不同光周期对高粱叶片和蚜虫体内营养物质含量和相关酶活性的影响

杜军利，武德功，詹秋文，黄保宏，倪 鹤

(1.安徽科技学院 农学院，安徽 凤阳233100； 2.南京农业大学 植物保护学院，江苏 南京 210095； 3.凤阳县农业技术推广中心，安徽 凤阳233100)

高粱[Sorghumbicolor(L.) Moench]是重要的粮食作物、酿酒作物和饲料作物[1-2]，其生长发育过程中受多种环境因子的影响，包括温、光、水、气等，其中，光照时间的长短即光周期对植物体内营养物质的形成起着至关重要的作用[3-6]。刘明等[7]研究表明，光周期处理直接影响小豆(Rufusfaba)花器官的关键生理指标和产量；袁娟等[8]报道了光周期对扁豆[Lablabpurpureus(L.)]发育进程的影响，并测定了扁豆真叶内的游离氨基酸含量；刘莎莎等[9]测量了光周期对菠菜(SpinaciaoleraceaL.)中糖和蛋白质含量的影响；王成章等[10]研究了光周期对苜蓿(MedicagosativaL.)酶活性的影响。以上研究显示，光周期对植物体内营养物质或酶活性有一定的影响。

高粱蚜[Melanaphissacchari(Zehntner)]是高粱(Sorghumbicolor)、甘蔗(SaccharumofficenarumL.)等作物上的重要害虫之一，主要通过刺吸对植物造成直接伤害，降低高粱的产量和品质[11]。光周期对昆虫的生长发育和体内营养物质也具有明显的影响[12-13]。近年来，有关温度对蚜虫生长发育影响的报道较多[14]，少量文献报道了湿度和光周期对蚜虫生命参数的影响[15-19]。光周期会影响昆虫的体质量、产卵期和雌虫生殖力[20-21]；短日照可延长昆虫的幼虫期和成虫期[22]。不同光周期对蚜虫的生殖力和生命参数均有影响，蚜虫体内的物质含量也会发生变化，吕宁[23]研究了抗生素对豌豆蚜[Acyrthosiphonpisum(Harris)]体内物质含量的影响，姜文虎等[24]研究了桃蚜(Myzuspersicae)的酶(SOD、POD、CarE、GSTs)活性对SO2胁迫的响应。目前，光周期对高粱和高粱蚜的体内物质含量影响的相关研究鲜见报道。本文拟研究不同光周期条件下高粱叶片和高粱蚜体内营养物质含量的动态变化，明确光周期对高粱和高粱蚜生长发育的影响。

1 材料与方法

1.1 供试蚜虫和植物

高粱蚜采集于凤阳县安徽科技学院西区种植园，室内饲养于人工气候箱中，温度为(24±1)℃，湿度为(60±10)%，光周期为14L∶10D；高粱蚜饲养于甜高粱系列品种上，种植于直径15 cm、高10 cm的营养钵中，待植株长至三叶期时用于试验。

1.2 试验方法

1.2.1 不同光周期和蚜虫胁迫处理高粱

将人工气候箱中的光周期分别设置为2L∶22D、6L∶18D、10L∶14D、14L∶10D、18L∶6D，温度为(24±1)℃。将刚出苗的高粱移至不同光周期的人工气候箱，每个处理种6盆高粱苗。7 d后将高粱蚜以10头·株-1的密度接至其中3盆高粱苗上，另外3盆高粱苗作为对照，蚜虫刺吸4 d后，采集处理和对照高粱植株进行检测，分别测定高粱叶片的可溶性糖、游离氨基酸、淀粉、可溶性蛋白和叶绿素含量。

1.2.2 不同光周期条件下处理蚜虫

气候箱的光周期分别设置为2L∶22D、6L∶18D、10L∶14D、14L∶10D、18L∶6D，温度(24±1)℃，湿度(60±10)%。将刚出苗的高粱移至不同光周期的气候箱，每个处理重复3次，待高粱苗长至3叶期时，向高粱苗接入100头母蚜，24 h后剔除母蚜，留下1龄仔蚜，7 d后仔蚜长至高龄若蚜或成蚜，即可测定高粱蚜的酶活性与各项生理指标。

1.3 高粱叶片物质含量测定

可溶性蛋白测定采用考马斯亮蓝法，可溶性糖测定采用蒽酮比色法，游离氨基酸测定采用水合茚三酮方法[25]。叶绿素测定方法参照文献[26]。对不同光周期处理的叶片，1个重复选取5片叶片，使用SPAD-502叶绿素测定仪测定10次，求平均值，每个处理3次重复。

1.4 高粱蚜体内物质含量的测定

高粱蚜体内SOD、CAT活性测定方法参考曹传旺等[27]的方法。谷草转氨酶(aspartate aminotransferase，AST)、谷丙转氨酶(alanine transaminase，ALT)活性测定参考吕宁[23]的方法。

可溶性蛋白、可溶性糖、游离氨基酸测定参考吕宁[23]的方法，高粱蚜体内总脂肪测定参考曹传旺等[27]的方法。

1.5 数据分析

数据用Excel 2007进行整理和制图，采用SPSS 17.0软件进行方差分析(ANOVA)，用Duncan氏新复极差法进行多重比较，各参数均值之间显著性用SSR法进行检验。

2 结果与分析

2.1 光周期和蚜虫刺吸对高粱叶片淀粉和可溶性蛋白含量的影响

在不同光周期条件下，以无蚜刺吸胁迫作为对照，比较了高粱叶片淀粉、可溶性蛋白含量的变化，结果见图1。长光照(10L∶14D、14L∶10D、18L∶6D)条件下被高粱蚜刺吸和无蚜刺吸的高粱叶片的营养物质均高于短光照(2L∶22D、6L∶18D)；光周期为2L∶22D时，被高粱蚜刺吸的高粱叶片淀粉含量显著(P<0.05)低于无蚜胁迫；光周期为6L∶18D时，被高粱蚜刺吸和无蚜刺吸的高粱叶片淀粉含量无显著差异(P>0.05)；光周期为10L∶14D、14L∶10D、18L∶6D时，被高粱蚜刺吸的高粱叶片淀粉含量显著(P<0.05)高于无蚜刺吸的高粱叶片。短光照(2L∶22D)和最适光照(14L∶10D)条件下高粱叶片的可溶性蛋白含量低于其他光周期。所有光周期处理下，被高粱蚜刺吸和无蚜刺吸的高粱叶片可溶性蛋白含量均无显著差异(P>0.05)。

2.2 光周期和蚜虫对高粱叶片可溶性糖、游离氨基酸和叶绿素含量的影响

数据间没有相同字母表示差异显著(P<0.05)。数据以鲜质量计。Values without the same lowercase letters showed the significant difference (P<0.05). Data was detected based on fresh weight.图1 光周期和高粱蚜对高粱叶片淀粉和可溶性蛋白含量的影响Fig.1 Effects of photoperiod and sorghum aphid on contents of starch and soluble protein in sorghum leaves

由图2可知：光周期为2L∶22D、6L∶18D、14L∶10D时，被蚜虫刺吸的高粱叶片可溶性糖含量与无蚜虫刺吸之间无显著差异(P>0.05)，光周期为10L∶14D、18L∶6D时被蚜虫刺吸的高粱叶片内可溶性糖含量显著(P<0.05)低于无蚜虫刺吸的高粱叶片；光周期为2L∶22D、6L∶18D、10L∶14D、18L∶6D时被蚜虫刺吸的高粱叶片内游离氨基酸含量与无蚜虫刺吸的叶片无显著差异(P>0.05)，而在光周期为14L∶10D时被高粱蚜刺吸的高粱叶片内游离氨基酸的含量显著低

数据以鲜质量计。Data was detected based on fresh weight.图2 光周期和高粱蚜对高粱叶片中可溶性糖、游离氨基酸和叶绿素含量的影响Fig.2 Effects of photoperiod and sorghum aphid on contents of soluble sugar， free amino acid and chlorophyll in sorghum leaves

于无蚜虫刺吸的叶片(P<0.05)；光周期为6L∶18D、10L∶14D、14L∶10D时被蚜虫刺吸与无蚜刺吸的高粱叶片叶绿素含量之间无显著差异(P>0.05)，而在极端光周期2L∶22D、18L∶6D时高粱蚜刺吸的高粱叶片叶绿素含量显著低于无蚜虫刺吸叶片(P<0.05)。

2.3 光周期对高粱蚜体内转氨酶活性的影响

由图3可知：在光周期为18L∶6D时高粱蚜体内ALT活性最高，为490.95 U·μg-1，显著(P<0.05)高于其他4个光周期处理；光周期为2L∶22D、14L∶10D时高粱蚜体内的ALT活性无显著差异，但均显著(P<0.05)高于光周期为6L∶18D和10L∶14D，光周期为6L∶18D和10L∶14D时高粱蚜体内的ALT活性也无显著差异(P>0.05)。

不同光周期条件下高粱蚜体内的AST活性存在显著差异(P<0.05)(图3)，在光周期为2L∶22D时高粱蚜体内AST活性最高(498.78 U·μg-1)，显著高于其他4个光周期(P<0.05)；光周期为10L∶14D时高粱蚜体内AST活性最低(301.43 U·μg-1)，显著低于其他光周期(P<0.05)；光周期为6L∶18D和18L∶6D时高粱蚜AST活性无显著差异(P>0.05)。

数据以蛋白质量计。Data was detected based on protein weight.图3 不同光周期条件下高粱蚜体内ALT和AST活性变化Fig.3 Effects of photoperiod on activities of ALT and AST in sorghum aphid

2.4 光周期对高粱蚜体内保护酶活性的影响

光周期对高粱蚜体内SOD活性的影响见图4。光周期为2L∶22D时高粱蚜体内SOD活性最高(4 866.42 U·g-1·h-1)，显著高于其他光周期；光周期为10L∶14D时高粱蚜体内SOD活性最低(135.34 U·g-1·h-1)；光周期为14L∶10D时高粱蚜体内SOD活性显著(P<0.05)高于光周期为10L∶14D，与光周期6L∶18D、18L∶6D之间无显著差异(P>0.05)。

不同光周期条件下高粱蚜体内的CAT活力产生显著差异(图4)，光周期为2L∶22D和6L∶18D时高粱蚜体内的CAT活性分别为6 671.48、6 027.78 U·g-1·h-1，显著(P<0.05)高于其他光周期；光周期为10L∶14D、18L∶6D时高粱蚜体内CAT活性无显著差异(P>0.05)。

2.5 光周期对高粱蚜体内可溶性蛋白、可溶性糖的影响

不同光周期下高粱蚜的可溶性蛋白含量不同。光周期为10L∶14D时高粱蚜的可溶性蛋白含量最高(21.86 μg·头-1)，显著(P<0.05)高于其他4个光周期处理；光周期为14L∶10D、18L∶6D时高粱蚜的可溶性蛋白含量无显著差异，均显著(P<0.05)高于光周期为2L∶22D、6L∶18D的处理，且光周期为14L∶10D、18L∶6D时高粱蚜的可溶性蛋白质含量之间无差别(P>0.05)(图5)。

数据以鲜质量计。Data was detected based on fresh weight.图4 不同光周期对高粱蚜体内SOD、CAT活性的影响Fig.4 Effects of different photoperiods on activities of SOD and CAT of sorghum aphid

光周期为2L∶22D、6L∶18D、10L∶14D、14L∶10D、18L∶6D时高粱蚜的可溶性糖含量差异(P<0.05)显著(图5)，光周期为10L∶14D时高粱蚜的可溶性糖含量最高，显著(P<0.05)高于其他4个光周期处理，极端光周期18L∶6D时高粱蚜的可溶性糖含量最低。较适光周期条件下(6L∶18D、10L∶14D、14L∶10D)，高粱蚜体内可溶性糖含量显著(P<0.05)高于极端光周期2L∶22D和18L∶6D。

2.6 光周期对高粱蚜体内游离氨基酸、总脂肪含量的影响

由图6可知，光周期为2L∶22D和6L∶18D时高粱蚜体内游离氨基酸含量较高且无显著差异，分别为4.44、4.59 μg·头-1，均显著(P<0.05)高于光周期为10L∶14D、14L∶10D、18L∶6D的处理。光周期为10L∶14D、14L∶10D、18L∶6D时，高粱蚜体内氨基酸含量存在显著差异(P<0.05)。光周期为10L∶14D时高粱蚜体内总脂肪含量最高(2.22 μg·头-1)，显著(P<0.05)高于其他光周期处理。光周期为2L∶22D时高粱蚜体内总脂肪含量最低(0.47 μg·头-1)，与光周期18L∶6D的处理无显著差异(P>0.05)，显著(P<0.05)低于光周期6L∶18D、10L∶14D、14L∶10D处理；光周期为6L∶18D和14L∶10D时高粱蚜体内总脂肪含量无显著差异(P>0.05)。

图5 不同光周期对高粱蚜体内可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响Fig.5 Effects of different photoperiods on contents of soluble protein and soluble sugar of sorghum aphid

图6 不同光周期对高粱蚜体内游离氨基酸、总脂肪含量变化的影响Fig.6 Effects of different photoperiods on contents of free amino acid and total lipids in sorghum aphid

3 讨论

光照是维持生物和植物正常生长发育的关键因子[28]，光周期对植物的光合作用与生长发育均会造成影响[5-7]，同时也直接影响植物的产量和品质，导致植物体内营养物质和生理参数发生变化[29-30]。本文研究了不同光周期条件下高粱蚜刺吸和无蚜刺吸对植物叶片营养物质含量的影响，无蚜刺吸和被蚜虫刺吸时，高粱叶片的物质含量均与光照时间相关，长光照条件下高粱叶片各种物质含量较高。本研究中的可溶性糖、可溶性蛋白含量与刘莎莎等[9]测定的结果一致，叶绿素含量变化与吴飞燕等[4]的研究结果一致。

光周期直接影响昆虫的生长发育[31]，如昆虫的体长、体质量、发育历期、生殖期、寿命和生殖力[32]。异常光周期会使昆虫滞育，最终导致昆虫种群数量发生变化[33-34]。已有文献研究了不同光周期对高粱蚜种群参数的影响[35]，本文测定了不同光周期条件下高粱蚜的转氨酶、保护酶活性与体内营养物质含量变化。不同光周期条件下高粱蚜转氨酶AST和ALT活性的变化趋于一致，在较适光周期10L∶14D时，高粱蚜体内的AST和ALT活性均达最低值，而在极端光周期2L∶22D时高粱蚜体内AST活性最高，光周期为18L∶6D时高粱蚜体内ALT活性最高，说明极端光周期影响了高粱蚜体内相关氨基酸分解合成代谢等生理活动，通过转氨酶的升高以应对光照变化。吕宁[23]研究表明，抗生素处理绿色型豌豆蚜初期，蚜虫体内AST和ALT活性显著高于对照，本试验结果与此一致，但是试验处理方式不同。在极短光周期2L∶22D时高粱蚜体内的SOD和CAT活性均达最高值，显著高于其他光周期。在极端光周期2L∶22D、18L∶6D时，可能由于光照时间过短或过长，直接扰乱了高粱蚜的正常生长发育，导致蚜体内各种保护酶发生了明显的变化。

可溶性蛋白和总脂肪是昆虫身体的主要组分和营养成分。研究表明，在异常环境条件下昆虫体内的蛋白质和总脂肪含量呈现下降趋势[25]。本研究中，极端光周期条件下高粱蚜的蛋白质和总脂肪含量显著降低，说明极长或极短光照条件不适宜高粱蚜生长发育。极端光周期条件会影响高粱蚜的生殖能力[35]，可能是因为可溶性糖与蚜虫的生殖能力有关[36]。本研究中，在极端光周期时高粱蚜可溶性糖含量下降，因此，极端光周期不利于蚜虫的繁殖。