶片相比，降幅分别达31.17%，35.79%。这也说明小麦叶片被蚜虫取食后，抗氧化酶系统被破坏。

图4 经HVEF处理后小麦体内CAT活性的变化 (a未被蚜虫取食过，b被蚜虫取食过的植株) Fig.4 The change of CAT activity in wheat leaves after the seeds exposed to HVEF (a. the undamaged plant; b. the damaged plant by aphid)

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麦长管蚜取食不同剂量高压静电处理的小麦后，体内SOD活性(2 kV/cm: 20.01 U; 4 kV/cm: 10.66 U; 6 kV/cm: 13.89 U)显著高于对照组(6.12 U)(P< 0.05)，如图5所示。这表明HVEF的间接作用对蚜虫产生了一定的影响，因此蚜虫体内的超氧化物歧化酶做出应答，从而使多余的·O₂^-歧化产生H₂O₂。而4 kV/cm处理组的响应最弱，不能及时分解多余活性氧，导致4 kV/cm对蚜虫伤害最大。

图5 取食经HVEF处理的小麦其叶片后，麦长管蚜体内SOD,POD和CAT酶活性的变化 Fig.5 The change of SOD,POD and CAT activitities in aphid after feeding on the leaves (seeds treated by HVEF)

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\蚜虫体内POD的活性结果表明，所有处理组的POD活性(2 kV/cm：4.578 U；4 kV/cm：6.239 U；6 kV/cm：5.248 U)都低于对照组(8.058 U)(图5)，且差异显著(P< 0.05)，这表明蚜虫体内保护酶系统中POD活力和平衡受到破坏。

图5中CAT活性的变化显示，各处理组的CAT活性均显著高于对照组(P< 0.05)，但处理组之间无显著差异(P > 0.05)，这说明CAT酶也参与抗氧化系统调控，但和SOD趋势类似，4 kV/cm处理组活性较小，从而分解H₂O₂的能力也最弱。

图5可以直观清晰的反应麦长管蚜在不同处理下的种群数量变化趋势，在不同HVEF处理下蚜虫的数量为单峰曲线，CK组峰值为最高，4 kV/cm处理组的峰值为最低且峰值出现时间最迟。表明HVEF对蚜虫的种群动态造成了一定影响。

为了进一步分析HVEF对麦长管蚜种群的间接影响，将实验得到的原始数据经Matlab拟合为逻辑斯蒂方程，N_t=K/[1+e^(a-rt)]。求解并分析参数。方程拟合结果如下表1，相关系数均为0.99以上，说明试验数据与理论方程之间有良好的拟合关系。表1数据显示，在被不同强度HVEF处理以后其实验室条件环境容纳量K (The maximum carrying capacity) 发生了不同变化。可以看出对照组小麦上麦长管蚜环境容纳量最大(K=311.5)，而处理组中环境容纳量都有所降低，其中4 kV/cm处理组(K=227.3)为最小。说明HVEF会对种群动态产生一定的抑制作用，降低环境最大容量意味着减少了对小麦的危害(图6)。

图6 实验室不同HVEF强度处理下麦长管蚜的种群动态 (每个点的值表示为平均值±标准误) Fig.6 Population dynamics of S. avenae at different HVEF under laboratory conditions (Data in the figure are mean± SE)

图选项

静电场生物学效应已有不少研究。国内研究表明，22 kV/0.08 m高压静电场预处理种子15 min可以提高黄瓜种子的发芽率，生长势，适当强度的HVEF处理也可以提高老化水稻种子的萌发率^[24,25]。高压静电场对昆虫生长发育也会产生影响，张海兰等人发现：在蚕种催青前期用适当强度的高压静电场处理，对蚕卵的孵化、蚁蚕生命力、幼虫发育经过及小蚕的生长均无不良影响，但能促进大蚕期的生长及茧层量的增加^[7,8]；国外的研究多是关于高压静电对昆虫行为学的影响，Philip L. Newland研究表明，电场强度为8—10 kV/m时85%的蟑螂个体都选择避免穿过电场。Jackson研究发现苍蝇(Musca domestica L.)在静电屏蔽的电场上行走时，电网屏蔽的电流的积累和家蝇行走的速度密切相关。Ozlem Sangun研究发现，在大鼠出生前后用静电场处理，其体内的氧化物质和抗氧化酶含量都有显著上升，经静电场处理后出生的大鼠生长受到抑制，发育期显著延迟^[9,10,11]。但一般静电处理无法使作物基因突变，其原因在于，高压静电电压电晕放电的电场强度受其临界击穿场强的限制(E<10 kV/cm)，这与使种子基因突变的强电离放电的场强相差甚远^[26]。

在农业上，电场生物学效应的研究目的之一是查明环境电场的改变对作物的生长乃至经济产量有无促进作用，确定最佳的电场处理方式，诱发最大的生物学效应，从而开发出行之有效的农业物理新技术^[27]。HVEF作为一种刺激因子对小麦种子造成了胁迫，并使其影响延伸至小麦幼苗中。国内早期研究已经证实，高压静电场处理小麦种子，会使其抗冻害能力增强，叶绿素含量增加，游离氨基酸和蛋白水解氨基酸含量有所变化，总N、P₂O、Mo、Co、Cu、Zn、Mn和FeO也会显著升高^[28]；一定强度的静电场强处理小麦种子一段时间，会使其萌发时体内的ATP受到抑制^[29]。因此这些变化打破了小麦体内本来的细胞微环境，而作为一种刺激因子使小麦产生大量ROS，包括超氧离子(O^-2)、过氧化氢(H₂O₂)和氢氧根离子(OH^-)。当正常生理状态下，机体产生的自由基和清除自由基的速率处于动态平衡的状态。但是，当自由基过多时，就会对生物体的蛋白质、脂质和DNA造成损伤，导致病变的发生。利用抗氧化酶来消除这些活性氧对于昆虫有机体维持正常的功能和代谢是必不可少的^[30]。作为内源性保护酶，SOD负责催化O₂^-转变为H₂O₂，并在过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)的作用下将其分解为H₂O和O₂，消除胁迫产生的活性氧对细胞的伤害^[31]。

本实验中，在未被蚜虫取食的小麦中，SOD和POD活性都随着HVEF的强度保持先增后降的趋势，在4 kV/cm处达到峰值。其原因可以用“阈值效应”来解释，电场和电磁场的阈值效应会导致有机体产生大量的自由基，4 kV/cm电场处理小麦种子带来的影响，可能是对蚜虫产生显著的生物效应的阈值强度。类似的研究结果也存在于土壤水分，光照强度和复合盐胁迫等其他环境胁迫之中。例如植物的光合生理活动并非在土壤水分充足时最活跃,而是在适度的水分亏缺范围之内最活跃,这一范围因植物种类及其生理过程不同而异^[32,33]。而CAT活性较稳定，张光先等人报道高压静电场使得过氧化氢酶的稳定性增加^[34]，本实验中未被蚜虫取食的叶片中CAT活性保持在同一稳定水平，与前人研究结果一致。蚜虫取食以后保护酶活性趋势变为先降后增，在4 kV/cm处达到最低值，这也说明了4 kV/cm是影响最显著的强度，这极有可能是由于蚜虫的取食对小麦也会带来一种胁迫，当静电胁迫和蚜虫取食胁迫的共同作用产生的活性氧自由基达到小麦体内保护酶活性可以清除的极致时，就会使小麦保护酶系统崩溃，从而对小麦造成一定的伤害。

整个保护酶系统的防御能力的变化取决于这几种酶彼此协调的综合结果^[35]。在处理组中蚜虫体内的SOD和CAT酶活性与对照相比有所升高，且呈现先降低后增高的趋势，也是在4 kV/cm处达到最低值，这说明4 kV/cm处理对蚜虫体内的SOD和CAT酶体系产生了强烈的破坏作用^[36]，因此无法催化O₂^-转变为H₂O₂，进而导致POD酶无法进一步起到清除自由基的作用，从而导致4 kV/cm处理对蚜虫的伤害最大，这与本试验中Logistic模型的结果相符合。

在生态学中，经典的Logistic模型广泛用于研究种群生长变化，它描述种群的个体增长率和种群的密度成线性关系，形式相对比较简练，模型中各个参数也有明确的生物学意义^[37]。本实验结果也进一步证实了不利因素诱导都会使蚜虫表现出生长发育与繁殖以及行为的改变^[12,38]。

通过测定HVEF对蚜虫和小麦带来的变化，可以发现小麦和麦长管蚜是相互作用相互影响的。因此合理把握HVEF处理小麦种子的强度，可以为高压静电生态控蚜提供新的思路。本实验结果经过田间试验检测和风险评估后，有可能成为一个简便且无污染的生态控蚜新方法，对保护生态平衡和减少污染有重要意义。