楊 眉， 孫富余， 李志強， 劉欣宇， 于鳳泉

[1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所，遼寧沈陽 110161； 2.中國農(nóng)業(yè)大學有機循環(huán)研究院(蘇州)，江蘇蘇州215100]

溫度是影響昆蟲生長發(fā)育、繁殖及分布的重要環(huán)境因素之一，同時也會誘發(fā)昆蟲體內(nèi)的生理反應(yīng)[1]。高于昆蟲生存的最佳溫度將引起生物體的熱應(yīng)激反應(yīng)，在熱應(yīng)激反應(yīng)下，昆蟲體內(nèi)會產(chǎn)生過量的活性氧(ROS)，這將對昆蟲造成氧化損傷[2]。為應(yīng)對ROS可能造成的損傷，生物體已經(jīng)進化出了復雜的ROS清除保護機制，其中最關(guān)鍵組成部分即抗氧化酶[3]，主要的抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)[4]。SOD能夠?qū)OS催化為H2O2和O2，隨后H2O2將被CAT和POD轉(zhuǎn)化為H2O和O2，進而解除ROS對生物體可能產(chǎn)生的危害[5]。同時，當遭遇高溫時，昆蟲采用降低自身含水量的方式來降低體表及體內(nèi)溫度，從而降低高溫的傷害[6]。昆蟲體內(nèi)的脂肪和糖原在遭遇高溫時，也會起到保護體內(nèi)細胞物質(zhì)并調(diào)整代謝的作用。

二化螟[Chilosuppressalis(Walker)]屬鱗翅目螟蛾科，是對我國水稻危害最為嚴重的常發(fā)性害蟲之一，在我國各稻作區(qū)均有分布，其中長江流域及以南的稻作區(qū)發(fā)生尤為嚴重[7]。二化螟幼蟲對溫度的適應(yīng)性較強，其幼蟲在10～40 ℃的溫度條件下均可在一定程度上進行發(fā)育，最適宜的發(fā)育溫度在27 ℃左右[8-9]。隨著全球氣候變暖，雙季稻種植區(qū)的范圍正在以每年200 m的速度逐步向北擴大[10]，而南方稻作區(qū)的極端溫度也頻頻發(fā)生，夏季的最高氣溫常出現(xiàn)超過40 ℃的現(xiàn)象[11]。當前，關(guān)于低溫環(huán)境對二化螟幼蟲生長發(fā)育的影響已經(jīng)有較多報道[12-14]，針對高溫環(huán)境對二化螟幼蟲影響的報道大多關(guān)注于發(fā)生、生長繁殖、熱應(yīng)激蛋白及基因表達方向[15-17]，而關(guān)于高溫脅迫對于二化螟幼蟲體內(nèi)相關(guān)生理指標的研究卻未見專門的詳細報道。

本研究測定了二化螟在高溫脅迫下體內(nèi)SOD、CAT、POD的活性變化以及水分、脂肪、總糖的含量變化，進而明確二化螟幼蟲對極端高溫環(huán)境的適應(yīng)性，為研究該害蟲的生態(tài)適應(yīng)性評價及對其分布擴張趨勢分析提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究于2021年在遼寧省農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所進行。供試二化螟蟲源于遼寧省東港市新興區(qū)土房北村水稻田采集，置于恒溫光照培養(yǎng)箱中用水稻植株繼代飼養(yǎng)，溫度設(shè)定為28 ℃，每日光照時間16 h、黑暗時間8 h，保持所飼養(yǎng)的種群數(shù)不少于2 000頭。待新一代二化螟卵孵化后，參照GB/T 15792—2009《水稻二化螟測報調(diào)查規(guī)范》中的規(guī)定將二化螟幼蟲進行分齡[18]，每個齡期選取200頭幼蟲作為供試樣本，并及時將當時齡期的幼蟲分布置于27、30、33、36、39、42 ℃的條件下處理 4 h，每個處理進行4次重復，每個重復50頭。根據(jù)幼蟲可否協(xié)調(diào)運動作為判斷活蟲鑒別的標準，將活蟲置于液氮速凍后保存于-80 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.2 測定項目與方法

采用烘干法(60 ℃，48 h)測定二化螟幼蟲的含水量；采用索氏抽提法[19]測定二化螟幼蟲的脂肪含量；采用蒽酮法[20]測定二化螟幼蟲的總糖含量；采用分光光度法[21]測定二化螟幼蟲SOD、CAT及POD的活性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2019軟件對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；利用DPS 13.5軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的含水量

水分是昆蟲體內(nèi)各種生化反應(yīng)與代謝的溶質(zhì)，當溫度上升時，昆蟲會通過調(diào)節(jié)自身含水量來應(yīng)對高溫造成的損害[22]。由圖1可知，在適宜二化螟幼蟲生長發(fā)育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的含水量明顯高于高齡幼蟲。隨著溫度的提升，各齡幼蟲的含水量呈明顯下降趨勢，在相同的溫度下，低齡幼蟲的含水量呈現(xiàn)出高于高齡幼蟲的態(tài)勢。當溫度為42 ℃時，1～6齡幼蟲的含水量相對于28 ℃時分別下降了14.13%、14.98%、14.23%、14.23%、13.70%和16.21%。

2.2 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的脂肪含量

溫度升高導致的熱應(yīng)激反應(yīng)將會影響昆蟲體內(nèi)的脂肪含量[23]。由圖2可知，在適宜二化螟幼蟲生長發(fā)育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的脂肪含量明顯低于高齡幼蟲。隨著溫度的提升，各齡幼蟲的脂肪含量呈先上升后下降的趨勢。當溫度≤33 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的脂肪含量呈明顯上升趨勢；當溫度高于33 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的脂肪含量呈明顯下降趨勢。溫度為33 ℃時，各齡期幼蟲的脂肪含量均達到最高水平，相對于28 ℃時分別提升了10.94%、9.34%、7.32%、11.60%、10.50%和11.91%；當溫度為42 ℃時，各齡期幼蟲的脂肪含量分別下降了33.75%、33.46%、28.98%、30.51%、25.74%和27.06%。

2.3 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的總糖含量

糖分能夠在惡劣的環(huán)境條件下保護昆蟲體內(nèi)的蛋白質(zhì)分子，維持昆蟲的生命過程[23]。由圖3可知，在適宜二化螟幼蟲生長發(fā)育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的總糖含量明顯高于高齡幼蟲。隨著溫度的升高，各齡幼蟲的總糖含量呈先上升后下降趨勢。當溫度≤36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的總糖含量呈明顯上升趨勢；當溫度>36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的總糖含量呈明顯下降趨勢。溫度為36 ℃時，各齡期幼蟲的總糖含量均達到最高水平，相對于28 ℃時分別提升了22.24%、15.05%、25.93%、39.93%、63.62%和79.21%；當溫度為42 ℃時，各齡期幼蟲的總糖含量分別下降了30.17%、31.49%、27.45%、41.07%、45.51%和40.28%。

2.4 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的SOD活性

由圖4可知，在適宜二化螟幼蟲生長發(fā)育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的SOD活性明顯低于高齡幼蟲。隨著溫度的提升，各齡幼蟲的SOD活性呈先上升后下降趨勢。當溫度≤36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的SOD活性呈明顯上升趨勢；當溫度>36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的SOD活性呈明顯下降趨勢。溫度為36 ℃時，各齡期幼蟲的SOD活性均達到最高水平，相對于28 ℃時分別提升了121.40%、46.97%、61.16%、33.22%、65.49%和54.62%；當溫度為42 ℃時，各齡期幼蟲的SOD活性分別下降了38.01%、15.00%、5.69%、36.34%、10.26%和18.05%。

2.5 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的CAT活性

由圖5可知，在適宜二化螟幼蟲生長發(fā)育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的CAT活性明顯低于高齡幼蟲。隨著溫度的提升，各齡幼蟲的CAT活性呈先上升后下降趨勢。當溫度≤36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的CAT活性呈明顯上升趨勢；當溫度>36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的CAT活性呈明顯下降趨勢。溫度為36 ℃時，各齡期幼蟲的CAT活性均達到最高水平，相對于28 ℃時分別提升了82.09%、84.76%、84.19%、93.29%、79.70%和88.39%； 當溫度為42 ℃時，各齡期幼蟲的CAT活性相對于36 ℃時有所下降，但仍高于 28 ℃ 時的CAT活性，分別升高了23.69%、15.38%、46.07%、28.30%、45.28%和55.77%。

2.6 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的POD活性

由圖6可知，在適宜二化螟幼蟲生長發(fā)育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的POD活性明顯低于高齡幼蟲。隨著溫度的提升，各齡幼蟲的POD活性呈先上升后下降的趨勢。當溫度≤36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的POD活性呈明顯上升趨勢；當溫度>36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的POD活性呈明顯下降趨勢。溫度為36 ℃時，各齡期幼蟲的POD活性均達到最高水平，相對于28 ℃時分別提升了45.13%、72.78%、83.53%、89.86%、73.59%和74.18%；溫度為42 ℃時，各齡期幼蟲的POD活性相對于 28 ℃ 時有所下降，分別降低了25.44%、24.62%、3.59%、3.18%、1.52%和3.70%。

3 討論與結(jié)論

二化螟是我國稻作區(qū)危害最為嚴重的農(nóng)業(yè)害蟲之一，隨著全球氣候變暖的日益加劇，二化螟的分布、發(fā)生及生長發(fā)育等都將發(fā)生一系列變化。當前關(guān)于溫度對二化螟影響的研究大多集中在低溫對其生長的影響，強承魁等的研究表明，在低溫脅迫下，二化螟體內(nèi)的水分、脂肪及總糖含量等生理指標均顯現(xiàn)出了明顯的變化以應(yīng)對低溫對自身造成的損害[12]。關(guān)于高溫脅迫對昆蟲生理的影響，崔娟等證明了篩豆龜蝽成蟲通過提升體內(nèi)抗氧化酶的活性、總抗氧化能力以應(yīng)對高溫環(huán)境[24]。目前關(guān)于二化螟幼蟲在高溫脅迫環(huán)境下的響應(yīng)機制研究報道尚缺少。本研究發(fā)現(xiàn)，在幼蟲含水量方面，二化螟幼蟲的含水量同樣隨著溫度的上升而下降，且在同等高溫環(huán)境下，高齡幼蟲的含水量普遍高于低齡幼蟲，這表明二化螟幼蟲會采取降低自身含水量的方式來應(yīng)對出現(xiàn)的高溫環(huán)境。本研究同時發(fā)現(xiàn)，二化螟幼蟲的脂肪和總糖含量在高溫環(huán)境下均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這是因為溫度變化引發(fā)了昆蟲體內(nèi)脂肪與糖分的合成與消耗。與本研究結(jié)果有所不同的是，陳紅松研究發(fā)現(xiàn)，廣聚螢葉甲經(jīng)40～44 ℃的持續(xù)高溫脅迫后，體內(nèi)脂肪和糖的含量隨溫度的升高呈先降低后升高趨勢[25]，這可能是與選擇的試驗溫度有關(guān)。

高溫脅迫通常會引起昆蟲幼蟲體內(nèi)ROS過量產(chǎn)生，SOD、CAT及POD在清除幼蟲體內(nèi)過量ROS的過程中有著不可或缺的作用。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的上升，二化螟幼蟲體內(nèi)的3種抗氧化酶的活性均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中的關(guān)鍵溫度為36 ℃，當溫度高于36 ℃時，3種抗氧化酶活性均開始呈現(xiàn)下降趨勢，這說明二化螟幼蟲對高溫環(huán)境脅迫的耐受性有一定的范圍，在一定的范圍內(nèi)，3種抗氧化酶的活性將提高以清除ROS造成的危害，但超過這一范圍后，3種抗氧化酶的活性將受到抑制。李志明等研究發(fā)現(xiàn)，椰心葉甲嚙小蜂體內(nèi)CAT、POD活性與溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢[26]，本研究結(jié)果與之一致。SOD、CAT及POD在生物抵抗外界脅迫時通常表現(xiàn)為協(xié)同作用，正如本研究的結(jié)果表明，同一齡期幼蟲處于同一高溫脅迫時，SOD的活性表現(xiàn)為最高，其次為POD，CAT的活性最低，說明在抵抗環(huán)境高溫所造成的氧化脅迫時，3種抗氧化酶的貢獻率為SOD>POD>CAT。

本研究中，二化螟幼蟲通過調(diào)節(jié)自身含水量、脂肪含量、總糖含量以及3種抗氧化酶的活性來應(yīng)對熱脅迫所產(chǎn)生的危害，進而對環(huán)境高溫產(chǎn)生一定的適應(yīng)性。從研究結(jié)果來看，高溫對二化螟低齡幼蟲會產(chǎn)生一定的不利影響，但對中高齡幼蟲的不利影響有限。