晝夜溫度波動對麥長管蚜生理生態(tài)表型影響及其相關(guān)性研究

邢 鯤，張樹明，趙 飛*，張建珍

(1. 山西大學(xué)應(yīng)用生物學(xué)研究所，太原 030006；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，太原 030031)

近幾年，全球氣候變化現(xiàn)象日益顯著，不僅平均溫度增加明顯，而且晝夜或季節(jié)性溫度波動幅度也增加明顯(Vázquezetal., 2017)。溫度波動幅度(temperature fluctuation)作為氣候變化主要特征之一，日益受到生物學(xué)及生態(tài)學(xué)家關(guān)注。已有研究表明，溫度波動影響著多種生物種群的生理、生態(tài)、適應(yīng)性，甚至對一些物種進(jìn)化都產(chǎn)生顯著影響(Xingetal., 2019; 2021a;Noeretal., 2020)，如植物(Quisthoudtetal., 2012)、微生物(Longoetal., 2017)、魚類(Oligny-Hébertetal., 2015)、蛇類(Geistetal., 2011)、龜類(Micheli-Campbelletal., 2012)、等。

對溫度敏感的昆蟲而言，變溫幅度對昆蟲的生態(tài)特征、生理特點(diǎn)、分子機(jī)理等影響尤為明顯。從生態(tài)角度來說，較大變溫幅度能夠抑制小菜蛾P(guān)lutellaxylostella卵、幼蟲的發(fā)育，降低卵與幼蟲的存活率(Xingetal., 2015; 2021b)；減少麥長管蚜Sitobionavenae壽命(Zhaoetal., 2014)；降低地中海果蠅Ceratitiscapitata生殖量(Terblancheetal., 2010)，甚至降低黑腹果蠅Drosophilamelanogaster種群內(nèi)稟增長率(Clavijo-Baquetetal., 2014)。從生理角度來說，較大變溫幅度可以降低黑腹果蠅溫度耐受性范圍(Bozinovicetal., 2016)，提高地中海果蠅熱耐受性(Terblancheetal., 2010)；降低埃及伊蚊Aedesaegypti傳毒能力(Lambrechtsetal., 2011)；從分子機(jī)理角度來說，較大變溫幅度提高了Drosophilagaucha熱激蛋白的表達(dá)量(Franciscaetal., 2016)；影響黑腹果蠅體內(nèi)熱相關(guān)基因表達(dá)，并且這種改變是獨(dú)立于對平均溫度變化的反應(yīng)(Srensenetal., 2016)。

麥長管蚜Sitobionavenae(Fabricius)作為小麥種植區(qū)主要害蟲之一，廣泛分布于東非、亞洲、歐洲、北美等世界各個地區(qū)(Winderetal., 2010)。麥長管蚜由于體型小、熱傳導(dǎo)快、代謝速率高，對環(huán)境溫度變化非常敏感(Zhaoetal., 2014)，是研究環(huán)境溫度變化影響的理想物種。大部分麥長管蚜與溫度的相關(guān)性研究，主要以恒溫梯度變化為主(尹青云等, 2003; 許樂園等, 2014)，也有一些研究表明短時高溫或波動溫度對麥長管蚜的發(fā)育、存活(Zhaoetal., 2014)、壽命與繁殖(Zhaoetal., 2019)、熱耐受性(Zhaoetal., 2017)、種群動態(tài)(Caoetal., 2018)等有顯著的影響。目前，麥長管蚜對變溫幅度的生態(tài)學(xué)響應(yīng)研究比較有限，并且尚無變溫幅度對麥長管蚜溫度耐受性與呼吸代謝方面的研究。充分了解變溫幅度對麥長管蚜生理生態(tài)表型的影響，以及兩者之間的相關(guān)性，不僅可以為氣候變化下害蟲發(fā)生與為害的風(fēng)險(xiǎn)評估提供指導(dǎo)，還能為合理的制定害蟲綜合防控措施提供數(shù)據(jù)支撐。

為此，本研究選取平均溫度為22℃下3種變溫幅度(±0℃、±6℃、±12℃)，研究在模擬自然界24 h波動溫度中變溫幅度對麥長管蚜發(fā)育、存活、壽命、繁殖、種群參數(shù)以及熱耐受性、冷耐受性、呼吸速率等方面的影響，以期全面闡明氣候變化背景下晝夜變溫幅度對麥長管蚜生理與生態(tài)學(xué)的影響。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx

2016年5月山西省農(nóng)科院小麥試驗(yàn)田(116°16′N，35°55′E)采集麥長管蚜。采回后將麥長管蚜置于養(yǎng)蟲室內(nèi)(溫度20±1℃，相對濕度50%～60%，光周期16 L ∶ 8 D)進(jìn)行飼養(yǎng)。先將麥長管蚜放置在10～20 cm冬小麥幼苗(每周更換一次)上進(jìn)行飼養(yǎng)，然后將冬小麥放置于養(yǎng)蟲籠內(nèi)(60 cm×60 cm×60 cm)，最后養(yǎng)蟲籠置于養(yǎng)蟲室內(nèi)。試驗(yàn)前麥長管蚜在室內(nèi)已經(jīng)繼代飼養(yǎng)至少4年。

1.2 溫度設(shè)置

本研究模擬2012-2020年中國北方小麥產(chǎn)區(qū)(臨汾)小麥快速生長時期5月份的氣溫?cái)?shù)據(jù)。通過氣象數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，臨汾地區(qū)5月份小麥生長期內(nèi)日均溫在22℃左右，晝夜變溫幅度最大為±12℃。因此，本研究選取平均溫度為22℃，晝夜溫差分別設(shè)置為±0℃、±6℃和±12℃(圖1-A)。采用人工氣候箱內(nèi)模擬晝夜溫度變化。試驗(yàn)過程中，人工氣候箱內(nèi)使用Datalogger(U23-001, Hobo Ltd., USA)記錄溫度，并且每20 min自動記錄1次人工氣候箱內(nèi)實(shí)際溫濕度(圖1-B)。人工氣候箱內(nèi)光暗周期為固定的L ∶ D=16 ∶ 8，其中每天05 ∶ 00-21 ∶ 00為光照階段，21 ∶ 00-05 ∶ 00為黑暗階段，濕度控制在RH 40%～60%。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度由中央空調(diào)控制在22℃左右。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度(A)與連續(xù)三天內(nèi)不同變溫幅度處理下實(shí)際記錄溫度(B)Fig.1 Experimental design temperature (A) and actual recorded temperature in three consecutive days under different temperature fluctuations (B)

1.3 相關(guān)試驗(yàn)測定

生活史測定：選取4 h內(nèi)新生若蚜144頭，采用飼養(yǎng)管(Caoetal., 2018)進(jìn)行單頭飼養(yǎng)，分別置于22±0℃、22±6℃、22±12℃人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行飼養(yǎng)，每處理48頭新生若蚜。每日08 ∶ 00檢查蚜蟲個體死亡及產(chǎn)仔情況，并將死亡蚜蟲及新生若蚜去除，直至供試蚜蟲全部死亡，試驗(yàn)調(diào)查結(jié)束。為保證充足的營養(yǎng)供應(yīng)，飼養(yǎng)管內(nèi)小麥葉片每隔2 d更換1次。

溫度耐受性測定：(1)臨界高溫(critical maximum temperature，CTmax)測定，在22±0℃、22±6℃、22±12℃人工氣候箱內(nèi)，隨機(jī)選取9日齡的體型大小基本一致的成蚜，放入Huber(Ministat230-cc-NR，德國)(圖2-A)的外接反應(yīng)釜中。先將成蚜(每處理30頭)單個放入蜂窩板(長度×寬度：80×80 mm)的小孔(直徑 5 mm，深度5 mm)中，兩側(cè)分別由尼龍紗布(200目)覆蓋，防止蚜蟲逃逸。將蜂窩板垂直放置于反應(yīng)釜內(nèi)，反應(yīng)釜內(nèi)溫度在22℃平衡5 min后，溫度從22℃以0.5℃/min的速率上升到30℃，然后以0.1℃/min上升到40℃，停止溫度程序。隨著溫度升高，反應(yīng)釜內(nèi)蚜蟲會出現(xiàn)不能正常行走、痙攣、附肢突然停止顫動，最終蚜蟲昏迷。CTmax值即反應(yīng)釜內(nèi)蚜蟲附肢停止顫動時的溫度(Zhaoetal., 2017)。(2)過冷卻點(diǎn)(supercooling point，SCP)及冰點(diǎn)(freezing point，F(xiàn)P)測定，在22±0℃、22±6℃、22±12℃人工氣候箱內(nèi)，隨機(jī)選取9日齡的體型大小基本一致的成蚜。采用熱電偶測定法進(jìn)行測定，每處理30頭蚜蟲。因成蚜體較小，溫度探頭斷插入自制固定器內(nèi)，將成蚜放入固定器并與熱敏電阻探頭充分接觸，用脫脂棉輕輕固定，然后將固定器快速放入低溫-35℃冰箱，此時，成蚜體溫迅速降低。熱敏電阻開始顯示成蚜體表溫度的變化，觀察并記錄儀成蚜過冷卻點(diǎn)與冰點(diǎn)溫度。

呼吸代謝測定：在22±0℃、22±6℃、22±12℃人工氣候箱內(nèi)，隨機(jī)選取9日齡的體型大小基本一致的成蚜用于呼吸速率測定。每處理30頭成蚜。采用呼吸測定儀(Li-7000，美國)(圖2-B)，將成蚜按照不同處理分別放入第2到第4個呼吸室(第1個呼吸室作為基線)內(nèi)。成蚜在呼吸室內(nèi)呼吸1 h后開始測量，成蟲呼出的CO2進(jìn)入CO2流速分析儀，并用Expedata軟件進(jìn)行呼吸分析。試驗(yàn)在室溫度下(約22℃)進(jìn)行，重復(fù)3次。

圖2 溫度耐受性測定儀器(A)與呼吸測定儀器(B)Fig.2 Temperature tolerance instrument (A) and respiration instrument (B)

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)與Levene檢驗(yàn)分別檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)性與方差均質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)大部分?jǐn)?shù)據(jù)不符合正態(tài)分布且方差不齊。因此，采用廣義線性模型(GLM)中Gamma分布模型分析變溫幅度(單因素)對麥長管蚜發(fā)育、壽命、繁殖、溫度耐受性、呼吸速率等性狀的影響，不同變溫幅度處理間采用LSD進(jìn)行多重比較。麥長管蚜存活采用Kaplan-Meier進(jìn)行生存曲線分析，并采用Log Rank法進(jìn)行不同處理間差異顯著性比較，生存分析中去除非正常死亡與逃逸蚜蟲數(shù)據(jù)，剩余數(shù)據(jù)均在SPSS 20.0中進(jìn)行分析，并用Graphpad 9.0作圖。種群參數(shù)，即每種處理的凈繁殖率(R0)、世代周期(G)和內(nèi)稟增長率(Rm)由以下方程計(jì)算：

其中x是麥長管蚜的日齡，Lx是麥長管蚜在x日齡時的存活率比例，Mx是每頭麥長管蚜的生殖總量。采用R中bootstrap procedure方法分析麥蚜種群內(nèi)稟增長率的平均值以及95%置信區(qū)間，并且不同變溫幅度處理之間采用R的“agricolae”數(shù)據(jù)包中“Kruskal”函數(shù)進(jìn)行Kruskal-Wallis多重比較。結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示，P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同變溫幅度對麥長管蚜生理表型的影響

2.2 不同變溫幅度對麥長管蚜生態(tài)表型的影響

圖3 不同變溫幅度對于麥長管蚜成蚜臨界高溫、過冷卻點(diǎn)、冰點(diǎn)和呼吸速率的影響Fig.3 Effect of different temperature fluctuations on CTmax, SCP, FP and respiration of Sitobion avenae adult注：圖中柱上不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different letters above the bar indicated significant differences (P<0.05).

圖4 不同變溫幅度對麥長管蚜若蟲發(fā)育歷期、壽命、繁殖和存活情況的影響Fig.4 Effect of different temperature fluctuations on nymph development time, adult longevity, fecundity and survival rate of Sitobion avenae注：圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different letters above the bar indicated significant differences (P<0.05).

不同變溫幅度對麥長管蚜種群內(nèi)稟增長率影響顯著(χ2=263.11，df=2，P<0.01)(圖5)。恒溫(±0℃)與變溫幅度(±6℃)下麥長管蚜種群內(nèi)稟增長率分別為0.25±0.01、0.21±0.01，顯著高于變溫幅度(±12℃)下內(nèi)稟增長率0.08±0.011。不同變溫幅度對麥長管蚜種群凈增值率影響顯著(χ2=263.12，df=2，P<0.01)(圖5)。變溫幅度(±0℃、±6℃、±12℃)下麥長管蚜種群凈增值率分別為21.74±1.58、31.90±2.42、3.21±0.48。不同變溫幅度對麥長管蚜種群世代周期影響顯著(χ2=263.12，df=2，P<0.01)(圖5)。麥長管蚜種群世代周期由高到低分別是16.34±0.27(±6℃)、13.94±0.39(±12℃)、12.21±0.25(±0℃)。

圖5 不同變溫幅度對于麥長管蚜種群內(nèi)稟增長率、凈增值率和世代周期的影響Fig.5 Effect of different temperature fluctuations on nymph development time, adult fecundity and adult longevity of Sitobion avenae注：圖中柱上不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different letters above the bar indicated significant differences (P<0.05).

2.2 麥長管蚜表型之間相關(guān)性分析

對麥長管蚜生理生態(tài)表型之間進(jìn)行相關(guān)性分析，以探索麥長管蚜表型之間可能的關(guān)聯(lián)(見表1)。臨界高溫與呼吸速率(R2=0.653，P=0.401)、過冷卻點(diǎn)(R2=0.358，P=0.592)、冰點(diǎn)(R2=0.940，P=0.160)、壽命(R2=0.507，P=0.661)、繁殖(R2=0.712，P=0.361)相關(guān)性不顯著，過冷卻點(diǎn)與呼吸速率(R2=0.508，P=0.855)、冰點(diǎn)(R2=0.004，P=0.960)、繁殖(R2=0.910，P=0.194)相關(guān)性不顯著，冰點(diǎn)與呼吸速率(R2=0.418，P=0.553)、壽命(R2=0.102，P=0.793)、繁殖(R2=0.543，P=0.473)相關(guān)性不顯著，呼吸速率與壽命(R2=0.561，P=0.461)、繁殖(R2=0.900，P=0.204)相關(guān)性不顯著，壽命與繁殖(R2=0.941，P=0.156)相關(guān)性不顯著。但是，過冷卻點(diǎn)與壽命(R2=0.995，P=0.043)之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。

表1 麥長管蚜生理生態(tài)表型之間線性回歸分析

3 結(jié)論與討論

經(jīng)歷較大變溫幅度后，麥長管蚜成蚜臨界高溫顯著升高。這與以往短時熱激與麥蚜耐熱性研究結(jié)果相一致(Zhaoetal., 2017)。這可能是與較大變溫幅度中短時高溫誘導(dǎo)熱激蛋白表達(dá)(蔣健等, 2013)以及山梨醇和甘露醇等熱保護(hù)物質(zhì)升高(Chownetal., 2010)有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷較大變溫幅度后成蚜過冷卻點(diǎn)顯著降低，并且成蚜臨界高溫與過冷卻點(diǎn)的變化之間無顯著線性關(guān)系。這說明，成蚜耐熱性(臨界高溫)與耐寒性(過冷卻點(diǎn))的變化是相對獨(dú)立(Bozinovicetal., 2016)，這可能是由于成蚜溫度耐受性對波動溫度中熱階段與冷階段的響應(yīng)是不同的，可能存在不同的溫度調(diào)節(jié)或響應(yīng)機(jī)制(Colinetetal., 2015)。

本研究首次發(fā)現(xiàn)，在較大變溫幅度下，麥長管蚜成蟲呼吸速率顯著提高。昆蟲在適宜的溫度環(huán)境范圍內(nèi)，呼吸速率處于平穩(wěn)狀態(tài)，僅有小范圍變化；當(dāng)不處于適溫范圍時，呼吸將放生較大變化(王冬梅等, 2014)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較大變溫幅度下，成蚜的呼吸速率明顯提高。已有研究表明，昆蟲呼吸速率隨溫度變化會出現(xiàn)升高或降低的不同狀態(tài)(戈峰, 1991; 錢雪等, 2016)。這說明，晝夜變溫幅度中短時日高溫作為一種生理脅迫，已經(jīng)對成蚜呼吸產(chǎn)生顯著影響。并且，成蚜呼吸速率與變溫幅度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。由此可見，麥長管蚜在經(jīng)歷較大變溫幅度時，可以通過提高自身呼吸代謝，改變對溫度脅迫的適應(yīng)能力。

晝夜變溫幅度顯著影響麥長管蚜若蟲發(fā)育。當(dāng)變溫幅度為±0℃、±6℃時，麥長管蚜若蟲發(fā)育之間無顯著差異，但是當(dāng)變溫幅度為±12℃時，若蟲發(fā)育歷期顯著延長。已有研究表明，發(fā)育和環(huán)境溫度之間關(guān)系符合Jensen’s不等式中Sharpe-De Michele模型(Georgesetal., 2005)。在適宜溫度附近且變溫幅度較小時，昆蟲發(fā)育與溫度變化為線性模型(Escobaretal., 2012; Xingetal., 2014)。但是，當(dāng)較大變溫幅度中日高溫接近或超過昆蟲發(fā)育溫度上限時，生物發(fā)育受到顯著抑制(Martinetal., 2008)。試驗(yàn)中，變溫幅度為±12℃時，日最高溫度達(dá)到了34℃，且超過了麥長管蚜若蟲發(fā)育上限溫度(30℃)達(dá)到5 h。因此，較大變溫幅度明顯延長了麥長管蚜若蟲的發(fā)育，這可能是由較大變溫幅度中日高溫脅迫造成若蟲體內(nèi)保幼激素水平變化造成的(Goodmanetal., 1990)。

與變溫幅度±0℃、±6℃相比，較大變溫幅度±12℃下麥長管蚜若蟲存活增加，成蟲壽命與生殖顯著降低。這結(jié)果與以往恒溫研究并不一致。恒溫10～25℃范圍內(nèi)，麥長管蚜若蟲存活變化較小(91.8%～97.0%)，壽命在15.1～24.7 d之間；但溫度升高至30℃時，麥長管蚜則無法存活與生殖(Dean, 1974)。試驗(yàn)中，在變溫幅度±12℃下不僅麥長管蚜若蟲可以發(fā)育，而且成蟲還可以存活與生殖，這可能是因?yàn)椋?)在日高溫后，適宜恢復(fù)溫度對麥長管蚜若蟲與成蟲均有熱損傷的修復(fù)作用(Zhaoetal., 2014)。2)活動能力較強(qiáng)的成蟲，由于頻繁的移動，可以獲得調(diào)節(jié)體溫能力，從而躲避高溫帶來的損傷，提高自身耐熱性(Maetal., 2012)。并且，還發(fā)現(xiàn)變溫幅度±6℃時，麥長管蚜若蟲存活、成蟲壽命與生殖達(dá)到最大值，這可能由于變溫幅度±6℃時，麥長管蚜若蟲與成蟲在日高溫(28℃)并未對其產(chǎn)生致命損傷，但是經(jīng)歷適宜的夜間溫度不僅修復(fù)了日高溫造成的損傷，而且積累較多的保護(hù)性物質(zhì)，進(jìn)一步提高了若蟲存活，也延長了成蟲壽命與促進(jìn)了生殖。

晝夜溫差在一定程度上降低了昆蟲種群的適合度，抑制種群增長。試驗(yàn)結(jié)果表明，變溫幅度±12℃時麥長管蚜種群的內(nèi)稟增長率明顯低于變溫幅度±0℃、±6℃。麥長管蚜種群增長最適宜溫度在20～25℃之間，變溫幅度±12℃時由于種群在白天日高溫(34℃)顯著抑制了生殖率，從而降低了種群增長。由此可見，當(dāng)環(huán)境溫度波動變化足夠高時引起昆蟲體內(nèi)產(chǎn)生某種生理脅迫，破壞了體內(nèi)生理平衡，降低了昆蟲種群的適合度，從而使種群的增長受到一定的抑制。

隨著變溫幅度增加，麥長管蚜耐寒性(過冷卻點(diǎn))與壽命顯著負(fù)相關(guān)(R2=0.995，P=0.043)。這說明，經(jīng)歷較大變溫幅度的鍛煉對麥長管蚜耐寒性提高是有益處的，但是帶來的成本也是顯著的，麥長管蚜壽命的降低。已有研究表明，多種生物經(jīng)歷環(huán)境溫度波動鍛煉(temperature acclimation)后，都會明顯表現(xiàn)出一種成本與利益(cost and benefit)的權(quán)衡關(guān)系，如，長紅錐蝽Rhodniusprolixus(Rolandi, 2018)、黑腹果蠅(Schouetal., 2015)；蘋果蠹蛾Cydiapomonella(Chidawanyika and Terblanche, 2011)。由此可見，經(jīng)歷較大溫度波動鍛煉后，雖然麥長管蚜通過某種表型的提高，增加其對環(huán)境變化的生理適應(yīng)能力，但這種高能量的消耗會產(chǎn)生較大的成本，這種過程可能通過降低其它表型來實(shí)現(xiàn)。隨著全球氣候變化下溫度變異性的增加，這種權(quán)衡現(xiàn)象將增加昆蟲表型的變化情況。

以往多數(shù)種群表型及數(shù)量動態(tài)預(yù)測模型適用的溫度均是恒溫(Samanthaetal., 2014)，那么晝夜溫度波動中白天幾個小時的高溫對昆蟲的作用往往容易被忽視。因而，晝夜變溫幅度也必須納入到種群表型及動態(tài)預(yù)測模型中，這樣不僅能真正的全面闡明自然界復(fù)雜變溫模式對麥長管蚜種群生理生態(tài)學(xué)的影響，而且能提高麥蚜田間發(fā)生預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性以及提升氣候變化對生物風(fēng)險(xiǎn)評估的精確性。