草食诱导植物挥发物介导的亚洲二倍体棉种(Gossypium herbaceum L.)与棉叶蝉(Amrasca biguttula biguttula (Ishida))间的互作：对可持续害虫治理的启示

《Journal of Cotton Research》：Herbivory-induced volatile-mediated interactions between the diploid cotton Gossypium herbaceum L. and the leafhopper Amrasca biguttula biguttula (Ishida): implications for sustainable pest management

摘要：棉叶蝉(Amrasca biguttula biguttula (Ishida)，同翅目：叶蝉科)是棉花生产中的重要害虫，可造成严重的产量与品质损失。其对常用杀虫剂日益增强的抗性凸显了亟需开发非化学防治替代策略的紧迫性。传统及未高度改良的栽培棉种被认为保有固有防御机制，包括释放可驱避植食性昆虫或吸引其天敌的植食诱导植物挥发物(herbivore-induced plant volatiles, HIPVs)。在此背景下，本研究旨在鉴定亚洲棉种Gossypium herbaceum受叶蝉取食后释放的特定挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs)，这些化合物能引起成年雌叶蝉的行为反应，以探讨其在环境友好型害虫治理中的应用潜力。嗅觉仪测定显示，将成年雌叶蝉暴露于健康G. herbaceum植株释放的挥发物时观察到吸引反应；相反，G. herbaceum产生的HIPVs表现出拒斥作用。比较分析发现健康植株与释放HIPVs植株的挥发物谱存在显著差异。利用雌叶蝉触角进行气相色谱-触角电位检测(gas chromatography coupled with electroantennographic detection, GC-EAD)，从健康及释放HIPVs的植株中共鉴定出18个具电生理活性的挥发物组分。对其中的7种化合物进一步开展嗅觉仪行为测定：n-十一烷(n-undecane)、水杨酸甲酯(methyl salicylate)、4-乙基苯乙酮(4-ethylacetophenone)、n-十三烷(n-tridecane)和n-十五烷(n-pentadecane)对雌叶蝉具吸引作用；α-蒎烯(α-pinene)和乙酸苄酯(benzoic acid ethyl ester，即苯甲酸乙酯)对雌A. biguttula biguttula具驱避效应。研究结果表明G. herbaceum的HIPVs在调控与棉叶蝉互作中具有明确的生态功能，作为植株响应植食胁迫的防御反应被合成，常发挥驱避植食性昆虫的作用。本研究鉴定的具电生理活性的化合物有望作为有效的引诱或驱避信号分子，可进一步研发用于棉叶蝉的环境可持续性治理策略。

论文解读：《Herbivory-induced volatile-mediated interactions between the diploid cotton Gossypium herbaceum L. and the leafhopper Amrasca biguttula biguttula (Ishida): implications for sustainable pest management》（发表于 Journal of Cotton Research）

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一、研究背景与意义

棉花（Gossypium spp.）是全球重要经济作物，但受棉叶蝉Amrasca biguttula biguttula (Ishida)（半翅目：叶蝉科）严重危害，可引致"叶蝉灼伤(hopper burn)"、萎蔫及生长受阻，造成高达50%的产量损失。目前田间棉叶蝉对新烟碱类、有机磷类等多种杀虫剂已产生抗性，且棉花种植消耗了印度近半数杀虫剂用量，开发非化学防治策略迫在眉睫。植物挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs)尤其是植食诱导植物挥发物(herbivore-induced plant volatiles, HIPVs)在植物—昆虫互作中起关键作用，既可驱避植食性昆虫又可吸引其天敌，属间接防御机制。亚洲棉Gossypium herbaceum为古老栽培棉种，较现代栽培品种保有更丰富的先天抗性（如密绒毛、叶表化学物质及组成型/诱导型次生代谢物），可产生多样化HIPVs。本研究由研究人员开展，旨在解析G. herbaceum健康植株挥发物与HIPVs对雌叶蝉的行为调控效应，鉴定关键电生理及行为活性成分，为基于植物挥发物的生态友好型害虫管理提供依据。

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二、主要关键技术方法概括

研究人员选用亚洲棉Gossypium herbaceum品系DDhC-11为材料，30日龄植株设健康对照与叶蝉侵染处理（每株接入100头成虫分两批）。采用动态顶空吸附法(Porapak Q捕集)收集挥发物，经四臂嗅觉仪(olfactometer)测定雌叶蝉对全株挥发物及合成标准品的行为反应（以停留时间与进入次数评价，数据经对数比转换后用线性混合效应模型分析）。挥发物组分经气相色谱—质谱(gas chromatography–mass spectrometry, GC–MS)鉴定并与NIST库及保留指数比对。具生物活性的组分通过气相色谱—触角电位检测(gas chromatography coupled with electroantennographic detection, GC–EAD)结合雌叶蝉触角筛选，再对市售合成标准品开展单体及模拟天然比例混配的行为验证测定。

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三、研究结果

Behavioural response of A. biguttula biguttula to plant volatiles（棉叶蝉对植株挥发物的行为反应）

研究人员通过四臂嗅觉仪测试雌叶蝉对健康G. herbaceum挥发物与HIPVs的反应，发现雌虫对健康植株挥发物显著趋向（在处理臂停留时间及进入次数均高于对照），而对叶蝉侵染植株释放的HIPVs显著回避（停留时间与进入次数低于对照），表明HIPVs可作为植食性昆虫的忌避线索。

GC–MS analysis of cotton plant volatiles（棉花植株挥发物的GC–MS分析）

GC–MS结果显示健康植株挥发物以烷烃类和酯类为主，反映基础代谢排放；叶蝉侵染后植株挥发物谱发生明显重构，萜烯类及特定醇类排放显著增加，证实植食胁迫激活了防御相关的代谢途径并产生特征性HIPVs（如α-蒎烯等在侵染植株中显著富集或独有）。

Electrophysiological responses to plant volatiles（对植株挥发物的电生理反应）

研究人员以GC–EAD检测雌叶蝉触角对各挥发份的反应，健康植株挥发物中检出10个具EAD活性的峰（含n-undecane、methyl salicylate、4-ethylacetophenone、n-tridecane、n-pentadecane等），HIPVs中检出8个具EAD活性的峰（含α-pinene、methyl salicylate、benzoic acid ethyl ester等），说明叶蝉可通过触角区分健康与受害植株的挥发物组合。

Olfactometer bioassays with synthetic EAD active compounds（合成EAD活性化合物的嗅觉仪生物测定）

对可获得的EAD活性合成标品进行行为测定：n-undecane、methyl salicylate、4-ethylacetophenone、n-tridecane、n-pentadecane及n-eicosane对雌叶蝉具显著吸引作用（humulene无显著效应）；按健康植株比例配制的七组分合成混合物亦显著吸引叶蝉。α-pinene与benzoic acid ethyl ester单独不表现强驱避，但含α-pinene + methyl salicylate + benzoic acid ethyl ester的三组分HIPV模拟混合物显著驱避雌叶蝉（停留时间与进入次数减少），证实HIPV混合物的拒避效应依赖于组分间的协同。

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四、讨论与结论翻译

讨论要点总结：

宿主选择受嗅觉线索调控，本研究证实雌叶蝉被健康G. herbaceum挥发物吸引而被HIPVs驱避，后者代表间接防御。HIPVs中萜烯类等增加与茉莉酸(jasmonic acid, JA)和水杨酸(salicylic acid, SA)信号通路激活相符。methyl salicylate具情境依赖性——在健康植株挥发物中作为引诱成分，在HIPV混合背景下参与驱避，体现挥发物混合比例决定生态效应。合成健康植株挥发物混配物较单一组分引诱更强，HIPV混配物具驱避性，支持其在推–拉策略(push–pull strategy)中应用潜力。G. herbaceum是培育抗虫棉的重要基因资源。

结论（译自原文Conclusion）：

本研究表明G. herbaceum释放的VOCs尤其HIPVs通过驱避雌叶蝉影响寄主选择，具电生理活性的VOCs在开发推–拉策略以减少化学杀虫剂依赖方面具应用潜力，同时提示G. herbaceum可作为增强棉花抗虫性的遗传资源。利用植物挥发物介导的互作为管理叶蝉虫害提供了前景广阔的可持续途径。后续研究应聚焦田间验证及其与生物防治体系的整合。