高溫對西花薊馬若蟲存活及生殖的影響

李鴻波

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護研究所，貴州 貴陽 550006；2.揚州大學(xué) 園藝與植物保護學(xué)院，江蘇 揚州 225009)

0 引言

【研究意義】昆蟲的分布、種群動態(tài)、存活及行為特征等受溫度的影響較大[1-3]。每種昆蟲都有其適宜的溫度范圍，超出此范圍其行為和生理將受到嚴重影響。全球氣候變暖導(dǎo)致極端高溫事件發(fā)生幅度、頻率和強度增加，均不同程度地影響昆蟲的行為及生理[4-5]。通常情況下高溫能引起昆蟲死亡或通過限制其寄主生長從而限制其地理分布[6]。宏觀上，高溫對昆蟲的影響主要表現(xiàn)為降低存活率、延遲發(fā)育、引起體型畸形等；微觀上，主要表現(xiàn)為促使機體蛋白質(zhì)變性，細胞膜通透性和酶結(jié)構(gòu)及特征改變，水分喪失等[7]。為減輕或避免高溫造成的傷害，昆蟲產(chǎn)生了一系列相應(yīng)的進化：一是產(chǎn)生逃避(遷飛、改變活動方式等)或通過自然選擇持續(xù)適應(yīng)環(huán)境脅迫等行為反應(yīng)；二是產(chǎn)生形態(tài)、生活史特征及生理的改變[8-9]等可塑性生物學(xué)反應(yīng)。因此，開展高溫對昆蟲的影響及昆蟲如何適應(yīng)高溫環(huán)境脅迫方面的研究對探尋其分布及指導(dǎo)其綠色防控具有重要指導(dǎo)意義。【前人研究進展】西花薊馬(Frankliniellaoccidentalis)英文名Western Flower Thrips (WFT)，是一種世界性的園藝作物害蟲。該害蟲不僅可通過直接取食植物的葉片、花朵和果實造成危害，還是多種毀滅性病毒病的傳播媒介[10]。WFT最早于1895年在北美的加利福利亞被報道，此后迅速傳播至多個國家。在我國，WFT最早于2003年在北京的辣椒上發(fā)現(xiàn)[11]。此后，該害蟲在全國迅速傳播，至2019年已經(jīng)入侵至全國19個省區(qū)或直轄市，對入侵地的蔬菜和花卉產(chǎn)業(yè)造成嚴重危害[12]。WFT屬變溫動物，其分布和種群動態(tài)對溫度的反應(yīng)較強烈。目前，有關(guān)溫度對WFT影響方面的研究已有大量文獻報道，主要集中在常溫對WFT生長、發(fā)育及繁殖的影響，低溫脅迫對其存活及繁殖的影響[13-17]，高溫脅迫對WFT成蟲存活的影響等方面[18-19]。LI等[18-19]發(fā)現(xiàn)，WFT成蟲具有快速熱馴化的能力。【研究切入點】除成蟲外，WFT若蟲夏季也常遭受高溫脅迫，但高溫對WFT若蟲的存活及其成蟲的生殖有何影響，以及若蟲如何適應(yīng)高溫脅迫等，目前還不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】擬在室內(nèi)條件下采用雙因素試驗方法探明高溫與暴露時間互作對WFT 2齡若蟲存活力及其成蟲生殖力的影響，以及WFT若蟲對高溫脅迫的適應(yīng)性及其高溫馴化的能力，以期為該蟲的科學(xué)治理及預(yù)測預(yù)報提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 蟲源 WFT種群于2008年9月采集自浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，在室內(nèi)用四季豆豆莢進行多代飼養(yǎng)。飼養(yǎng)條件：溫度為(26±1)℃，濕度為70%～80%，光暗比為16∶8，具體飼養(yǎng)方法參照李鴻波等[13]的方法進行。WFT若蟲為2齡若蟲，而成蟲為幼蟲經(jīng)高溫脅迫后24 h內(nèi)羽化的成蟲。

1.1.2 儀器設(shè)備 YHD-1030恒溫水浴槽，寧波江南儀器廠生產(chǎn)。

1.2 方法

1.2.1 不同高溫和暴露時間對WFT存活率的影響 采用雙因素試驗設(shè)計，因素A為溫度，分別為33℃、35℃、37℃、39℃和41℃；因素B為暴露時間，分別為0.5 h、1 h、2 h和4 h。每個處理30頭蟲，4次重復(fù)。將2齡若蟲置于玻璃管內(nèi)，用橡皮塞封口防止其逃逸，然后將玻璃管置于恒溫水浴槽中培養(yǎng)。處理結(jié)束后讓水溫緩慢降低至26℃，取出玻璃管置于26℃環(huán)境下恢復(fù)，并提供新鮮豆莢作為食物。24 h后，統(tǒng)計若蟲的存活情況。以飼養(yǎng)在26℃下的WFT 2齡若蟲為對照(CK)，用以矯正各處理的死亡率。判斷WFT若蟲是否死亡的標準：用毛筆尖輕輕刺激蟲體，如能正常爬行則認為存活；否則，認為死亡(下同)。

1.2.2 高溫馴化對WFT存活率的影響 收集WFT 2齡若蟲于玻璃管內(nèi)，并用橡皮塞封口，分別在29℃、31℃、33℃及35℃的水浴鍋內(nèi)處理2 h，然后置于39℃下處理再2 h。處理結(jié)束后讓水溫緩慢降低至26℃，取出玻璃管，去除橡皮塞后用100目紗布封口，然后將其轉(zhuǎn)移至26℃的人工培養(yǎng)箱中恢復(fù)，其他飼養(yǎng)條件同1.2.1。以直接置于39℃下的處理為對照。24 h后統(tǒng)計若蟲的存活情況。每個處理30頭(保持一致)若蟲，4次重復(fù)。

1.2.3 不同馴化時間對WFT存活率的影響 據(jù)1.2.2的研究結(jié)果，將WFT成蟲或若蟲置于誘導(dǎo)最佳誘導(dǎo)溫度下處理30 min、60 min、90 min、120 min、150 min，然后再將其暴露在39℃ 2 h。處理結(jié)束后將水溫緩慢降至26℃，取出玻璃管并置于26℃下恢復(fù)。每個處理30頭成蟲或若蟲，4次重復(fù)。以不經(jīng)過馴化若蟲直接暴露在39℃下的處理為對照，其他飼養(yǎng)條件同1.2.1。24 h后統(tǒng)計若蟲的存活情況。

1.2.4 幼蟲高溫脅迫后對其WFT成蟲壽命及生殖的影響 收集經(jīng)26℃(對照)、33℃、35℃、37℃、39℃和41℃處理1 h后發(fā)育而來的成蟲進行雌性配對，將5對成蟲轉(zhuǎn)移至放有新鮮無蟲菜豆葉的玻璃瓶中讓其產(chǎn)卵，每天更換1次葉片，并觀察成蟲存活和產(chǎn)卵情況，直到成蟲全部死亡。將帶卵葉片置于含有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，讓卵孵化，并用保鮮膜封口，用昆蟲針在保鮮膜上扎40～50個小孔以保證通風(fēng)。由于WFT的卵產(chǎn)于葉片組織中，因此以孵出的若蟲數(shù)作為WFT的有效產(chǎn)卵量。每個處理10次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 17.0進行數(shù)據(jù)差異統(tǒng)計及顯著性分析，然后利用Duncan新復(fù)極差法對各處理進行多重比較。根據(jù)WFT若蟲在高溫下暴露不同時間后的存活率，利用Prohibit非線性方程估算在特定時間下導(dǎo)致50%個體死亡的溫度Ltem50。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫暴露WFT若蟲的存活率

Two-way ANOVA分析表明，暴露高溫和暴露時間對WFT若蟲的存活率具有極顯著影響(暴露溫度F4，79=212.74，暴露時間F3，79=13.13，P<0.001)。此外，暴露溫度×暴露時間的交互作用對WFT若蟲的存活率也具有極顯著影響(F12，79=95.93，P<0.001)。從圖1看出，WFT若蟲的存活率隨著溫度升高和時間延長呈逐漸下降趨勢。在暴露時間為0.5 h時，WFT若蟲的存活率在33℃下超過90%，在41℃下僅為27.3%；除35℃處理與33℃和37℃處理無顯著差異外，其余處理間差異極顯著。當(dāng)暴露時間為1 h時，33℃下的存活率降至81.7%，而在41℃下的存活率僅為7.5%；低于37℃的存活率差異不顯著，但與其余處理差異極顯著。當(dāng)暴露時間為2 h時，33℃下的存活率降至80.00%，而在41℃下的存活率為0；33℃與35℃處理差異顯著，與其余各處理間差異極顯著。當(dāng)暴露時間為4 h時，在39℃和41℃下的存活率均為0，與其余各處理差異極顯著，33℃與35℃差異顯著，與37℃處理間差異也達極顯著水平。從表1可知，WFT若蟲在高溫下隨暴露時間延長，其Ltem50逐漸縮短，在系列高溫下分別處理0.5 h、1 h、2 h和4 h后，其Ltem50分別為38.36℃、36.92℃、36.36℃和34.54℃。

注：圖中不同大、小寫字母分別表示各處理差異極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)，下同。Note:Different capital letters and lowercase letters in Fig.1 indicate significance of difference among different treatments at P<0.01 and P<0.05 level.The same below.圖1 高溫暴露WFT若蟲的存活率 Fig.1 Survival rate of WFT larvae exposed to high temperature

表2 高溫暴露不同時間后WFT 2齡若蟲的致死中溫 Table 2 Middle lethal temperature (Ltem50)of WFT 2th instar larvae exposed to high temperature with different hours ℃

2.2 不同溫度與不同時間馴化處理WFT若蟲的存活率

2.2.1 馴化溫度 馴化溫度對WFT若蟲的存活率具有顯著影響(F4，19=4.15，P=0.018)。從圖2看出，4個馴化溫度的存活率依次為33℃、31℃、29℃和35℃，其中，33℃下馴化2 h后的存活率最高，為41.0%，顯著高于CK(24.1%)，但與其余處理差異不顯著；29℃、31℃、35℃處理的存活率差異不顯著，且與CK差異也不顯著。

2.2.2 馴化時間 馴化時間對WFT若蟲的存活率具有極顯著影響(F5，29=4.57，P=0.007)。從圖2看出，在33℃下隨誘導(dǎo)時間延長WFT若蟲存活率呈先升后降趨勢，當(dāng)處理時間低于90 min時，隨處理時間延長，存活率呈逐漸升高趨勢，在處理90 min時達最高，為38.25%；當(dāng)處理時間超過90 min，存活率呈下降趨勢。其中，當(dāng)誘導(dǎo)時間為90 min和120 min時的存活率極顯著高于CK，分別較CK提高14.00%和13.75%，其余處理與CK差異不顯著；5個誘導(dǎo)時間處理WFT的存活率無顯著差異。

圖2 不同馴化溫度和馴化時間處理WFT若蟲的存活率Fig.2 Effect of different hardened temperature and time on survival rate of WFT larvae

2.3 WFT幼蟲高溫脅迫處理其成蟲的壽命及生殖能力

從圖3看出，WFT若蟲經(jīng)高溫脅迫發(fā)育而來的成蟲其壽命和生殖能力存在明顯差異。

圖3 高溫脅迫WFT成蟲的壽命及生殖能力Fig.3 Effects of high temperature stress on life span and reproduction of WFT adults

2.3.1 成蟲壽命 高溫脅迫對WFT若蟲發(fā)育而來的成蟲壽命具有極顯著影響(F5，59=16.60，P<0.001)。隨暴露溫度的升高成蟲壽命逐漸縮短。暴露溫度26℃(CK)暴露2 h時，WFT成蟲的壽命為21.5 d；暴露溫度33℃時，其壽命下降但與CK無顯著差異；然而當(dāng)暴露溫度≥35℃時，其壽命顯著或極顯著低于CK。35～41℃時成蟲的壽命分別為17.25 d、15.00 d、14.50 d、11.75 d，分別比CK降低4.25 d、6.50 d、7.00 d和9.75 d。

2.3.2 生殖能力 高溫脅迫對WFT雌成蟲的產(chǎn)卵量及產(chǎn)卵期也具有極顯著影響(產(chǎn)卵量F5，59=37.77，卵期F5，59=14.32，P<0.001)。1)產(chǎn)卵量。隨暴露溫度升高WFT雌成蟲的產(chǎn)卵量呈下降趨勢。其中，26℃(CK)的產(chǎn)卵量為57.03頭，33℃和35℃下暴露2 h后，其產(chǎn)卵量與CK差異不顯著。然而，當(dāng)暴露溫度≥37℃時，其產(chǎn)卵量極顯著下降，41℃時其產(chǎn)卵量只有9.68頭，僅為CK的16.7%，極顯著低于其余處理。2)產(chǎn)卵期。WFT的產(chǎn)卵期也隨暴露溫度的升高而逐漸縮短。其中，26℃(CK)的產(chǎn)卵期為20.5 d，顯著或極顯著高于除33℃外的其余處理；33℃下的產(chǎn)卵期與35℃、37℃下的差異不顯著，但極顯著高于39℃、41℃的；41℃時其產(chǎn)卵期只有10.5 d，僅為CK的51.2%。

3 討論

昆蟲屬變溫動物且體型微小，因而對高溫十分敏感。高溫可引起昆蟲體內(nèi)水分散失[20]、破壞細胞膜的結(jié)構(gòu)[21]和降解蛋白質(zhì)，從而限制相關(guān)酶催化的反應(yīng)[22]；同時，高溫對昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)的傷害常導(dǎo)致許多功能的喪失[23-24]，傷害主要反映在昆蟲存活率的降低上。呂召智等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，棉蚜成蚜隨著溫度的升高和暴露時間延長，其存活率顯著降低。在38℃以下高溫處理1 h后，成蚜的存活率在84.17%以上；當(dāng)在42℃處理1 h后的存活率則為11.67%，而在42℃下處理2 h后棉蚜的存活率僅有1.67%。對蓮草直胸跳甲的研究發(fā)現(xiàn)，雌雄成蟲在40℃下處理時的存活率接近100%，當(dāng)溫度升高至44℃時，雌雄成蟲的存活率降低至50%左右；在40℃下的處理隨時間延長雌雄成蟲的存活率逐漸降低，存活率從1 h的接近100%降低至7 h的25%以下[26]。研究結(jié)果表明，在33℃下處理0.5 h后，WFT 2齡若蟲的存活率高于90%，隨著溫度的升高其存活率逐漸降低，至41℃時存活率僅為27.3%；當(dāng)處理時間升至1 h時，33℃下WFT存活率降低至81.7%，而在41℃下僅為7.5%；當(dāng)處理時間等于4 h時，在39℃或41℃下的存活率則為0。表明暴露高溫和暴露時間對昆蟲的存活具有顯著影響；當(dāng)溫度大于37℃時，對WFT的存活極其不利，主要是由于37℃以上的高溫超出了WFT所能承受的生理極限。此前的研究發(fā)現(xiàn)，WFT雌成蟲在33～43℃下暴露0.5～4 h的Ltem50分別為40.2℃，38.9℃，37.3℃和36.6℃[18]，本研究WFT若蟲在相同條件下的Ltem50分別為38.36℃、36.92℃、36.36℃、34.54℃，說明成蟲的耐熱性高于若蟲，可能是由于WFT若蟲的體表比較柔軟對高溫比較敏感造成的。然而有研究顯示，赤擬谷盜幼蟲在Ltem50下的存活率明顯高于成蟲[27]，麥長管蚜成蚜在高溫下的Ltem50也低于若蚜[28]，出現(xiàn)相反結(jié)果的原因可能與每種昆蟲的生理特性有關(guān)。

在自然界，昆蟲通常利用行為和生理的改變來適應(yīng)高溫環(huán)境。LOESCHCKE等[29]研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲在亞致死溫度下馴化一段時間后能提高其耐熱能力，此現(xiàn)象被稱為快速熱馴化。目前，快速熱馴化在許多昆蟲中已經(jīng)被報道，包括果蠅(Drosophilaananassae)[30]、蘋果蠹蛾(Cydiapomonella)[31]、稻縱卷葉螟(Cnaphalocrocismedinalis)[32]、巴氏新小綏螨(Neoseiulusbarker)[33]等。該研究發(fā)現(xiàn)，WFT若蟲在33℃馴化90 min或120 min后其致死溫度下的存活率得到顯著提高，說明WFT也具有快速熱馴化的能力。誘導(dǎo)快速熱馴化的條件與巴氏新小綏螨類似[33]，但與果蠅[30]、蘋果蠹蛾[31]和稻縱卷葉螟[32]不同，說明誘導(dǎo)快速熱馴化所需的時間和溫度因物種的不同而有所差異。WFT若蟲經(jīng)歷的馴化過程類似于田間從春季到夏季的逐漸升溫過程，有助于其抵御夏季遭遇的致死高溫[29]。因此，快速熱馴化對WFT在田間的存活具有重要的生態(tài)學(xué)意義。

多數(shù)昆蟲的存活及發(fā)育的上限溫度范圍為40～50℃。超出此極限后，多數(shù)昆蟲個體將面臨死亡，存活下來的個體其適合度必定會受到影響[34]。研究發(fā)現(xiàn)，將棉鈴蟲Helicoverpaarmigera暴露于42～46℃的高溫一段時間后，其產(chǎn)卵量顯著降低。當(dāng)在40℃、42.5℃、45℃下暴露360 min、120 min、15 min后，棉鈴蟲在整個生活史時期內(nèi)均不產(chǎn)卵[35]。將Sarcophagacrassipalpis暴露于45℃ 1 h后，其產(chǎn)卵量僅為對照的10%，且其全部不可育[34]。該研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露溫度≥37℃后，由若蟲發(fā)育成的WFT成蟲壽命和產(chǎn)卵量顯著降低；特別是當(dāng)暴露溫度為41℃時，即使短時的暴露也會導(dǎo)致其產(chǎn)卵量顯著降低。可能是因為高溫影響了WFT雌成蟲生殖器官和胚胎的發(fā)育，導(dǎo)致卵巢管和輸精管數(shù)量減少，卵巢管和胚胎發(fā)育畸引起的[34，36]。

4 結(jié)論

高溫和暴露時間對WFT 2齡若蟲的存活具有顯著影響，隨溫度升高和暴露時間延長其2齡若蟲的存活率顯著降低。經(jīng)高溫處理后隨暴露時間的延長，其Ltem50逐漸縮短，高溫處理0.5 h、1 h、2 h和4 h后，其Ltem50分別為38.36℃、36.92℃、36.36℃、34.54℃。2齡若蟲在33℃下馴化2 h后，其在39℃的存活率較對照(直接暴露于39℃下的存活率)提高16.75%；在33℃下馴化90 min和120 min后，WFT 2齡若蟲的存活率分別較對照顯著提高14.0%和13.75%。高溫處理1 h后，由幼蟲發(fā)育而來的成蟲產(chǎn)卵量隨溫度的升高顯著降低，壽命顯著縮短。高溫對WFT若蟲的存活及其成蟲的生殖極為不利，而WFT若蟲則通過熱馴化來適應(yīng)高溫環(huán)境，從而提高其在致死溫度下的生存能力。該研究結(jié)果對理解當(dāng)前WFT的分布和指導(dǎo)該害蟲的治理具有指導(dǎo)意義。