水稻H2O2信号途径对褐飞虱生长发育的影响

        摘要：水稻（Oryza sativa L.）是重要的粮食作物，褐飞虱（Nilaparvata lugens Stål），是危害水稻的重要害虫之一，它取食水稻韧皮部汁液，可影响水稻光合作用，严重时造成枯萎，使稻谷减产或绝收。本实验利用加入H₂O₂抑制剂DPI来比较水稻中H₂O₂信号途径被抑制后对褐飞虱生长发育的影响来研究H₂O₂在水稻中，抗虫中起到的重要作用。结果表明：1）水稻H₂O₂信号途径的抑制提高了褐飞虱若虫在植株上的存活数，水稻植株在施加10µM H₂O₂抑制剂DPI对褐飞虱若虫的羽化率要显著高于CK组上的褐飞虱若虫羽化率，但延长了褐飞虱若虫的生长发育历期。2）DPI处理组的水稻，更加吸引褐飞虱雌虫产卵取食且产卵量高于对照组。本实验研究则说明H₂O₂信号转导途径在诱导的植物直接抗虫反应中发挥着重要作用。
      关键词：水稻；褐飞虱；过氧化氢；信号途径；生长发育
       水稻（Oryza sativa L.）原产中国，为一年生禾本科植物，属于直接经济作物，是世界上近三分之一人口的主食，更是我国最重要的农作物之一。褐飞虱（Nilaparvata lugens Stål)简称BPH是我国长江流域、华南及西南地区水稻上的主要迁飞性害虫^[1]，有很强的适应性。近年来，褐飞虱每年给水稻带来的损失非常巨大，导致水稻大幅度减产；人们为了防治褐飞虱加剧使用农药，但是却带来了害虫抗药性、害虫再猖獗等问题。

    1.1 褐飞虱的研究现状

1.1.1 褐飞虱的简介

       褐飞虱（Nilaparvata lugens Stål)简称BPH，属同翅目、飞虱科昆虫。它完成一个世代需要经历卵、若虫、成虫3个阶段。褐飞虱的卵一般为新月形、香蕉形等，主要以卵块的形式产在水稻茎秆中，卵期分为胚盘期、胚带形成期、胚体形成期、胚动期、配体分节期、附肢期6个发育级别，共7天。若虫阶段约13天左右，分5个时期，分别是1~5龄若虫，它与成虫的差异主要表现在翅和外生殖器均未发育成熟。若虫羽化为成虫之后，至少3天后才能产卵，即需经历一个产卵前期。其中，长翅型雌虫比短翅型需要更长一点的时间。如若温度有所变化，褐飞虱各个虫期的时间也会受到影响。
       褐飞虱有深色和浅色两种色型，翅型分长翅型和短翅型两种。长翅型成虫体长约3.6-4.8 mm；短翅型体长2.5-4.0 mm。褐飞虱的抗寒力较弱，因此各虫态均无滞育越冬的特性。长翅型成虫为迁飞扩散型，能够借助风力协调水稻生育期进行南北的往返迁飞。长翅型成虫具有趋光性，故灯诱也可作褐飞虱迁入的预测方法。短翅型雌虫繁殖能力较长翅型强，表现为产卵前期短，发育历期长，繁殖能力强，故短翅型成虫也被称作定居繁殖型，一般田间出现大量短翅型成虫则预示着虫害大面积的发生。此外长短翅的分化不仅受基因的影响，还可由于外界环境如光照、温度、湿度、水稻品种等的变化而发生改变^[16]。飞虱是世界性分布的昆虫，已经成为危害水稻最严重的害虫之一。

    1.1.2 寄主和取食

       褐飞虱是一种单食性害虫，水稻是褐飞虱的主要寄主，它们寄居在稻丛基部，但在特殊条件下，稗草也可能成为它的寄主植物。褐飞虱是一种典型的刺吸式口器昆虫，通过口针直接吸食水稻植株维管组织汁液，消耗植株养分。它的取食行为可分为：a对寄主植物进行定向，以便发现寄主；b用唇基探索，寻找刺吸部位；c口针刺探，在薄壁细胞中选择特定的刺吸部位；d借助肌肉的作用，在筛管内进行口针刺吸。取食时，喙与其头部垂直成一直角，当两根上颚口针刺入植物内部深度相同时，两根下颚口针立即跟随刺入，多次重复后，口针可达到刺吸部位并固定，开始吸食汁液，同时排泄蜜露。

1.1.3 褐飞虱的危害

        褐飞虱是水稻上首要的害虫，在20世纪60年代，褐飞虱只在亚洲部分地区爆发成灾，但是，自20世纪70年代以来，我国长江流域、西南及华南广大稻区上连续爆发，对水稻造成极为严重的危害。在中国，从80年代至今，褐飞虱年均危害水稻面积约1500~2000万hm2，发生面积占水稻种植总面积的一半甚至是以上，造成稻谷产量损失数十亿公斤。1987年，褐飞虱在全国1800万公顷的稻区面积爆发，损失了近20亿公斤的稻谷；1991年，褐飞虱再次全国大爆发，发生面积达2300万公顷，导致水稻大片绝收，损失异常惨重；1997年以后，由于气候条件的适宜等原因，褐飞虱的爆发给我国造成了巨大的经济损失。
褐飞虱对水稻的为害主要有一下3个方面：
       A刺吸为害：飞虱以成虫、若虫群集在稻丛基部进行直接刺吸为害，直接吸食汁液，消耗养分，使谷粒干瘪。除此以外，飞虱取食时分泌的唾液，会影响水稻植株内养分和水分的输送，严重时，可导致叶片枯黄，状似火烧，下部变黑腐烂，引起倒伏，俗称“虱烧”。
       B产卵为害：飞虱产卵时用产卵器在植物表皮上划一条裂缝，将卵逐个产下，这样就造成了许多伤口，使得稻株内的水分直接由伤口向外扩散。同时，由于输导组织的破坏，同化作用的减弱，加速了稻株的枯黄与倒伏。
       C病害传播：褐飞虱取食与产卵的造成的伤口有利于小球菌核病、水稻纹枯病的浸染。同时，排泄的蜜露，富含氨基酸、糖类等，易引发霉菌，影响水稻生长，造成稻谷产量减少。

   1.1.4 褐飞虱的防治

       褐飞虱的防治方法有很多，包括农业防治、生物防治和化学防治等。农业防治要做水稻间布局合理，施足基肥，合理追肥等。化学防治要注意选用低浓度高效农药如吡虫啉，吡蚜酮及其复配制剂与氨基甲酸酯类农药交替轮换使用。还要做好虫情监测，及时掌握发生动态。注意田间天敌的保护和利用。本文研究抑制植物内源H₂O₂对褐飞虱生长发育的影响，希望找到一种新的方式来防治褐飞虱。

   1.2  H₂O₂信号途径的研究进展

         H₂O₂信号途径作为植物体内重要的信号分子之一^[8]，之前的研究指出了H₂O₂是生物体内活性氧自由基（Reactive Oxygen Species, ROS）一类的物质，ROS可以在胁迫的条件下起到信号分子作用，并且以一定的浓度参与多种植株生理反应，比如增强植物抗病性。H₂O₂参与调控植物的生长发育，提高植株适应环境胁迫能力，在植物细胞程序性死亡过程中发挥着调节作用。
        研究相继报道称：H₂O₂信号通路广泛参与植物体诱导抗病反应。等人指出研究指出当病原物危害植物时，植物体内细胞遭受程序性死亡并伴有过敏性反应，这一系列的效应都可见H₂O₂参与其中。黑森瘿蚊（Mayetiola destructor）的幼虫能迅速而又持久地诱导小麦（Triticum aestivum）损伤部位H₂O₂的积累。豌豆蚜（Acyrthosiphon pisum）则通过增加H₂O₂的合成使得豌豆叶片中陷入氧化胁迫中。水稻中分别沉默OsWRKY70、OsERF或过量表达OsWRKY53显著提高褐飞虱诱导的H₂O₂含量，并增强植株对褐飞虱的抗性。德国的Baldwin发现褐飞虱取食危害水稻以后,水稻植株可以得放更多的H₂O₂，并且用激发子β-葡萄糖处理诱导后植株也产生了同样的效果。针对烟草Nicotiana tabacum的研究也获得了突破性的认识, Germin-like protein（GLP）基因被敲除后获得反义抑制突变体, 虫害后可监测到烟草体内H₂O₂和次生化合物合量都呈现下降表现,最终也解释了抗虫性减弱的现象 ， 这些结果都明确指出烟草体内 Germin-like protein基因合成与H₂O₂的产生密切相关。周国鑫等在对水稻外施SA后发现，水稻体内的H₂O₂信号转导途径能被其激活，揭示了H₂O₂信号通路在防御反应中起到了级联植物体内其他信号途径的作用。H₂O₂在植物应对植食性昆虫的反应中发挥了重要作用。

    1.3 研究的目的与意义及内容

       水稻是一年生禾本科植物，属于直接经济作物，水稻常年种植面积约三千万公顷，是世界上近三分之一人口的主食，更是我国最重要的农作物之一。然而褐飞虱给水稻带来的损失远远超出我们所能预计的，刺吸水稻汁液、造成黄叶或枯死等使稻谷产量损失惨重。本实验用以下内容对褐飞虱进行初探，明确过氧化氢信号途径是否对褐飞虱的生长发育起到一定的影响。