1. 引言
二化螟(Chilo suppressalis)属鳞翅目螟蛾科，又称钻心虫、枯心虫，是我国水稻栽培上一种常发性、危害又较严重的害虫之一。随着全球气候变暖，二化螟越冬幼虫死亡率下降，为害期延长，二化螟抗药性也增强，从而造成了较大的产量损失[1]。当前，生产上水稻二化螟的防治仍以化学防治为主，农药用量和防治次数成倍增长致使环境污染加重，水稻大米中的农药残留增加，对人们的健康带来威胁。
β-罗勒烯广泛存在于不同的植物体中，不同植株都能合成β-罗勒烯[2]。植物在受到刺激时会释放β-罗勒烯，其诱导因素具有物种特异性[3]。有研究表明外源施加β-罗勒烯也能启动植物的防御反应，并且增强对外界刺激的抵抗能力[4]-[6]。
植物在受到节肢动物或微生物攻击后诱导植物产生一类挥发性气体，有机挥发性气体能有效提高周围植物抵抗病虫害危害的能力[7]-[9]。国内已有研究表明，β-罗勒烯对烟蚜种群有较好的防控效果[10]。β-罗勒烯是这一受激有机挥发物中的一种成分，它与植物防御启动密切相关的气体传导信号分子。已有研究报道，β-罗勒烯能够解除植株水杨酸(salicylic acid, SA)途径与茉莉酸(jasmonic acid, JA)途径之间的拮抗，诱导抗性基因PR1基因以及PDF1.2基因表达量同时上升，并改变次生代谢物图谱[11]。以上研究均表明β-罗勒烯在诱导植物抗虫方面有着巨大潜力，而国内外还未出现β-罗勒烯对水稻病虫害防治效果的研究，为此我们对β-罗勒烯对水稻二化螟的防治效果进行研究，为水稻病虫害的绿色防治提供了新思路。
2. 材料与方法
2.1. 实验材料
水稻品种：韶香100 (由万利合作社提供)。
2.2. 试剂设备
奥香敏：由β-罗勒烯为原料合成的植物免疫诱抗剂，由作物代谢调控与代谢工程实验室提供。其中，奥香敏(一)为撒播方式，奥香敏(二)为挂袋方式。
β-罗勒烯：购自西格玛公司。
化学农药第一次药剂：亩用：10%甲维茚虫威30克 + 5%阿维菌素150 ml + 75%肟菌戊唑醇10克 + 80%烯啶吡蚜酮15克；第二次：亩用10%甲维茚虫威45克 + 5%阿维菌素150 ml + 75%肟菌戊唑醇15克 + 80%烯啶吡蚜酮20克，采用无人机喷洒方式。
2.3. 试验地点与时间
湖南农业大学作物代谢调控与代谢工程试验室，长沙市望城区新康乡月圆村万利合作社(经度：112.82˚，纬度：28.34˚)。
试验时间：2023.07~2024.08。
2.4. 试验设计
大田试验主要调查二化螟防治效果、水稻农艺性状、产量三个方面。韶香100设置空白对照、化学农药、奥香敏处理(一)、奥香敏处理(二)共四个处理，其中空白对照、奥香敏处理(一)、奥香敏处理(二)不施加任何化学农药，各个处理之间用黑色薄膜阻隔，且间隔5 m避免相互影响，奥香敏处理时采用五点取样法选取五个点进行处理，每个处理点为1 m2。每次调查随机选取30株长势一致的水稻，记录其分蘖数、枯鞘数、总穗数、白穗数，再计算枯鞘株率与白穗株率。并在水稻生育期内测定以下农艺性状：分蘖数，株高，剑叶数，剑叶面积，结实率，产量等。
2.5. 调查内容及方法
待水稻过完返青期后开始对各处理水稻田施加奥香敏和化学农药，每隔两周施加奥香敏一次。待发现二化螟虫害后开始调查，调查时均采用五点取样的方式进行统计，每个点调查30穴水稻，前期调查分蘖数与枯鞘数，并且调查二化螟的数量大小情况，后期调查总穗数与白穗数，每隔一周调查一次，最后进行产量测定。在水稻根茬内采集二化螟，放入带有乙醚的大试管(4 cm × 12 cm)中，带回实验室测量长度与重量。产量估算，每个处理随机挑选三个取样点，每个取样点取该点1 m2内所有水稻进行测产，每点各取三穗统计每穗粒数、结实率、千粒重，脱粒后进行称重，记为鲜重，再取500 g水稻种子放至80˚烘箱烘烤，计算出含水量。试验数据使用Microsoft Excel 2019进行统计处理，采用 IBM SPSS Statistics 26进行方差分析(ANOVA)，通过LSD和Duncan方法进行多重比较(P < 0.05)，并采用Origin 2022软件进行绘图。
防治效果与实际产量计算公式如下：
(1)
(2)
(3)
3. 结果与分析
3.1. β-罗勒烯对二化螟的防治效果
3.1.1. 不同处理下枯鞘数的变化
水稻于3月28日播种，4月26日移栽，7月11日始穗，8月10日收割。分别在6月6日调查枯鞘数，8月3日调查白穗数，如图1所示，通过统计分析得出：前期枯鞘数中，奥香敏两个处理组显著低于对照组与化学农药组。后期白穗数中，奥香敏两个处理组与化学农药组显著低于对照组，其中奥香敏(一)的白穗数显著低于化学农药组与奥香敏(二)组。表明β-罗勒烯能够减少枯鞘数与白穗数的产生。
Figure 1. The number of withered sheath and white ear under different treatments
图1. 不同处理的枯鞘数与白穗数
3.1.2. 不同处理下防治水稻田二化螟效果
在水稻早期调查枯鞘率，后期调查白穗率，如表1所示，在施用化学农药的情况下，枯鞘率显著低于对照组，降低了1.34%，防效达到22.78%；白穗率降低了1.35%，防效达到29.07%。在施用奥香敏的情况下，枯鞘率显著低于对照组，分别降低了3.42%、2.72%，防效达到64.24%、49.37%；白穗率分别降低了1.29%、2.48%，防效达到29.77%、52.89%，其中奥香敏(二)中白穗率显著低于对照组。奥香敏相比于化学农药，枯鞘率分别降低了2.08%、1.38%，有显著性差异；白穗率中奥香敏(二)降低了1.13%，有显著性差异。表明β-罗勒烯对二化螟有较好的防治效果。
Table 1. Effect of different treatments on control of Chilo suppressalis in paddy field
表1. 不同处理下防治水稻田二化螟效果
处理 |
枯鞘株率(%) |
枯鞘株率防效(%) |
白穗株率(%) |
白穗株率防效(%) |
对照 |
5.53 a |
—— |
5.22 a |
—— |
化学农药 |
4.19 b |
22.78 |
3.87 a |
29.07 |
奥香敏(一) |
2.11 c |
64.24 |
3.93 a |
29.77 |
奥香敏(二) |
2.81 c |
49.37 |
2.74 b |
52.89 |
注：不同处理对应的各项数值中不同的小写字母表示单因素方差分析在0.05水平下，差异显著。
3.1.3. 不同处理下对二化螟生长发育的影响
在不同处理田块各挑选3穴虫害最为严重的水稻，记录二化螟的数量、长度、重量。如表2与图2所示，通过统计发现，对照组的总数量、长度、重量均高于化学农药与奥香敏处理组。其中化学农药组与对照组相比，总虫数减少了4条，平均长度分别为1.26 cm和1.38 cm，缩短了8.70%；平均重量分别为0.047 g和0.055 g，降低了14.55%；统计分析结果为无显著性差异。奥香敏组与对照组相比，总虫数分别减少了3条、5条，平均长度分别为1.03 cm和1.02 cm，与对照相比分别缩短了25.36%和26.09%；平均重量分别为0.038 g和0.034 g，与对照相比分别降低了30.91%和38.18%；统计分析结果显示为有显著性差异。据此推测β-罗勒烯能够抑制二化螟的生长发育。
Table 2. Impact on Chilo suppressalis under different processing
表2. 不同处理下对二化螟的影响
处理 |
虫数(条) |
平均长度(cm) |
平均重量(g) |
对照 |
9 |
1.38 ± 0.31 a |
0.055 ± 0.007 a |
化学农药 |
5 |
1.26 ± 0.30 a |
0.047 ± 0.007 a |
奥香敏(一) |
6 |
1.03 ± 0.17 b |
0.038 ± 0.006 b |
奥香敏(二) |
4 |
1.02 ± 0.25 b |
0.034 ± 0.008 b |
注：不同处理对应的各项数值中不同的小写字母表示单因素方差分析在0.05水平下，差异显著。
注：从左至右依次为对照、化学农药、奥香敏(一)、奥香敏(二)
Figure 2. The size of Chilo suppressalis under different treatments
图2. 不同处理下二化螟的大小
3.2. β-罗勒烯对水稻农艺性状的影响
Figure 3. Effects of β-Ocimene on agronomic characters of rice
图3. β-罗勒烯对水稻农艺性状的影响
在水稻生育期采用五点取样法、每个小区随机选取长势相同的5穴，对水稻的有效分蘖数、剑叶数、剑叶面积、株高进行调查统计。如图3，结果显示，水稻经β-罗勒烯处理后有效分蘖数、剑叶数、剑叶面积、株高与对照组没有显著差异(图3)，据此推测β-罗勒烯不会影响水稻正常的生长发育。
3.3. β-罗勒烯对水稻产量的影响
如表3，奥香敏(二)组的穗数显著高于对照组，提升了17.04%；化学农药组与奥香敏组的每穗粒数均显著高于对照组，分别提升了28.10%、23.97%和36.36%；奥香敏(二)组的实际产量显著高于对照组，提升了25.99%；与对照相比，化学农药产量提升了16.62%；奥香敏两组平均提升了16.83%，与化学农药接近。综上所述，β-罗勒烯能够通过防治二化螟从而达到保产的效果，并且与化学农药效果一致。
Table 3. Effects of different treatments on rice yield after controlling Chilo suppressalis
表3. 不同处理防治二化螟后对水稻产量的影响
处理 |
穗数(个/穴) |
每穗粒数(粒) |
结实率(%) |
千粒重(g) |
实际产量(kg/667 m2) |
对照 |
13.5 ± 3.1 b |
121 ± 7.5 b |
65.9 ± 11.4 a |
24.67 ± 0.58 a |
495.9 ± 26.9 b |
化学农药 |
14.7 ± 4.2 ab |
155 ± 9.8 a |
60.2 ± 7.2 a |
24.35 ± 0.71 a |
578.3 ± 52.5 a |
奥香敏(一) |
14.9 ± 3.7 ab |
150 ± 21.5 a |
68.8 ± 2.6 a |
23.89 ± 0.87 a |
533.7 ± 71.9 ab |
奥香敏(二) |
15.8 ± 4.2 a |
165 ± 10.7 a |
68.9 ± 5.0 a |
24.70 ± 0.87 a |
624.8 ± 50.0 a |
注：不同处理对应的各项数值中不同的小写字母表示单因素方差分析在0.05水平下，差异显著。
4. 结论
现在大部分对于二化螟的防治效果只从枯鞘率与白穗率的防效来研究，研究内容单一。而本研究从水稻枯鞘数的变化、枯鞘率与白穗率的防效、二化螟的生长发育情况3个点出发，运用大田试验方法探究了β-罗勒烯对水稻二化螟的防治效果，研究结论更具说服力。
通过调查统计发现，水稻经β-罗勒烯防治后，大田自然状态下水稻的枯鞘数减少，枯鞘率与白穗率均显著降低，二化螟的生长发育显著受到影响。从以上几点说明β-罗勒烯对水稻二化螟有较好的防治效果，且防治效果与使用传统化学农药接近。
最后本实验还对各处理田块的水稻农艺性状进行测定，结果显示β-罗勒烯不会影响水稻的正常生长与农艺性状。并且进行测产，结果显示β-罗勒烯能够通过防治二化螟从而达到保产的效果。因此，β-罗勒烯可以完全替代化学农药用于二化螟的大田防治，β-罗勒烯防治可以成为一种绿色防治水稻二化螟的新方法。
5. 讨论
水稻是我国主要的粮食作物，二化螟是水稻主要害虫之一，湖南地处于亚热带季风气候区，夏季雨水丰沛，光照充足，为水稻的生长提供了得天独厚的自然条件[12]。然而这样的气候条件也为二化螟的生长与繁殖提供了有利条件。在水稻前期为害叶鞘部分，水稻苗较小尚可用化学农药防治，待到后期水稻叶片茂盛，幼虫化蛹成蛾，化学农药难以到达水稻茎秆部分，从而导致防治效果大打折扣，并且一旦发病，虫害扩散迅速。为了便于管理，水稻品种的单一种植与化学农药的单一使用，二化螟的抗药性也在逐渐提高，使得二化螟虫害越来越严重[13]。现如今，有许多的科研人员利用二化螟寄生性天敌来防治虫害，如寄生蜂常常作为研究对二化螟越冬幼虫抑制效果的试验对象[14]，常见的有赤眼蜂。随着化学农药的大量使用，导致这些自然天敌也大量减少，有研究表明，二化螟的繁殖速度是寄生峰等天敌的10倍左右[15]，并且这种方法操作较为复杂，并不适合大田的大面积推广。针对以上情况，现用β-罗勒烯防治二化螟有较好的防治效果，并且操作简单易于推广，不仅可以减少化学农药的使用，还不会影响粮食的产量与品质，这让粮食安全这一主题上了一个跨时代的新台阶，使人们可以吃得更放心，吃得更健康。
致 谢
本文在撰写和修改过程中，感谢刘春林教授、阮颖教授给出的宝贵意见，同时也感谢黄生林、陈庆龙参与实验设计及实验结果分析。
基金项目
国家重点研发计划项目(2021YFD1401100)，湖南省研究生科研创新项目(CX20230695)。