《Journal of Chemical Ecology》：When ‘Calls for Help’ Backfire: Induced Plant Volatiles Reduce the Attraction of a Nocturnal Predator in Sugarcane
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为解决虫害诱导植物挥发物（HIPVs）和微生物诱导植物挥发物（MIPVs）在招募天敌中的有效性不确定性问题，特别是在非专化性捕食者与作物系统中，研究人员开展了关于草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）侵染和罗伯茨绿僵菌（Metarhizium robertsii）内生定殖对甘蔗（Saccharum officinarum）挥发性有机化合物（VOCs）排放、茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）水平以及黄翅蝮螋（Doru luteipes）嗅觉吸引力的影响研究。出乎意料的是，与未受损对照植物和无植物对照相比，虫害和微生物定殖诱导的挥发性排放和植物激素水平变化导致捕食者吸引力降低。这些发现凸显了甘蔗中间接防御策略在增强天敌招募方面可能并不总是有效，提示其生态效果具有情境依赖性。
在自然界中，植物并非被动地承受虫害的侵袭。它们演化出了一套精妙的防御策略，其中一种被称为“间接防御”。当植食性昆虫啃食叶片时，植物会释放出一系列特定的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs），这些信号如同向空气中发送的“求救信号”，能够吸引以这些害虫为食的天敌（如寄生蜂、捕食性昆虫），从而借助外力来消灭敌人。这类由虫害诱导产生的挥发物被称为虫害诱导植物挥发物（Herbivore-Induced Plant Volatiles, HIPVs）。近年来，科学家们发现，不仅虫害能触发这种防御，一些有益微生物（如某些真菌）定殖在植物体内后，也能诱导植物产生类似的挥发性信号，即微生物诱导植物挥发物（Microbe-Induced Plant Volatiles, MIPVs），这为利用微生物增强作物抗虫性提供了新思路。
甘蔗，作为全球糖和生物乙醇生产的重要作物，常常遭受多种害虫的威胁。其中，甘蔗螟虫（Diatraea saccharalis）和草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）是两大主要害虫。先前的研究表明，甘蔗螟虫为害甘蔗茎秆时诱导的HIPVs能有效吸引其优势天敌——螟黄赤眼蜂（Cotesia flavipes），这种蜂被广泛应用于针对甘蔗螟虫的生物防治项目中。更有趣的是，内生真菌罗伯茨绿僵菌（Metarhizium robertsii）能够定殖于甘蔗的地上组织，不仅能降低甘蔗螟虫的产卵量，还能增强被侵染植物的防御反应，包括提高茉莉酸（Jasmonic Acid, JA）水平和HIPVs的释放，从而更有效地吸引螟黄赤眼蜂。
然而，甘蔗田的生态系统远比这复杂。除了甘蔗螟虫，还有像草地贪夜蛾这样的多食性害虫，它主要取食甘蔗叶片，并诱导产生一套不同于茎部害虫的HIPVs。同时，在甘蔗田中也能发现一种名为黄翅蝮螋（Doru luteipes）的夜行性捕食性昆虫，它在玉米田中是草地贪夜蛾卵和幼虫的重要天敌，能够根据玉米在夜间释放的HIPVs精准定位猎物。但令人困惑的是，黄翅蝮螋在甘蔗田中的出现频率较低，其对甘蔗害虫的自然控制作用也十分有限。这引出了一个关键科学问题：为什么在玉米田中大显身手的黄翅蝮螋，到了甘蔗田就“失灵”了？是甘蔗本身释放的挥发性信号不同，还是虫害或有益微生物的介入改变了这种信号，使其对黄翅蝮螋失去了吸引力？
为了解开这个谜团，来自巴西圣保罗大学的研究团队在《Journal of Chemical Ecology》上发表了一项研究，他们深入探究了草地贪夜蛾侵染和罗伯茨绿僵菌内生定殖对(i)黄翅蝮螋的嗅觉吸引力、(ii)甘蔗夜间挥发性排放以及(iii)JA和SA植物激素水平的综合影响。研究人员假设，虫害和真菌定殖诱导的甘蔗化学变化能够增强其对黄翅蝮螋的吸引力。然而，实验结果却出乎意料。
本研究主要采用了以下几种关键技术方法：通过Y型嗅觉仪（Y-tube olfactometer）生物测定评估黄翅蝮螋对不同处理甘蔗挥发物的行为选择；利用动态顶空采集系统结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）和气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）分析夜间（10小时）收集的植物挥发性有机化合物（VOCs）；通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术并借助氘代内标定量分析甘蔗叶片中的茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）水平；在受控条件下进行昆虫饲养（草地贪夜蛾和黄翅蝮螋）和甘蔗植株的培育、真菌接种以及虫害处理。
植物激素水平的变化
研究结果显示，处理方式对甘蔗叶片中的JA水平有显著影响。无论是单独接种罗伯茨绿僵菌，还是接种后再遭受草地贪夜蛾侵染，甘蔗植株的JA含量均显著高于仅受虫害但未接种真菌的植株。而未接种也未遭受虫害的对照植株JA水平最低。这表明罗伯茨绿僵菌能够激活甘蔗的JA信号通路，可能使植株对后续的虫害攻击产生“预适应”（priming），从而准备做出更强的防御反应。
对于水杨酸（SA），处理间也存在显著差异。单独接种罗伯茨绿僵菌（未遭虫害）的植株，其SA浓度显著高于未接种未侵染的对照植株，以及既接种真菌又遭受虫害的植株。值得注意的是，当接种了真菌的植株再遭受草地贪夜蛾侵染时，其SA水平会下降。这表明罗伯茨绿僵菌也能激活SA通路，但虫害的发生可能会抑制这种激活效应。由于JA通路通常响应咀嚼式害虫，而SA通路更多参与对抗病原菌，罗伯茨绿僵菌这种同时激活两条通路的能力，暗示其可能帮助甘蔗建立对害虫和病原菌的双重防御。
夜间挥发性排放的改变
挥发性分析共鉴定出20种化合物。主成分分析（PCA）显示，不同处理的挥发性 profiles 存在差异。未接种未侵染的植株与单独接种真菌的植株挥发性谱图较为接近，而遭受草地贪夜蛾侵染的植株（无论是否接种真菌）则与它们明显分开，并且彼此之间也有区分。
在挥发物总量上，同时接种罗伯茨绿僵菌并遭受草地贪夜蛾侵染的植株排放量最大，显著高于其他所有处理。仅遭受草地贪夜蛾侵染（未接种真菌）的植株，其总挥发物排放量也显著高于未侵染的植株（无论是否接种真菌）。这表明虫害是驱动挥发性大量释放的主要因素，而真菌接种在与虫害结合时，起到了“增效”的作用。
具体到某些化合物，虫害处理（特别是结合真菌接种）显著提高了多种绿叶挥发物（如(Z)-3-己烯基乙酸酯、(Z)-3-己烯-1-醇、(E)-2-己烯-1-醇）和某些萜烯类化合物（如β-石竹烯）的排放量。然而，一个有趣的现象是，单独接种罗伯茨绿僵菌（无虫害）似乎抑制了某些特定化合物的释放，例如(E)-橙花叔醇、β-石竹烯和β-榄香烯。尽管如此，黄翅蝮螋在Y型嗅觉仪测试中，并未对单独接种真菌和未处理对照植株的挥发物表现出偏好，但它对这两类健康或仅带菌植株的挥发物的选择都显著高于洁净空气。这说明真菌引起的挥发性谱图变化，可能尚未达到影响捕食者选择行为的阈值，或者这些变化对黄翅蝮螋而言并非关键信号。
黄翅蝮螋的嗅觉吸引力：出乎意料的结果
最关键的发现在于黄翅蝮螋的行为反应。与研究最初的假设相反，黄翅蝮螋并没有被虫害诱导产生的高浓度挥发物所吸引。具体表现为：
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黄翅蝮螋显著偏好洁净空气，而不是接种了罗伯茨绿僵菌并遭受草地贪夜蛾侵染的甘蔗植株所释放的挥发物。
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黄翅蝮螋也显著偏好洁净空气，而不是仅遭受草地贪夜蛾侵染（未接种真菌） 的甘蔗植株所释放的挥发物。
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当在Y型管中同时提供接种真菌但未遭虫害的植株挥发物和接种真菌并遭虫害的植株挥发物时，捕食者显著选择前者（即避开虫害植株）。
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同样，在未接种未侵染的植株挥发物和未接种但遭虫害的植株挥发物之间，捕食者也是显著选择健康植株，避开虫害植株。
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然而，在接种真菌但未遭虫害的植株和未接种未侵染的健康植株之间，黄翅蝮螋没有表现出显著偏好。
作为阳性对照，实验证实黄翅蝮螋在玉米植株的测试中表现正常：它们显著偏好草地贪夜蛾侵染的玉米植株挥发物，而非健康玉米植株的挥发物。这排除了实验用虫本身不活跃的可能性，并强有力地说明问题出在甘蔗所释放的信号本身。
研究结论与意义
本研究得出了一系列重要结论。首先，罗伯茨绿僵菌的内生定殖能够有效激活甘蔗的JA和SA信号通路，起到防御增强或预适应的作用。其次，草地贪夜蛾的侵染是驱动甘蔗夜间挥发性大量释放的主要因素，而罗伯茨绿僵菌的接种在与虫害结合时，能进一步放大这种挥发性排放，特别是某些绿叶挥发物。然而，最关键也最出乎意料的发现是，这些由虫害和/或真菌诱导产生的、浓度更高的挥发性混合物，非但没有吸引夜行性捕食者黄翅蝮螋，反而使其产生回避行为。
这一结果深刻揭示了植物间接防御生态学的复杂性。它表明，所谓的“求救信号”（HIPVs和MIPVs）其生态功能并非放之四海而皆准，而是高度依赖于具体的物种组合和生态背景。黄翅蝮螋对玉米HIPVs的积极反应与对甘蔗HIPVs的消极反应形成鲜明对比，强烈暗示这种捕食者可能对其生态上更熟悉、经常与之互作的寄主植物（如玉米）所产生的挥发性谱图具有特定的“感官偏好”或学习记忆。甘蔗作为一种与黄翅蝮螋缺乏紧密协同进化历史的作物，其虫害诱导的挥发性谱图可能缺少关键的吸引成分，或者包含了某些令其回避的未知成分，从而导致招募失败。
这项研究的意义在于，它提醒我们在利用植物挥发物进行生物防治时，必须充分考虑天敌的特异性、作物的种类以及环境微生物（如内生菌）可能带来的复杂影响。直接将一种作物-害虫-天敌系统中成功的经验套用到另一种作物系统，可能会面临失败的风险。未来的研究需要更深入地解析不同挥发性成分的具体生态功能，并探索在田间复杂环境下，如何更精准地调控植物的化学信号，以有效增强其对目标天敌的招募能力，从而发展出更可持续、更具针对性的害虫管理策略。
