植物在生长过程中面临着包括植物病原微生物和植食性昆虫在内的各种威胁,且二者往往同时发生,严重危害了植物的生长和繁殖。以往的研究集中于植物病原微生物或植食性昆虫单独危害,及两者在特定的时间共同危害对植物防御的影响。植物抵抗病原菌侵染时会产生诱导防御,而其在过度防御之后往往会严重影响植物适合度,因此植物的诱导防御在启动一段时间之后,往往会出现明显的下降,植物体内次生代谢产物的含量也会随之改变。因此,通过时间维度系统研究植物病原菌危害不同时间后对植食性昆虫的影响,有利于我们更加科学合理地探究植物病原菌危害植物后对植食性昆虫影响的全貌。同时,现有的研究表明,植物在防御植物病原菌和植食性昆虫危害时,由于植物自身的能量是有限的,往往会权衡在自身生长发育和对外界病虫害入侵的抗性的能量分配,从而确保植物自身在复杂的自然界正常生长,而植物病原菌侵染的发展也会不断对植物防御植食性昆虫危害时的资源分配产生影响。因此,研究植物病原菌侵染对植物权衡策略的变化,也将有利于我们进一步探究植物病原菌和植食性昆虫互作关系随时间维度的变化。水稻纹枯病(病原菌为Rhizoctonia solani)作为我国稻米生产上的主要病害之一,其发病条件和我国水稻上最重要的害虫褐飞虱(Nilaparvata lugens(St?l))具有广泛的相似性。二者在我国广大的稻区尤其是长江中下游稻区经常一起发生,对水稻种植业造成巨大的经济损失。已有研究报道,褐飞虱的发生会影响纹枯病的发生,但纹枯病的发生是否会导致水稻与褐飞虱及其天敌之间的关系及稻田主要昆虫群落发生变化,目前并不清晰。为此,本实验通过一系列的室内和田间实验,对纹枯病侵染之后水稻代谢和生长速率等在时间维度上的改变及其对褐飞虱的影响进行了探究,以期为阐明复杂生态系统下水稻与褐飞虱及其天敌的互作机制提供基础。主要结果如下:(1)水稻纹枯病侵染水稻植株影响了褐飞虱的产卵量和取食行为。褐飞虱在感纹枯病水稻植株上的产卵量显著高于未感病水稻上的产卵量;而褐飞虱卵的孵化率、发育历期及存活率在感病与未感病水稻植株之间均无显著差异,但在感病水稻上发育的成虫有偏向长翅的趋势。刺吸电位技术(EPG)测定的结果表明,水稻纹枯病侵染水稻植株后,影响了褐飞虱的取食行为,但这种效应与纹枯病侵染的时间相关。与未感病水稻相比,褐飞虱在感病5d水稻植株上寻找取食位点(np)的时间显著延长,韧皮部的取食波(N4b)持续总时间显著降低,表明感病导致水稻植株的表面和维管束对褐飞虱取食产生明显抗性;褐飞虱在感病20d水稻上取食时,韧皮部的取食波(N4b)持续总时间显著高于对照未感病水稻,木质部取食波(N5)和刺探波形(ph)的持续总时间均显著低于未感病水稻,表明感病导致水稻植株韧皮部、薄壁细胞和维管束鞘中对褐飞虱取食的抗性显著下降。(2)纹枯病侵染导致水稻植株的生理生化代谢发生变化。水稻纹枯病侵染导致水稻韧皮部汁液里面的游离氨基酸的含量减低,其中感病5d和10d水稻植株韧皮部汁液中多种游离氨基酸的含量显著低于健康水稻。纹枯病侵染导致水稻植株对褐飞虱取食的响应能力降低,相比于未感病水稻植株,感病15d和20d水稻植株受褐飞虱取食后,其植株中水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)的含量明显下降;纹枯病侵染水稻20d时,由于纹枯病后期造成的水稻植株大量细胞死亡,其样品中的水杨酸和茉莉酸浓度低于仪器检测下限。纹枯病侵染也导致水稻中被报道的对褐飞虱取食有明显抗性的物质草酸的含量发生变化,草酸含量在纹枯病侵染5d的水稻叶鞘中显著高于未感病水稻,而在纹枯病侵染20d水稻中的含量显著低于对照未感病水稻植株。而纹枯病侵染水稻植株之后水稻抗褐飞虱能力和自身营养状况的综合变化,最终影响了褐飞虱在感染纹枯病水稻上生长发育的变化。(3)水稻纹枯病侵染水稻植株影响了褐飞虱及其天敌的寄主偏好性。H型嗅觉仪和半田间行为测定的结果均表明,与未感病水稻植株相比,褐飞虱对水稻纹枯病侵染5d以后的水稻植株表现出了明显的寄主偏好性;同时,褐飞虱的主要天敌之一稻虱缨小蜂Anagrus nilaparvatae对褐飞虱取食纹枯病侵染5d和10d后的水稻植株表现出明显的寄主偏好性。(4)水稻纹枯病侵染导致水稻植株的挥发性化合物发生变化。水稻挥发物变化是引起褐飞虱及其天敌寄主偏好性改变的主要因素。利用GC/MS技术共检测出水稻挥发性化合物共30种,与未感病水稻植株相比,水稻纹枯病侵染并未导致水稻植株挥发性化合物的种类发生变化,但导致挥发性化合物释放量发生改变,且差异挥发性化合物的种类在不同感病天数水稻植株中表现不同;PLS-DA和Per MANOVA分析的结果表明,5d,10d,15d,20d感病和未感病水稻植株的挥发物之间呈现出显著的差异,其中莰烯、β蒎烯、α蒎烯、十六烷、壬醛、2-乙基己醇、癸醛、三环萜、对伞花烃、十八烷、樟脑等化合物,是导致挥发物总体差异的主要物质。褐飞虱取食诱导的水稻植株虫害挥发物检测出挥发物30种,也未出现化合物种类的变化,差异主要由挥发物各物质的含量比例变化组成。与相对应时期的未感病水稻植株相比,仅有感病15d水稻植株中的莰烯和柠檬烯的释放量显著性升高;PLS-DA和Per MANOVA分析结果表明,5d,10d,15d,20d感病和未感病水稻植株挥发物之间并未呈现明显的差异。(5)纹枯病侵染导致水稻植株叶片和叶鞘的表面蜡质组分发生变化。利用GC/MS技术共检测出水稻表面蜡质组分23种,水稻叶片和叶鞘的蜡质构成具有明显的差异;与未感病水稻植株相比,纹枯病侵染未导致水稻植株叶片和叶鞘的蜡质种类发生改变,但显著影响了感病10d,15d和20d水稻叶片和叶鞘的表面蜡质组分的含量;PLS-DA和Per MANOVA分析结果表明,感病显著影响了蜡质组成,尤其感病10d(10、15、20d)之后的水稻植株与对应的未感病水稻植株叶片和叶鞘中蜡质组成均呈现出明显分离现象,其中十七酸、二十八酸、二十九酸、三十酸、三十二酸、三十三酸、三十一烷、三十三烷、三十醛、三十二醛、三十四醛、二十九醇和三十二醇等物质,是导致纹枯病侵染和未侵染水稻中叶片表面蜡质的总体差异主要组分;十六酸、十七酸、二十九酸、三十酸、三十二酸、三十四酸、三十三醛、二十八醇、二十九醇和三十四醇等物质是导致水稻叶鞘蜡质差异的主要组分。(6)水稻纹枯病侵染影响了水稻的生长发育规律。水稻植株干物质含量积累速率在感病前期(10d及以前)与未感病水稻植株类似,在感病15d时出现明显下降,并在感病第20d时显著低于未感病水稻植株;水稻植株SPAD值在纹枯病侵染水稻植株后表现出一定的上升,如感病5d水稻植株的SPAD值显著高于对照,可能是由于水稻正常的生长发育以及在面对逆境胁迫时,需要提高光合速率,来获得更多的光合同化物以应对逆境。(7)纹枯病侵染对稻田节肢动物群落也产生一定影响。野外实验共选择了30种常见种进行分析。在两年的野外实验中,大多数常见物种的种群数量在接菌和未接菌田块中并未表现出显著的差异,除了水稻重要害虫稻纵卷叶螟(Cnaphalocrocis medinalis)发生量在感病田块有下降趋势外,2015年度调查中只有中黄剑芒杆蝇(Chloropidae sp.)在接菌10d,叶蝉在接菌15d后水稻田块中的数量显著低于未接菌田块,青翅蚁形隐翅虫(Paederus fuscipes Curtis)在接菌20d后水稻田块中的数量显著多于未接菌田块;2016年度调查中只有黑尾黑卵蜂(Scelionidae sp.~1)在接菌5d后水稻田块中的数量显著多于对照未接菌田块,重要褐飞虱及其天敌稻虱缨小蜂的数量在各个调查时间点在接菌和未接菌田块中也均无显著差异。2015年度利用PLS-DA和Per MANOVA分析节肢动物群落的组成差异结果表明,接菌田块和未接菌田块中的节肢动物群落组成虽然整体上并未出现显著性差异,但是群落组成依然出现一定的差异,其中节肢动物群落组成的差异主要体现在黑青小蜂(Dibrachys xavus),稻绿摇蚊(Chironomidae sp.~3),华丽肖蛸(Tetragnatha nitens),稻黑摇蚊(Chironomidae sp.~1),长柄黑卵蜂(Scelionidae sp.~2),缟蝇(Lauxaniidae sp.),稻虱寡索赤眼蜂(Oligosita sp.),稻黄摇蚊(Chironomidae sp.~2),黑尾黑卵蜂,赤带扁股小蜂(Elasmus sp.),稻虱红螯蜂(Haplogonatopus japonicus)和青翅蚁形隐翅虫等物种的种群变化;2016年度PLS-DA和Per MANOVA分析节肢动物群落的组成差异结果表明,接菌和未接菌稻田中节肢动物群落组成也并未出现显著性差异,但是群落组成也依然出现一定的差异,其中节肢动物群落组成的差异主要体现在绒茧金小蜂(Trichomalopsis apanteloctenus),黑尾黑卵蜂,蚤蝇(Phoridae sp.),稻虱红螯蜂,沟渠豹蛛(Pardosa laura),八斑鞘腹蛛(Coleosoma octomaculatum),拟水狼蛛(Pirata subpiraticus),稻黄摇蚊,叶蝉,稻黑摇蚊,稻纵卷叶螟(Cnaphalocrocis medinalis),草间小黑蛛(Hylyphantes graminicola)和黑肩绿盲蝽(Cyrtorhinus lividipennis)等物种的种群变化。(8)纹枯病侵染导致水稻植株响应褐飞虱取食的相关基因表达发生变化。不同时间维度下,纹枯病与褐飞虱诱导的水稻有参比较转录组分析发现,感染纹枯病的5d和15d水稻在褐飞虱取食前后的差异表达基因的数目分别为3619和2269条,5d和15d感病及褐飞虱取食诱导的共同差异基因数目分别为26条和6条;两条蜡质合成蛋白基因(Os MH＿07G0349200和Os MH＿04G0179000),1条水杨酸结合蛋白2基因(SABP2;Os MH＿01G0556300),13种WRKY(WRKY Transcription Factor)转录因子在褐飞虱诱导取食纹枯病侵染和未侵染水稻植株不同的时间维度下,表达有明显差异,表明上述基因可能与水稻植株生长、抗虫和抗病的权衡响应有关。综上所述,本课题通过对水稻纹枯病和褐飞虱及其天敌稻虱缨小蜂的互作关系在时间维度的研究,明确了在时间维度上水稻纹枯病侵染的病程发展过程中和褐飞虱互作关系的变化,证实了水稻植株在面对水稻纹枯病和褐飞虱危害时,通过自身资源的分配导致的抗性和自身生长的变化影响了其与褐飞虱及其天敌稻虱缨小蜂的互作关系。研究结果为进一步探明植物在生态系统中响应有害生物的策略及分子机制,并为最终实现对水稻病虫害的科学防控提供理论基础。