《Journal of Applied Entomology》：Lethal Effects of the Wild Potato Solanum bulbocastanum on the Planthopper Pentastiridius leporinus, a Vector of Bacterial Pathogens in Potato
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本研究首次揭示了野生马铃薯Solanum bulbocastanum对马铃薯“细菌性块茎萎蔫病”的关键媒介昆虫Pentastiridius leporinus具有显著的致死效果。实验证明，尽管该飞虱偏好取食S. bulbocastanum，但取食后死亡率极高。代谢组学分析显示，致死效应与植株特有的生物活性化合物C16:3-solamine的摄入直接相关。此项发现为开发基于植物天然抗性（如诱杀植物策略）和作物育种（IPM）的新型可持续病害管理方案提供了关键的科学依据。
引言：一个新兴的农业威胁
马铃薯(Solanum tuberosum L.)是全球重要的粮食作物，但其生产正面临严峻挑战。自2022年以来，德国西南部地区的种薯生产急剧下降，这与一种相对较新的媒介昆虫——飞虱Pentastiridius leporinus的传播密切相关。该昆虫是两种植物病原细菌‘Candidatus Phytoplasma solani’（致病性植原体）和‘Candidatus Arsenophonus phytopathogenicus’的媒介，它们共同导致马铃薯“细菌性块茎萎蔫病”。感染会导致块茎橡胶化、失去加工能力，进而造成严重的产量和品质损失，甚至迫使受影响地区放弃种薯生产。目前，尚未发现抗病马铃薯品种，用于防止媒介昆虫传播的综合病虫害管理工具也十分有限。因此，寻找新的、可持续的管理策略迫在眉睫。野生马铃薯近缘种作为抗性基因的潜在来源，为应对此类挑战提供了希望。
材料与方法：多角度验证相互作用
本研究通过一系列精心设计的实验，系统评估了野生马铃薯Solanum bulbocastanum对P. leporinus的影响。
首先，研究人员进行了无选择死亡率实验。他们从德国西南部的不同地点采集了P. leporinus成虫，将其分别放置在栽有商业马铃薯品种‘Gala’和野生种S. bulbocastanum的传输圆筒中，在控制环境条件（22°C，55%相对湿度，18/6小时光暗周期）下进行为期11天的观察，每日记录死亡个体。实验重复了两次，使用了来自不同种群和采集时间的昆虫。
其次，为了解昆虫的行为偏好，进行了双选择实验。在特制的昆虫笼中同时放入S. bulbocastanum和‘Gala’植株，将一定数量的飞虱置于笼中央，然后在30分钟、1小时、2小时、3小时、24小时和48小时后，分别统计停留在每种植物上的昆虫数量，以评估其偏好。
接着，为了证实取食行为，设计了植物汁液吸收与肠道染色实验。将两种植物的嫩枝插入含有亮蓝染料的溶液中，让飞虱取食。两天后，通过解剖并在体视显微镜下观察，确认昆虫肠道是否被蓝色染料染色，从而证明其确实从植物中吸收了汁液。
在化学分析方面，研究采用了液相色谱-质谱联用技术（LC/MS） 对取食两种植物的飞虱整体及其肠道提取物进行了代谢物分析。该方法旨在检测昆虫体内是否存在来自植物的特异性化合物。同时，利用气相色谱-质谱联用技术（GC/MS） 收集并分析了S. bulbocastanum和‘Gala’植株释放的挥发性有机化合物（VOCs），以探究两种植物气味谱的差异是否可能作为昆虫的嗅觉线索。所有数据均使用R语言进行了详细的统计分析。
结果：吸引与致命并存
无选择死亡率实验的结果令人瞩目。在S. bulbocastanum上的飞虱存活率极低。第一次实验中，92%的飞虱在第5天死亡，而‘Gala’上的死亡率仅为11%。第二次实验中，虽然整体死亡率较高，但趋势一致：第4天时，S. bulbocastanum上的死亡率为95%，而‘Gala’上为65%。到第11天实验结束时，所有取食野生马铃薯的飞虱均已死亡。统计学分析（Cox比例风险模型）确认，取食‘Gala’的飞虱死亡风险显著低于取食S. bulbocastanum的个体。性别对生存率没有显著影响。
更具启发性的是双选择实验的结果。尽管S. bulbocastanum具有致命效果，但飞虱却明显偏好它而不是‘Gala’。在实验早期（30分钟至1小时），飞虱停留在S. bulbocastanum上的预测概率高达0.86。在中期（2-3小时）和后期（48小时），这一概率虽略有下降，但仍显著高于对等选择水平，表明偏好持续存在。
植物汁液吸收实验为上述结果提供了直接证据。显微观察显示，取食两种植物的飞虱肠道均被蓝色染料染色，证实它们不仅降落在植物上，而且确实从S. bulbocastanum和‘Gala’中吸收了汁液。这排除了飞虱在S. bulbocastanum上因饥饿而死亡的可能性。
关键的化学证据来自LC/MS代谢物分析。对飞虱整体及其肠道的非靶向代谢组学分析显示，在检测到的数千个信号中，只有一个化合物在取食S. bulbocastanum的飞虱体内被特异性且显著地检出，那就是C16:3-solamine。该化合物是先前从S. bulbocastanum叶片中分离出的一种长链脂肪酰基聚胺（一种酰基多胺）。它在取食野生马铃薯的飞虱肠道中被普遍检测到，而在取食‘Gala’的个体中则完全未检出。其存在与否与飞虱的死亡高度相关。
最后，GC/MS分析揭示了两种植物的VOCs谱存在显著差异。在总共80种检测到的化合物中，有39种在两种植物间存在差异，其中32种为‘Gala’特有，7种为S. bulbocastanum特有。主坐标分析清楚地将两种植物的VOCs谱区分开来，这为飞虱能够通过嗅觉区分并偏好S. bulbocastanum提供了可能的化学基础。
讨论：从机制到应用潜力
本研究首次系统地探究了P. leporinus与S. bulbocastanum之间的相互作用，获得了几项重要发现。
核心发现是S. bulbocastanum对P. leporinus兼具吸引力和致死力。这种“吸引并杀死”的现象在害虫管理中具有特殊价值。致死效应很可能与昆虫摄入C16:3-solamine有关。此前的研究表明，该化合物对咀嚼式口器的害虫（如科罗拉多马铃薯甲虫和马铃薯跳甲）具有拒食活性。本研究发现，对于刺吸式口器的飞虱，该化合物可能通过取食进入体内并导致死亡。值得注意的是，实验证实C16:3-solamine不仅存在于叶片，也存在于茎秆中，因此能被以茎秆汁液为食的飞虱获取。
关于取食行为，染色实验提示P. leporinus可能摄取了木质部汁液。这对于一种已知主要取食韧皮部的昆虫而言是一个新发现，可能与其水分调节有关，但也可能影响病原菌的传播途径，值得后续用电位穿透图（EPG）等技术深入研究。
在嗅觉导向方面，两种植物VOCs谱的显著差异为飞虱的偏好行为提供了合理解释。未来的研究可通过触角电位图（EAG）和行为实验，鉴定出具体起吸引作用的活性化合物。
综合这些发现，S. bulbocastanum及其活性成分展现出作为可持续病害管理工具的巨大潜力。具体应用方向包括：
- 1.
诱杀植物：利用其吸引力，在田间种植S. bulbocastanum作为陷阱，吸引并大量杀死飞虱，从而降低媒介种群和田间病原菌的传播压力。这属于“推-拉”策略或“吸引并杀死”策略的一种天然形式。
- 2.
抗性育种：将S. bulbocastanum中的抗性基因（如控制C16:3-solamine合成的基因）通过传统或生物技术方法导入栽培马铃薯品种，培育对P. leporinus或所传病原菌具有耐受性或抗性的新品种。
- 3.
行为调控剂开发：分离鉴定其VOCs中的特异性吸引成分，或利用C16:3-solamine，开发用于监测或干扰飞虱行为的制剂。
然而，将这些发现付诸实践前，还需解决一系列问题。例如，需要评估S. bulbocastanum本身是否会被这两种病原菌感染并成为传染源，以及它在目标种植区（如德国）的农艺适应性（如对光周期和土壤的要求）。此外，还需进行田间小区试验，验证其作为诱杀植物的实际效果和对整体病虫害管理的贡献。
结论
本研究证实，野生马铃薯S. bulbocastanum对马铃薯关键媒介昆虫P. leporinus具有强烈的致死效应，且该效应与其特有的生物活性化合物C16:3-solamine的摄入相关。出乎意料的是，飞虱对这种致命植物表现出明显的偏好，这种特性为开发基于生态学原理的新型防控策略打开了大门。S. bulbocastanum本身、其提取物或挥发性成分，可作为未来研究“吸引并杀死”策略、抗性育种以及综合病虫害管理（IPM）方案的宝贵起点。这些发现为应对由P. leporinus传播的细菌性病害这一日益严重的农业挑战，提供了创新且环境友好的解决思路。
