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植物诱导抗性是指植物在遭到植食者攻击、病菌入侵或外来因子破坏时,通过改变自身理化特性而表现出来的一种防御特性[1-2], 主要包括诱导抗虫性和诱导抗病性[3]。植物诱导抗虫性主要表现为提高防御酶活力以及增加次生代谢产物含量等,如单宁及酚类等次生化合物含量的变化,来影响昆虫的生长发育、取食等行为[4]。多酚氧化酶(PPO)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)是植物体内主要防御性酶,胰蛋白酶抑制剂(TI)、胰凝乳蛋白酶抑制剂(CI)是植物体内2种主要的蛋白酶抑制剂(PIs),它们都是植物体内重要的防御蛋白[5];黄酮、单宁、木质素为植物次生代谢产物,通过莽草酸代谢途径形成的,与植物抗性密切相关[6]。
已有研究证明,能够激发植物诱导抗虫性的方法很多,包括植食者啃食与机械损伤[7]、光照强度[8]、外源激素处理[9]以及林分结构[10]等,其中,针阔混交林可以诱导针叶内次生物质含量发生改变。长白落叶松(Larix olgensis)是东北地区主栽树种,大多数人工林树种单一,结构简单,易发生森林病虫害,造成重大的经济损失[11]。在实践中人们认识到,林分多样性和稳定性与森林病虫害的发生密切相关,将营造混交林作为森林病虫害防治中的一项治本措施。黄金塔[12]对不同林分类型木麻黄蛀干害虫发生情况调查发现,木麻黄与湿地松、桉树混交可以减轻星天牛(Anoplophora chinensis)、多纹豹蠹蛾(Zeuzera multistrigata)等蛀干害虫对木麻黄的危害。刘巧红等[10]对自然状态下油松纯林和油松-山杏混交林内的油松针叶中的生化物质含量进行测定,发现不同时间混交林和纯林油松针叶内的蛋白质、可溶性糖、还原糖、粗脂肪、单宁、总酚含量有所差异;也有学者发现,落叶松混交林能够提高土壤微生物总量,使土壤中过氧化氢酶、蛋白酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性增强[13];同时,落叶松枝叶的挥发性萜烯烃类能够明显抑制水曲柳的生长[14],这些植物间的生化作用被称为植物化感作用。植物的化感作用在自然界中普遍存在,对林木生长发育具有非常重要的影响;然而,在针阔混交林中,这种化感作用对不同林型、树龄林木中抗虫性化合物的影响如何?还鲜见报道。为此,本试验以落叶松纯林、落叶松-水曲柳林混交林为试验对象,研究不同混交林分类型对长白落叶松针叶内防御蛋白活性及次生代谢物质含量的影响,探讨不同混交林型诱导长白落叶松抗虫性的差异,为林业造林合理营造混交林防治害虫提供借鉴。
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2015年7月在东北林业大学帽儿山实验林场选取2个试验地点:
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地理位置为127°36′~127°39′ E,45°23′~45°26′ N,平均海拔390 m。平均降水量为723 mm,无霜期120~140 d,≥10℃的积温为2 526℃。试验地落叶松纯林和落叶松与水曲柳混交林营造于1987年,纯林和混交林同处于东坡的中下部, 坡度为6°~15°,土壤是典型暗棕壤,林下植被主要有错草、毛边苔草等。
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127°30′~127°34′ E,45°20′~45°25′ N,平均海拔300 m。年平均降水量780 mm,无霜期120~140 d,有效积温2 636℃。该试验地落叶松纯林和落叶松与水曲柳混交林营造于1997年。纯林和混交林同处于东坡的中下部, 坡度为6°~10°,土壤为黑土壤,林下植被主要为小叶樟等居多。
2个试验地均选取2年生水曲柳苗木造林,落叶松为3年生苗木造林,株行距均为1.5 m×2 m,林分类型见表 1。
试验样地
Sample stands林龄
Forest age/a林分类型
Forestry typle标记编号
Tag number林分密度
Forestry density/(tree·hm-2)尖砬沟 30 落叶松纯林 CL30 2 886 落叶松4行-水曲柳4行混交 HJ30(4:4) 2 315 张家湾 20 落叶松纯林 CL20 2 409 落叶松4行-水曲柳4行混交 HJ20(4:4) 1 825 落叶松2行-水曲柳10行混交 HJ20(2:10) 1 950 Table 1. Forestry typle of different sample stands
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分别选取长势一致的3株落叶松针叶为1次重复,每种林型3次重复,每个重复采摘50 g针叶。将针叶置于冰箱冷冻保存,用于测定针叶内相关蛋白酶活性和防御性化合物含量的变化。
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每个样品准确称取0.5 g针叶鲜样放于研钵内,加入液氮,在冰浴条件下研磨用于测定防御酶活性。参照杨世勇等[15]人的方法对PPO进行提取和酶活性测定,加入0.5 mL酶液,以0.5 min内OD420变化0.01为1个酶活单位(U·g-1),重复5次。参照王燕芳等[16]的方法对PAL进行提取和酶活性测定,加入0.2 mL酶液,以单位时间(h)内OD290增加0.01为1个酶活性单位(U·g-1)。
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TI和CI活力的测定参照石蕾[17]的方法,并略作修改。酶活性测定时,酶液和抑制剂加入量分别为100 mL和20 mL、80 mL和40 mL, 每个重复测定5次。
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参照武予清等[18]的方法测定单宁的含量;参照杨帆[19]的方法测定黄酮含量;木质素含量的测定参照任琴等[20]和林葵等[21]的方法,均重复测定5次。
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利用SPSS17.0软件对张家湾落叶松林型中的落叶松针叶内防御酶活性及次生物质含量进行One-Way ANOVA方差分析,以LSD(最小显著法)法进行多重比较分析;以独立样本T检验对尖砬沟落叶松林型中落叶松针叶内防御酶活性及次生物质含量变化进行差异显著性分析。