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小白菜抵禦蟲害時硫苷含量變化的探究

2021-06-30 16:28:01 來源: 世界杯賽程預測 導刊

　　小白菜抵禦蟲害時硫苷含量變化的探究
　　在植物的一生中，它麵臨著非常複雜、充滿威脅的生存環境，要麵臨滅絕的危險，但植物通過物種進化的方式形成了各種各樣的防禦機製。十字花科植物中有很多種類是我國重要的經濟作物，比如小白菜、芥菜、甘藍、油菜等。而小菜蛾是一種喜好取食十字花科植物的雜食性昆蟲，特別是當小菜蛾成長為2~3齡幼蟲時，對十字花科植物有極大的危害性，給我國的農業生產帶來了不可估量的經濟損失。硫代葡萄糖苷（簡稱硫苷）是一種特殊的存在於十字花科植物中的次生代謝物質，在植株的防禦機製中發揮著重要作用，同時，硫苷還賦予了十字花科植物特殊的風味，在人類的防癌、抗癌方麵也有一定功能。我們的課題就是研究十字花科蔬菜的小白菜是如何在小菜蛾取食的情況下誘導產生出一係列防禦機製的。在我們的實驗中，發現了：在被害蟲取食72h 後，小白菜植株被害蟲取食的地上部分葉片的硫苷含量趨於增加，硫苷可以在植物體內形成非均勻分布的模式，並且容易遭受昆蟲取食的部位和植物的繁殖器官容易積累更多硫苷。
　　引言
　　植物的進化麵臨著複雜多變的環境，比如被害蟲取食，被動物當作食物，被人類當作糧食，甚至生存環境會被洪澇、幹旱等極端條件影響，或者被細菌病毒浸染。因而進化出了一係列防禦機製，如“組成型防禦”指的是植物利用自身固有特征，來阻止昆蟲取食或病原菌浸染，這種防禦方式是植物與生俱來的，外界環境對其影響不大，並且可以在植物體內持續地發揮作用；而“誘導型防禦”則指的是植物因為遭受昆蟲取食或被機械損傷等行為的誘導，而產生了某種物質來避免或減少被取食造成的傷害，這是在植物被外界損傷後才表現出的防禦反應，例如煙草被害蟲取食後會讓根部開始生產尼古丁將害蟲毒死，從而達到防禦的目的。
　　十字花科是一個經濟價值較大的科。全世界有300屬以上，3200種左右。主產地為北溫帶。在我國有95屬，400餘種，全國各地均有分布，其中以西北、西南及東北的高山區或丘陵、平原地帶分布為多，是我國主要的經濟作物。一般可分為四類：甘藍類、芥菜類、白菜類和蘿卜類。
　　小菜蛾，鱗翅目菜蛾科，主要為害的蔬菜品種包括甘藍、紫甘藍、青花菜、薹菜、芥菜、花椰菜、白菜、油菜、蘿卜等十字花科農作物。其為害特點：初齡幼蟲僅取食葉肉，留下表皮，在菜葉上形成一個個透明的斑，即常說的“開天窗”。3~4齡幼蟲可將菜葉食成孔洞和缺刻，嚴重時植株全葉被吃成網狀。在苗期常集中心葉為害，影響包心。在留種株上，危害嫩莖、幼莢和籽粒。
　　硫代葡萄糖苷（簡稱硫苷），是十字花科蔬菜中的重要的也是其特有的一種次生代謝產物。學者根據側鏈基團的不同，把硫苷分為三大類，包括脂肪族硫苷、芳香族硫苷與吲哚族硫苷。硫代葡萄糖苷不僅在植株的防禦機製中起著舉足輕重的作用，同時，十字花科植物中存在的特殊風味也與硫苷有關，而且硫苷還在人類的健康方麵也有一定功能，科學家倡導常吃白菜、蘿卜、甘藍等新鮮蔬菜可以防癌便是出於十字花科蔬菜含有硫苷的原因[2]。
　　我們選擇這個課題，希望通過比較農業生產中廣泛種植的小白菜在受到雜食性昆蟲小菜蛾的取食為害後，植株體內硫苷含量是如何變化的，希望研究硫苷在十字花科植物防禦體係中發揮的作用，在未來可以更多地去提取該類硫苷來開發“綠色農藥”幫助十字花科植物建立更佳優越的防禦機製。
　　材料和方法
　　實驗材料
　　十字花科蔬菜：小白菜，2~3齡小菜蛾幼蟲，育苗營養缽，基質土，光照培養箱，塑料罐。
　　實驗方案
　　育苗：將四種蔬菜分別播種於育苗盤當中，做好標記，標明播種時間。
　　移栽：等待3~4天，幼苗長出3~4片葉子後，選擇長勢一致的幼苗，小心移植到營養缽中，移植過程中注意避免機械損傷。
　　培養：為了防止其他蟲害和機械損傷，將植株放置在光照培養箱中進行育苗培養。待幼苗長至四葉一心、八葉一心和十二葉一心，對幼苗進行蟲吃處理。
　　蟲吃處理：實驗處理前，將小菜蛾進行饑餓處理5h，然後把小菜蛾放置在葉片上，每棵植株上放置3頭。再把塑料罐的底部用剪刀剪去，透明塑料罐倒扣在營養缽上，這樣既能透氣又能透光，同時用圓形紙片將營養缽中的土全部蓋住，以上措施主要為了防止小菜蛾逃逸。
　　觀察與檢測：分別於不同時間進行觀察並拍照記錄。蟲吃處理後，進行硫苷含量的檢測。
　　硫苷提取：取樣時以三株為一組處理，並且每組設置三次生物學重複，植株成熟並進行接蟲處理采收後，分別做好標記放入提前準備好的網袋中，進行液氮速凍保鮮。然後存放於-80℃冰箱，以便用於硫苷的提取和檢測。檢測時先對樣品進行萃取，提取出硫苷後采用高效液相色譜法分析樣品中的硫苷含量[3]。
　　數據處理，采用Excel進行數據處理與作圖，SPSS進行差異顯著性分析。
　　結果與分析
　　小菜蛾取食小白菜時間的探究
　　我們根據觀察實驗，發現小菜蛾對於小白菜的取食偏好主要集中在新生葉片部分，而且相比於八葉期植株和十二葉期植株，小菜蛾更偏好於取食四葉期植株。越靠近植株包心部分，受小菜蛾取食也更嚴重。此外，隨著時間的延長，蟲齡越大，植株被損害程度也越嚴重。
　　不同生長期小白菜硫苷含量的分析
　　通過文獻查詢確定植株體內硫苷組分，使用高效液相色譜法對小白菜植株中不同種類的硫苷含量進行分析，比較鑒定出小白菜植株中硫苷種類一共有8種（圖2），他們的名稱分別是：2-羥基-3-丁烯基硫苷、5-甲基亞硫酰戊烷基硫苷、3-丁烯基硫苷、4-羥基-3-吲哚基硫苷、4－戊稀基硫苷、2-苯乙基硫苷、4-甲氧基-3-吲哚基甲基硫苷、1-甲氧基-3-吲哚基甲基硫苷。
　　此外，不同時期總硫苷和各類硫苷的含量也有所不同，即四葉期植株、八葉期植株和十二葉期植株中葉片的硫苷含量也存在不同。從四葉期植株到八葉期植株，我們發現葉片中的硫苷含量呈顯著上升趨勢（p< 0.05），而八葉期植株硫苷含量則達到峰值，到十二葉期時植株的硫苷含量有所下降（圖3）。其中，小白菜植株中吲哚族和芳香族的硫苷含量變化趨勢與總硫苷含量的變化趨勢一致，即在八葉期時含量最高，而在四葉期和十二葉期含量較低。脂肪族硫苷的含量則是隨著葉期的生長而呈現逐漸下降的趨勢，在十二葉期時含量達到了最低。另外，從圖中還可以發現，在不同的時期，小白菜植株中脂肪族硫苷、吲哚族硫苷和芳香族硫苷的含量分別占總硫苷含量的比重也有所不同。在植株四葉期時，脂肪族硫苷含量的占比是最高的，約占總硫苷含量的 65%；生長至八葉期時，吲哚族硫苷含量所占的比重最大，占總硫含量苷的 48%；到十二葉期時脂肪族硫苷與吲哚族硫苷的含量相差不大。此外，在這三個時期當中，芳香族硫苷的含量所占比例都是最低的。
　　聯係我們的觀察實驗，這一結果告訴我們，對於小白菜植株來說，四葉期相比於八葉期和十二葉期來說更容易遭受昆蟲取食或者承受更多潛在的其他威脅，所以小白菜植株體內產生了更多脂肪族硫苷來幫助植株抵禦外界給小白菜帶來的危害；而隨著植株的生長，到八葉期時植株體內的硫苷含量累計達到了峰值，且增加的硫苷也主要以吲哚族和芳香族硫苷為主，脂肪族硫苷含量則在慢慢減少。
　　小菜蛾取食後小白菜中硫苷含量變化
　　我們對不同時期的小白菜進行含量檢測，發現小白菜在八葉期含量已累計達到峰值，說明此前小白菜硫苷含量處於加速積累狀態，因此為了減小因植株生長造成的硫苷含量增加的誤差，我們在探究小白菜被雜食性昆蟲小菜蛾取食後植株體內硫苷含量的變化時，選擇的是長勢一致的八葉期植株，在光照培養箱中接同一時期的小菜蛾幼蟲，分別提取不同時間的對照植株和進行了接蟲處理後葉片中的硫苷，利用高效液相色譜法進行對照組和實驗組硫苷含量的鑒定。發現接蟲處理後植株總硫苷在被昆蟲危害的不同時間植株體內硫苷含量的變化都有所不同（圖4）。
　　對小菜蛾取食後的72h內選取了四個時間點：1h、24h、48h和72h進行硫苷含量的檢測。我們發現，隨著時間的延長，不論是總硫苷含量還是各不同種類的硫苷含量，都表現出整體上升趨勢，這一結果說明小菜蛾取食確實能夠引起硫苷含量的增加。
　　在我們的實驗結果中，植株被昆蟲取食 1h 後，硫苷含量增加不顯著(p< 0.05)，24h 後硫苷含量明顯上升，與對照差異性顯著，在48 h 後硫苷的含量呈增加趨勢，但上升的幅度卻逐漸減弱，被小菜蛾取食72h 時達到其最高值 2.02µmol/g，相比對照的 1.15µmol/ g，含量了上升將近 0.8 倍。在被小菜蛾取食前後，小白菜植株體內的脂肪族硫苷在總硫苷含量中都確實占主要比重，而被小菜蛾取食 1h 後脂肪族硫苷明顯上升，隨取食時間的延長，脂肪族硫苷的含量逐漸升高，48h 達到最高值1.135µmol/ g，比對照組硫苷含量增加了 59%。此外，吲哚族硫苷含量的變化與總硫苷含量的變化趨勢一致，含量最高的 72h 相比於對照增加 136%。芳香族硫苷的含量較低，被小菜蛾取食24h 後達到最高，增加近 63.5%，而在被小菜蛾取食 48h 和 72h後，芳香族硫苷的含量都出現了顯著降低。
　　結果與討論
　　在抵禦十字花科植物被害蟲取食方麵，硫苷一直扮演者十分重要的角色。本實驗研究了小白菜在不同葉期時葉片中硫苷含量的變化，發現四葉期到八葉期硫苷含量加速累積，十二葉期時葉片中的硫苷含量下降，說明小白菜葉片在不同生長期的硫苷含量處於不斷的變化之中。硫苷在植株的體內是不斷產生和積累的，而十二葉期硫苷含量的下降，則可能是因為植株中硫苷的積累速率是不高於植物的生長速率的，所以表現出來了硫苷在植株體內出現含量降低的情況，同時也有可能是由於隨著植株的不斷生長和發育，葉片新合成的硫苷又被運輸到了植物的莖部或地下根等其他部位的器官所導致的。除此之外，本實驗還發現，小白菜在生長至四葉期時受昆蟲取食為害最為嚴重，所以小白菜植株體內會產生更多硫苷希望幫助植株抵禦昆蟲取食給小白菜帶來的危害，而這些產生的硫苷在植株生長至八葉期時累積達到了峰值；同時，在遭受害蟲取食為害1h，硫苷含量即開始上升，待被為害24-48h時，植株體內的硫苷處於加速積累的過程，而且產生的硫苷也主要以脂肪族硫苷和吲哚族硫苷為主，這證明了小白菜在處於不利環境時，植株體內會產生更多硫苷以幫助植株減少和抵禦來自外界環境的侵害。
　　為了揭示害蟲取食植株後引起硫苷含量變化的反應機理，我們利用害蟲小菜蛾對十字花科蔬菜品種小白菜進行接蟲處理，能夠幫助我們更加深入地了解硫苷在植物抗蟲防禦體係中所起到的重要作用。在我們的實驗中發現：在被害蟲取食72h 後，小白菜被害蟲取食的地上部葉片硫苷含量增加，說明硫苷介導的防禦體係的確響應了害蟲脅迫，對增加植物抗蟲的阻力也會起到一定的作用。此外，研究表明，硫苷可以在植物體內形成非均勻分布的模式，而且在易受昆蟲取食的部位以及植物的繁殖器官當中會容易積累更多硫苷。
　　在實驗過程中，由於時間和條件的限製，我們無法測量蟲體內的解毒酶來觀察蟲體的變化，所以用測量植株內的硫苷含量變化來進行替代。不同植株和種類中硫苷的含量也存在很大差別，這些差別究竟對植物的防禦起到了怎樣不同的影響，這些問題有待於我們進一步去研究發現。明確以硫苷介導的植物防禦機理，這對於將來在植物抗菌、抗蟲和抗病方麵的研究將會有重要意義[4] 。
　　本研究創新點
　　在對各類文獻的查找過程中，我們發現雖然有關十字花科植物硫苷產生機製的研究比較多，但對於害蟲取食誘導十字花科產生硫苷防禦機製的研究並不多。我們在本實驗中設置了植株在不同生長時期（四葉期、八葉期和十二葉期）被害蟲取食做比較，發現害蟲更傾向於取食四葉期植株，而且從四葉到八葉這一段時期硫苷是呈加速積累狀態的；此外我們還設置了被害蟲取食後不同時間（1h、24h、48h和72h）測量硫苷變化，發現被害蟲取食72h時達到最高值，而且脂肪族硫苷在植株防禦機製中更起著主要作用。
　　研究感悟
　　植物為了生存必須拚盡全力，它們的祖先們由於承受了巨大的被取食的壓力，所以需要不斷進化，進化出了一係列防禦機製。根據防禦方式的不同，我們可以將這種進化出來的優異性狀防蟲術統分為兩類：一類是非常直接的，稱之為“直接防禦”。比如，有些植物會讓自己變得很難吃，於是蟲子吃得就少了，或者幹脆不吃了；有些植物長出堅硬鋒利的刺、毛，嚴禁蟲子靠近，或者給自己穿上厚厚的盔甲，增強角質層的厚度，增多蠟質的合成，讓蟲子們咬不動；植物還可以通過改變果實和葉片的形狀、大小、顏色，改變植株性狀等進行直接防禦。另外一類植物的防禦方式是間接的，稱之為“間接防禦”。有的植物在遭受蟲子襲擊的時候就釋放出一些揮發性化合物，釋放到空氣中，引誘植物的天敵前來捕食蟲子。此外，次生代謝產物在植物的整個代謝活動中都具有重要作用。大量的文獻表明，次生代謝物質在植物的抗蟲、抗病、抗逆方麵起重要作用，有的次生代謝產物可以增強植物的抗蟲性、抗病性，有的則可以作為植物逆境傳遞信號等，比如十字花科植物中特有的硫苷[5] 、橡膠樹產生的大量橡膠[6]和甜菊葉中特有的甜菊甙[7]等都是重要的植物次生代謝產物。
　　研究表明，植物和昆蟲的關係可以分為兩類：一類是相互受益，比如，昆蟲給植物傳播花粉，而植物為昆蟲提供食物然而，自然界中更普遍的植物和蟲的關係卻是第二類——單純的取食行為。事實上，所有的植物都會被至少一種蟲類所取食，這就是共進化理論。植物為應對極大的環境挑戰二形成了各自的防禦機製，包括組成型防禦，如許多植物都隻是靠吸收土壤裏的營養而生長，但豬籠草卻與眾不同——它不但靠吸收土壤裏的營養而生長，還吸收昆蟲裏的營養；或誘導型防禦，如植物通過進化，產生一係列的次生代謝物，十字花科植物就產生了特殊的次生代謝產物——硫苷，保護了自身。在這個實驗當中，我更加深刻地認識了植物防禦機製的重要性，雖然對我來說這個實驗比較難，但是在指導老師的幫助下我學會了很多知識，比如硫苷的提取、液相色譜圖的分析、怎樣去計算硫苷含量等，都是在學校裏學不到的知識。這項研究讓我對化學、生物產生了很大興趣，希望未來我也可以為我國的科研事業出一把力！
　　參考文獻：
　　[1] Baskar V, Gururani MA, Yu JW. Engineering glucosinolates in plants: current knowledge and potential uses[J]. Appl. Biochem. Biotechnol., 2012, 168(6): 1694-717.
　　[2] 馬小麗, 何瑋毅, 尤民生. 取食十字花科植物的植食性昆蟲與寄主植物硫苷的互作[J]. 昆蟲學報, 2017(9).
　　[3]陳新娟, 朱祝軍, 錢瓊秋, 倪曉蕾, 楊靜. 硫代葡萄糖苷的提取、分離和鑒定. 中國食品學報, 2007, 7(003), 43-48.
　　[4]彭佩, 卿誌星, 田豔,等. 十字花科植物中硫代葡萄糖苷激發因子研究進展[J].世界杯賽程預測質量檢測學報, 2019, 10(04):74-79.
　　[5]段禮新, 陳芳, 蔡光明,等. 天然硫苷化合物的研究進展[C]. 中國藥理學會製藥工業專業委員會學術會議,國際生物醫藥及生物技術論壇. 0.
　　[6]高政權, 孟春曉. 橡膠素(Hevein)和幾丁質酶在橡膠樹排膠中的作用[J]. 安徽農業科學, 2007, 035(009):2727-2728.
　　[7]李玉秀, 陳錦濤, 馬永明. 甜菊糖甙的提取、測定和利用[J]. 亞熱帶植物科學, 1981, 10(2):19-26.
　　作者簡介：
　　李陽，女，漢，河南南陽。科學教師，碩士學曆，植物學專業。
　　李陽 錢櫟愷
　　上海民辦建平遠翔學校
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