馴化對始紅蝽(Pyrrhocoris apterus)耐寒能力的影響及越冬適應策略

曹凱麗,王芳艷,胡 敏,吾爾買提·達吾提,Roman Jashenko,季 榮,*

1 新疆師范大學生命科學學院,新疆特殊環境物種多樣性保護與調控重點實驗室,中亞區域跨境有害生物聯合控制國際研究中心,烏魯木齊 830054 2 新疆于田縣草原站,和田 848400 3 哈薩克斯坦共和國教育科學部動物研究所,阿拉木圖 050060

昆蟲的耐寒性是指其長期或短期暴露于低溫條件下的存活能力[1],耐寒能力可以通過過冷卻點(supercooling point,SCP)、低溫存活率和半致死溫(LT50)度等指標評價[2- 3]。研究表明,昆蟲的耐寒能力存在可塑性,馴化作為一種有效提高昆蟲耐寒能力的途徑,是昆蟲應對不良環境的一種過程和表現,短時或持續低溫馴化可明顯降低昆蟲的過冷卻點,提高低溫存活率,降低半致死溫度,是昆蟲耐寒性理論研究與應用研究的熱點[4-6]。

始紅蝽(PyrrhocorisapterusL.),屬于半翅目紅蝽科,廣泛分布于地中海沿岸、東亞和中亞地區,具有較強的適應性[7]。始紅蝽以滯育成蟲在植被覆蓋下的地表越冬,越冬前聚集行為明顯,呼吸速率和能量代謝減慢,呼吸代謝水平降低[8-9]；研究報道,越冬期間始紅蝽的過冷卻點為-14.5℃[10]。新疆冬季寒冷,平均溫度為-8.93℃,極端溫度達到-30℃以下[11-12],廣泛分布于新疆的始紅蝽種群如何應對低溫脅迫及其越冬策略值得探討。本研究通過逐月測定低溫馴化后越冬期始紅蝽過冷卻點和低溫存活率,分析自然種群體內耐寒物質含量,旨在闡明其耐寒能力變化及越冬適應策略。

1 材料與方法

1.1 試蟲采集與處理

根據季節變化和新疆氣候變化特征,當年12月至翌年3月從室外(43°51′N,87°34′E)采集始紅蝽個體,室內靜置30min,待其恢復爬行能力后挑選健康成蟲測試。室外采集時現場測量地表溫度。

1.2 馴化對始紅蝽過冷卻點的影響

基于新疆冬季平均氣溫,設置-5、-10、-15℃ 3個馴化溫度(因-15℃下,始紅蝽存活率最高僅為10%,有的為零,不具有統計學意義,故未分析其數據)。將試蟲放入錐形瓶中,置于已調至所需溫度的節能型智能恒溫槽(DC- 2015,寧波新芝)中馴化30min,25℃(±3℃)恢復30min后將過冷卻點儀(MS6501,東莞華儀)的熱電偶探頭置于試蟲前翅下,以1℃/min速率降溫,放入-80℃冰箱(MDF-C8,日本三洋)中逐只測試。每個馴化溫度每次測定30只,重復3次。以同月未經馴化的始紅蝽為對照組。

1.3 馴化對始紅蝽低溫存活率及LT50的影響

將試蟲于0℃下30min馴化后分別置于-5、-10、-15℃下1h,25℃(±3℃)恢復30min后檢查存活個體,以能夠正常爬行視為存活,統計低溫存活率,并根據邏輯斯蒂曲線方程計算0℃馴化前后始紅蝽的半致死溫度(LT50)。每個溫度測試30只,重復3次,以同月未經馴化的始紅蝽為對照組。

1.4 越冬期間始紅蝽耐寒物質含量測定

越冬期間逐月采集始紅蝽自然種群,分別采用張徐等[13]和李爽等[14]方法測定自由水/結合水比值、脂肪、甘油、海藻糖和游離蛋白質的含量,根據測定指標分別取始紅蝽雌雄蟲粉不少于0.1g或成蟲不少于20只(♀∶♂=1∶1),重復3次。

1.5 數據分析

分別用單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著差數法(LSD)多重比較分析不同馴化溫度始紅蝽過冷卻點與低溫存活率的差異顯著性(P<0.05)；不同月份同一性別采用ANOVA、LSD和多范圍檢驗(Duncan′s)分析耐寒物質差異顯著性(P<0.05)；相同月份不同性別采用獨立樣本T檢驗分析耐寒物質差異顯著性(P<0.05),數據分析采用SPSS 19.0軟件。

2 結果與分析

2.1 馴化對始紅蝽過冷卻點的影響

圖1結果表明,低溫馴化能明顯降低始紅蝽的過冷卻點,且降低程度與馴化溫度有關。12月至3月均以-10℃馴化效果最明顯,其中1月過冷卻點最低,對照組與馴化組過冷卻點平均分別為(-13.93±1.35)℃、(-25.56±1.09)℃,差異顯著(P<0.05)；12月馴化效果最不明顯,馴化前后過冷卻點平均分別為(-14.01±0.53)℃、(-17.19±1.28)℃,且差異顯著(P<0.05)。

-5℃馴化以2月馴化效果最明顯,馴化前后過冷卻點平均分別為(-11.47±0.58)℃、(-17.66±0.77)℃,差異顯著(P<0.05)；12月馴化效果最不明顯,馴化前后過冷卻點平均分別為(-14.01±0.53)℃、(-16.97±1.01)℃,差異顯著(P<0.05)。

圖1 越冬期間馴化對始紅蝽過冷卻點的影響 Fig.1 The effect of cold acclimation on the supercooling point of Pyrrhocoris apterus over winter period

未經馴化的對照組以3月過冷卻點最低,平均為(-14.47±0.76)℃,-5、-10℃馴化后分別下降至(-19.32±0.86)℃、(-21.31±0.85)℃,馴化前后差異顯著(P<0.05)。

從圖1看出,越冬期間馴化組及自然種群始紅蝽的過冷卻點均低于地表溫度,其中1月地表溫度最低,為(-7.08±0.05)℃。

2.2 馴化對始紅蝽低溫存活率和半致死溫度的影響

由表1可知,低溫馴化能明顯提高始紅蝽的低溫存活能力。越冬期間12月至3月馴化組的存活率均大于對照組,0℃馴化置于-5℃暴露1h,12月的平均存活率為89.70%±3.69%,與對照組56.67%±3.33%之間差異顯著(P<0.05)；1月和2月的平均存活率分別由馴化前的96.67%±3.33%、98.89%±1.11%提高到100.00%,馴化前后存活率無顯著差異(P>0.05)；3月平均存活率由馴化前43.75%±3.33%上升至100.00%,馴化前后存活率差異顯著(P<0.05)。

0℃馴化后置于-10℃暴露1h,12月的平均存活率最低,為31.06%±1.33%,與對照組13.64%±2.82%之間差異顯著(P<0.05)；1月的平均存活率最高,為39.06%±1.11%,與對照組8.89%±1.11%之間差異顯著(P<0.05)；0℃馴化-15℃后暴露1h,始紅蝽自然種群及12月馴化組的存活率均為零,2月馴化組平均存活率最高,僅為10.00%。

由表2可知,低溫馴化可降低始紅蝽的LT50。越冬階段12月至3月,0℃馴化后始紅蝽的LT50均低于自然種群,其中馴化前2月LT50最低,為-8.53℃,馴化后降至為-9.12℃。

2.3 越冬期間始紅蝽耐寒物質含量的變化

由表3可知,越冬期間雌雄始紅蝽體內自由水/結合水比值和游離蛋白質含量先下降后上升,12月達到最大,雌雄分別為144.50±26.22和140.32±21.92,(15.81±0.10)mg/g和(15.47±0.01)mg/g,2月降至最低,雌雄分別為90.55±16.90和90.14±1.64,(15.46±0.20)mg/g和(14.96±0.02)mg/g,之后開始上升。不同月份相同性別自由水/結合水比值和游離蛋白質含量均無顯著差異(P>0.05),相同月份雌雄之間自由水/結合水比值無顯著差異(P>0.05),2月雌雄之間游離蛋白質含量差異顯著(P<0.05)。

表1 越冬期間馴化對始紅蝽低溫存活率的影響

表中數據為平均值±標準誤；數據后不同小寫字母表示相同月份對照組與馴化組差異顯著(P<0.05);數據后不同大寫字母表示相同處理下不同月份差異顯著性(P<0.05, 最小顯著差數法LSD和Duncan氏檢驗)

表2 越冬期間馴化對始紅蝽半致死溫度的影響

雌雄始紅蝽體內脂肪、海藻糖和甘油含量先上升后下降,2月達到最大,雌雄脂肪含量分別為(16.33±0.48)mg/g和(13.15±1.31)mg/g,海藻糖含量分別為(11.98±0.01)mg/g和(10.88±0.02)mg/g,甘油含量分別為(14.73±0.01)mg/g和(15.06±0.03)mg/g,各月之間雌雄體內海藻糖和甘油含量差異均顯著(P<0.05)。雌雄脂肪含量最小值分別在12月和3月,依次為(9.97±0.03)mg/g和(9.52±1.74)mg/g,雌雄海藻糖和甘油含量最小值均在3月,分別為(7.82±0.01)mg/g和(8.42±0.05)mg/g,(15.98±0.09)mg/g和(15.34±0.02)mg/g。雌蟲脂肪含量2月與其他月之間差異顯著(P<0.05),2月雄蟲脂肪含量與3月差異顯著(P<0.05),與其他月份之間無顯著差異(P>0.05)。

表中數據為平均值±標準誤；不同小寫字母表示同一性別不同月份差異顯著(P<0.05,最小顯著差數法LSD和Duncan氏檢驗)；數據后不同大寫字母表示相同月份雌雄差異顯著(P<0.05,獨立樣本T檢驗)

3 結論與討論

3.1 馴化對始紅蝽耐寒能力的影響

根據過冷卻點可將昆蟲的耐寒性對策分為不耐結冰型(freezing intolerant)和耐結冰型(freezing tolerant),前者通過降低過冷卻點適應低溫環境,后者則在一定范圍內能夠忍受細胞外液結冰造成的傷害[15],本研究得出始紅蝽屬于不耐結冰型,并且同許多不耐結冰型昆蟲一樣在高于過冷卻點的溫度下迅速死亡[4,16-17]。如3月份始紅蝽自然種群的過冷卻點最低為(-14.47±0.76)℃,但將其置于-10℃下的存活率僅為28.89%±12.81%,因此,同樣不能將過冷卻點作為衡量始紅蝽耐寒性的唯一指標。

馴化可明顯降低始紅蝽的過冷卻點,提高其低溫存活率和耐寒能力。本試驗結果發現,3月始紅蝽自然種群經過-5、-10℃馴化后,其過冷卻點分別由馴化前的(-14.01±0.53)℃下降為(-16.97±1.01)℃、(-17.19±1.28)℃,-5℃暴露下存活率由43.75%±3.33%上升到100.00%。這與西花薊馬(Frankliniellaoccidentalis)、椰心葉甲 (Brontispalongissima)等昆蟲研究結果一致[5- 6,13]。因此,自然界中始紅蝽經過秋季到冬季的低溫馴化過程后,其耐寒能力大幅度增強以確保其安全越冬。

根據過冷卻點、低溫存活率和LT50綜合判斷,越冬期間始紅蝽自然種群以3月耐寒能力最強,低溫馴化后則以1月最強。分析原因與新疆氣候特征有關系,3月易發生“倒春寒”天氣[18],自然種群須有較強的耐寒能力才能安全度過異常氣候以維持種群數量,但1月氣溫和地表溫度最低,始紅蝽經過秋季和初冬的自然馴化后獲得較強的耐寒能力有助于其安全越冬,這亦是始紅蝽長期適應環境的結果。

3.2 始紅蝽耐寒策略及其適應變化

為適應低溫環境,寒帶和溫帶的昆蟲在長期進化過程中主要形成了兩類耐寒策略,即生態適應策略和生理適應策略[19-20]。為安全越冬,始紅蝽越冬多選擇在背風、陽面或錦葵(MalvasinensisC.)的根部[7-8],聚集行為明顯,越冬過程中通過累積小分子糖醇,調整呼吸代謝的強度及底物類型以提高蟲體耐寒能力[9-10]。與亞洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)、赤松毛蟲(Dendrolimusspectabilis)越冬幼蟲和桑尺蠖(Phthonandriaatrilineata)越冬幼蟲等研究結果類似[21- 23],本研究得出,越冬期間始紅蝽體內自由水/結合水比值降低,自由水被排出體外或轉化為結合水,這有助于提高蟲體血淋巴的溶質濃度,降低過冷卻點[24-25]。越冬期間始紅蝽體內蛋白質含量減少,可能與其轉化為抗凍保護劑有關[26],這與蒲氏鉤蝠蛾(Thitarodespui)、大草蛉(Chrysopapallens)預蛹和綠盲蝽(Apolyguslucorum)卵的研究結果一致[27- 29],但與赤松毛蟲和桑尺蠖越冬幼蟲研究結果不一致[22- 23],具體原因還有待進一步分析。甘油含量增加可以降低過冷卻點[30],海藻糖和脂肪作為蟲體重要的抗逆保護物質,其含量增加對維持細胞膜、蛋白質結構的穩定性,增加蟲體耐寒能力和保證蟲體正常生理功能等方面具有重要作用[20,31-32],這亦與大多數昆蟲的研究結果一致[21- 22,27- 30]。

昆蟲體內耐寒物質變化可能滯后于其所處環境溫度的變化,這是因為相關酶活性恢復可能需要一段時間[33]。本研究亦發現同樣現象,1月份地表溫度最低,但其體內自由水/結合水比值、脂肪、海藻糖、甘油和游離蛋白質等含量均在2月份達到峰值,表現出一定的滯后性,這是否與蟲體內酶活性有關還需進一步研究。

參考文獻(References):

[1] Lee R E Jr. Insect cold hardiness: to freeze or not to freeze. Bioscience, 1989, 39(5): 308- 313.

[2] 景曉紅,康樂. 昆蟲耐寒性的測定與評價方法. 昆蟲知識, 2004, 40(1): 7- 10.

[3] 歐陽芳,戈峰. 昆蟲抗凍耐寒能力的測定與分析方法. 應用昆蟲學報, 2014, 51(6):1646- 1652.

[4] Broufas G D, Koveos D S. Rapid cold hardening in the predatory miteEuseius(Amblyseius)finlandicus(Acari: Phytoseiidae). Journal of Insect Physiology, 2001, 47(7): 699- 708.

[5] Tsumuki H, Ishida H, Yoshida H, Sonoda S, Izumi Y, Murai T. Cold hardiness of adult western flower thrips,Frankliniellaoccidentalis(Pergande) (Thysanoptera:Thripidae). Applied Entomology and Zoology, 2007, 42(2): 223- 229.

[6] 李鴻波,史亮,王建軍,杜予州. 西花薊馬的快速冷馴化及其生態學代價. 生態學報, 2011, 31(23): 7196- 7202.

[7] Honěk A. Factors and consequences of a non-functional alary polymorphism inPyrrhocorisapterus(Heteroptera: Pyrrhocoridae). Researches on Population Ecology, 1995, 37(1): 111- 118.

[8] 蘇延樂,呂昭智,宋菁,苗偉. 始紅蝽越冬聚集行為對其能量代謝的影響. 昆蟲學報, 2007, 50(12): 1300- 1303.

[9] 錢雪,王冬梅,李爽,竇潔,季榮. 始紅蝽呼吸代謝的季節變化及對溫度的適應性. 生態學報, 2016, 36(20): 6602- 6606.

[11] 左敏,陳洪武,江遠安,李麗華. 新疆近50a氣溫變化趨勢和演變特征. 干旱氣象, 2010, 28(2): 160- 166.

[12] 張山清,普宗朝,李景林,李建新,吉春容,傅瑋東,王命全,李曉菊,鄭新倩. 氣候變化對新疆紅棗種植氣候區劃的影響. 中國生態農業學報. 2014, 22(6): 713- 721.

[13] 張徐,呂寶乾,金啟安,溫海波,彭正強. 低溫對椰心葉甲成蟲體內幾種抗寒物質含量的影響. 熱帶作物學報. 2013, 34(5): 942- 946.

[14] 李爽,王冬梅,李娟,扈鴻霞,季榮. 雌雄意大利蝗耐高溫差異及其生理生化響應對策. 應用昆蟲學報, 2015, 52(4): 960- 967.

[15] Bale J S. Insects at low temperature: a predictable relationship? Functional Ecology, 1991, 5(2): 291- 298.

[16] 崔雙雙,賀一原. 昆蟲的耐寒性及其影響因素. 生命科學研究, 2011, 15(3): 273- 276.

[17] 王錦林,馮宇倩,宗世祥. 昆蟲耐寒性的類型、測定方法及影響因素綜述. 安徽農學通報, 2013, 19(9): 32- 35.

[18] 于錫基. 新疆春季寒害的研究. 新疆氣象, 1993, 16(4): 42- 48.

[19] Hoffman A A, S?rensen J G, Loeschcke V. Adaptation ofDrosophilato temperature extremes: Bringing together quantitative and molecular approaches. Journal of Thermal Biology, 2003, 28(3): 175- 216

[20] 史彩華,胡靜榮,李傳仁,張友軍. 環境脅迫下昆蟲的耐寒適應機制研究進展. 植物保護, 2016, 42(6): 21- 28.

[21] 胡志鳳,張統書,邢月,張天競,董輝,叢斌. 東北地區亞洲玉米螟越冬幼蟲抗寒性時間動態. 植物保護學報, 2016, 43(5): 722- 730.

[22] 韓瑞東,孫緒艮,許永玉,張衛光. 赤松毛蟲越冬幼蟲生化物質變化與抗寒性的關系. 生態學報, 2005, 25(6): 1352- 1356.

[23] 孫緒艮,郭慧玲,李恕廷,王興華. 桑尺蠖越冬幼蟲的耐寒性研究. 蠶業科學, 2000, 26(3): 129- 133.

[24] Wolfe J, Bryant G, Koster K L. What is ‘unfreezable water’, how unfreezable is it and how much is there? Cryo-Letters, 2002, 23(3): 157- 166.

[25] Block W, Zettel J. Activity and dormancy in relation to body water and cold tolerance in a winter-active springtail(Collembola). European Journal of Entomology, 2003, 100(3): 305- 312.

[26] 王蔭長. 昆蟲生物化學. 北京: 中國農業出版社, 2001, 57- 60.

[27] 易杰群,張古忍,郭晨林,閔強,鄒志文. 蒲氏鉤蝠蛾幼蟲血淋巴物質與其耐寒性. 生態學報, 2015, 35(18): 6208- 6215.

[28] 于令媛,時愛菊,鄭方強,盧虹,張帆,許永玉. 大草蛉預蛹耐寒性的季節性變化. 中國農業科學, 2012, 45(9): 1723- 1730.

[29] 卓德干,李照會,門興元,于毅,張安盛,李麗莉,張思聰. 綠盲蝽越冬卵的耐寒能力. 生態學報, 2012, 32(5): 1553- 1561.

[30] 馬延龍,候鳳,馬紀. 荒漠昆蟲光滑鱉甲的耐寒性季節變化及其生理機制. 昆蟲學報, 2009, 52(4): 372- 379.

[31] 丁惠梅,馬罡,武三安,趙飛,馬春森. 滯育昆蟲小分子含量變化研究進展.應用昆蟲學報, 2011, 48(4): 1060- 1070.

[32] 任小云,齊曉陽,安濤,韓艷華,陳紅印,張禮生. 滯育昆蟲營養物質的積累、轉化與調控. 應用昆蟲學報, 2016, 53(4): 685- 695.

[33] 張擁軍. 二化螟越冬幼蟲耐寒性及其機理研究[D]. 武漢: 華中農業大學, 2007.