光周期和溫度誘導(dǎo)美國(guó)白蛾滯育*

王少博 周 洲 陳怡萌 王玉珠 張永安 曲良建

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 國(guó)家林業(yè)和草原局森林保護(hù)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100091；2.河南科技大學(xué)林學(xué)院 洛陽 471003)

生物界中存在2種晝夜節(jié)律，一種是晝夜的每日循環(huán)，另一種是以晝夜長(zhǎng)度(光周期)變化為特征的年度季節(jié)循環(huán)，二者之間的相互協(xié)調(diào)在生物體生長(zhǎng)發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用(Bradshawetal.，2010a；2010b；Ikenoetal.，2010)。對(duì)光周期信號(hào)的敏感性使得昆蟲能夠感知季節(jié)變化，并相應(yīng)地調(diào)整其生活方式和發(fā)育周期。昆蟲通過長(zhǎng)期的生態(tài)進(jìn)化，生命發(fā)育周期與季節(jié)變化相適應(yīng)，從而能夠在不適合其生長(zhǎng)發(fā)育的季節(jié)到來之前，通過感知周圍環(huán)境因子的變化形成一種發(fā)育或繁殖停滯狀態(tài)，即滯育，以保證種群避開不利環(huán)境，維持種群的生存和繁衍(Denlinger，2002；王滿囷等，2004；徐衛(wèi)華，2008；Saundersetal.，2013)。自然界中，光周期和溫度是影響昆蟲滯育最為重要的2個(gè)環(huán)境因子，二者既可協(xié)同作用，也可單獨(dú)影響昆蟲滯育(Jackson，2011；王力剛等，2011；Englert，2018)。

美國(guó)白蛾(Hyphantriacunea)屬鱗翅目(Lepidoptera)燈蛾科(Arctiinae)，是一種外來入侵有害生物，因具有食性雜、繁殖量大、適應(yīng)性強(qiáng)、危害嚴(yán)重等特點(diǎn)，被列為重大林業(yè)有害生物(Sullivanetal.，2011；李娟等，2019)。根據(jù)國(guó)家林業(yè)和草原局2019年美國(guó)白蛾疫區(qū)的公告，美國(guó)白蛾已入侵至湖北省、陜西省和上海市等12個(gè)地區(qū)，對(duì)當(dāng)?shù)氐闹参镔Y源和生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞，亦成為全社會(huì)高度關(guān)注的重大事件。

美國(guó)白蛾是以蛹越冬的兼性滯育昆蟲，目前關(guān)于其滯育的研究主要集中在臨界光周期的地理變異(Gomi，1997)、越冬滯育蛹抗寒性(Lietal.，2001)、滯育解除方式(Chenetal.，2014)以及滯育相關(guān)基因篩選(Yuetal.，2018)等方面。光周期作為誘導(dǎo)美國(guó)白蛾滯育的主要環(huán)境因子雖已被廣泛證實(shí)(Gomietal.，1991；Gomi，1997；2007；Chenetal.，2014)，但因?qū)ζ淙狈ο到y(tǒng)研究，致使關(guān)于光周期誘導(dǎo)美國(guó)白蛾滯育的敏感齡期仍存在爭(zhēng)議(Masaki，1975；潘洪勝等，1992)；此外，溫度和光周期如何協(xié)同影響美國(guó)白蛾滯育尚不清楚。鑒于此，本研究探究光周期和溫度對(duì)美國(guó)白蛾滯育的影響，明確誘導(dǎo)美國(guó)白蛾滯育的主控因子和幼蟲敏感齡期，以期為預(yù)測(cè)美國(guó)白蛾的分布、發(fā)生和防治提供參考，為深入研究光周期誘導(dǎo)美國(guó)白蛾滯育的分子機(jī)制和開發(fā)新型防治技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試?yán)ハx美國(guó)白蛾采自天津市漢沽林場(chǎng)(39.24°N，117.81°E)，帶回中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所昆蟲病原微生物研究室，置于智能光照培養(yǎng)箱(天津市泰斯特儀器有限公司)以人工飼料法進(jìn)行續(xù)代飼養(yǎng)。飼養(yǎng)條件：溫度(25±1)℃，光周期L16∶D8，相對(duì)濕度70%～80%，室內(nèi)飼養(yǎng)6～7代后作為試驗(yàn)用蟲。羽化的成蟲飼喂10%蔗糖水以補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)。

1.2 方法

1.2.1 滯育誘導(dǎo)的光周期反應(yīng) 美國(guó)白蛾滯育誘導(dǎo)的光周期反應(yīng)試驗(yàn)在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行，分別設(shè)置4個(gè)溫度(21、23、25、27 ℃)和7個(gè)光周期(L8∶D16、L10∶D14、L12∶D12、L13∶D11、L14∶D10、L15∶D9、L16∶D8)，共28個(gè)處理。將初孵幼蟲分別置于不同處理的培養(yǎng)箱內(nèi)，每處理試蟲100頭，重復(fù)3次，試蟲在昆蟲飼養(yǎng)盒(Φ6.3 cm×5.3 cm)中飼養(yǎng)，每天定時(shí)觀察并及時(shí)更換人工飼料，統(tǒng)計(jì)不同處理下幼蟲的發(fā)育、化蛹和滯育情況，臨界光周期計(jì)算參考李文香等(2008)和劉月英等(2015)的方法。

1.2.2 光周期誘導(dǎo)滯育敏感齡期的測(cè)定 參照上述試驗(yàn)結(jié)果，選擇23 ℃及光周期L16∶D8和L10∶D14作為敏感齡期測(cè)定的條件，在美國(guó)白蛾幼蟲不同生長(zhǎng)發(fā)育階段分別給予長(zhǎng)光照L16∶D8(以“L”表示)和短光照L10∶D14(以“S”表示)交替飼養(yǎng)處理。

第1部分試驗(yàn)分為2組。第1組：初孵幼蟲先給予短光照(S)處理，之后再給予長(zhǎng)光照(L)處理，短光處理從第1齡開始依次增加1個(gè)齡期，直至整個(gè)幼蟲階段都接受短光照處理；第2組：初孵幼蟲先給予長(zhǎng)光照(L)處理，之后再給予短光照(S)處理，長(zhǎng)光照處理從第1齡開始直至整個(gè)幼蟲階段。

第2部分試驗(yàn)分為5組。第1組：幼蟲階段單個(gè)發(fā)育齡期給予短光照(S)處理；第2組：幼蟲階段相鄰2個(gè)發(fā)育齡期給予短光照(S)處理；第3組：幼蟲階段相鄰3個(gè)發(fā)育齡期給予短光照(S)處理；第4組：幼蟲階段相鄰4個(gè)發(fā)育齡期給予短光照(S)處理；第5組：幼蟲階段相鄰5個(gè)發(fā)育齡期給予短光照(S)處理。

每組處理試蟲100頭，重復(fù)4次。每天定時(shí)觀察并及時(shí)更換人工飼料，統(tǒng)計(jì)不同處理下幼蟲的發(fā)育、化蛹和滯育情況。

1.3 滯育蛹的判定標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)白蛾蛹是否滯育參照Gomi(1997)和魏曉棠等(2006)的判別標(biāo)準(zhǔn)，蛹超過30天不羽化即判定為滯育蛹。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，利用Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行不同處理組間的顯著性檢驗(yàn)，臨界光周期回歸方程利用最小二乘法擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 滯育誘導(dǎo)的光周期反應(yīng)

在不同溫度處理下，美國(guó)白蛾滯育率隨光照時(shí)間(8～16 h)延長(zhǎng)逐漸下降(圖1)。光照時(shí)間在8～13 h范圍內(nèi)，21和23 ℃條件下美國(guó)白蛾滯育率為100%，25和27 ℃條件下滯育率變化不明顯，均保持在92%以上。光照時(shí)間為14和15 h時(shí)，隨光照時(shí)間延長(zhǎng)滯育率明顯下降，21 ℃時(shí)的滯育率分別為100%和46%，23 ℃時(shí)的滯育率分別為90%和23%，25 ℃時(shí)的滯育率分別為85.33%和7.67%，27 ℃時(shí)的滯育率分別為72%和0(表1)。光照時(shí)間為14和15 h時(shí)，不同溫度條件下美國(guó)白蛾滯育率均呈顯著性差異；光照時(shí)間達(dá)到16 h，各溫度處理下均無滯育發(fā)生，滯育發(fā)生與否不再受溫度調(diào)控。這表明美國(guó)白蛾屬長(zhǎng)光照發(fā)育-短光照滯育型昆蟲，且光周期是誘導(dǎo)美國(guó)白蛾滯育的主導(dǎo)因素。

圖1 不同溫度下美國(guó)白蛾滯育誘導(dǎo)的光周期反應(yīng)

雖然光周期在美國(guó)白蛾滯育誘導(dǎo)中發(fā)揮主導(dǎo)作用，但溫度在滯育誘導(dǎo)過程中亦發(fā)揮重要作用。日光照時(shí)間小于13 h或大于16 h，滯育受溫度調(diào)控程度較小，甚至不受溫度調(diào)控，但光照時(shí)間在13～16 h之間，滯育率隨溫度降低逐漸升高。光照時(shí)間為14 h時(shí)，21、23、25和27 ℃條件下的滯育率分別為100%、90%、85.33%和72%，不同溫度處理之間差異顯著(表1)。光照時(shí)間為15 h時(shí)，4種不同溫度(21、23、25、27 ℃)條件下滯育率依次為46%、23%、7.67%和0，處理間差異達(dá)顯著水平(表1)。這表明，低溫可促進(jìn)美國(guó)白蛾滯育發(fā)生，而高溫對(duì)滯育具有一定抑制作用。

2.2 臨界光周期

日光照時(shí)間在12～16 h范圍內(nèi)時(shí)，美國(guó)白蛾滯育率與光照時(shí)間呈現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。21、23、25和27 ℃條件下，根據(jù)光照時(shí)間12～16 h范圍內(nèi)的滯育率，利用SPSS軟件獲得美國(guó)白蛾滯育率與光周期的最佳擬合曲線方程，并計(jì)算不同溫度下美國(guó)白蛾的臨界光周期。21、23、25和27 ℃條件下的臨界光周期(L∶D)分別為14 h 58 min∶ 9 h 02 min、14 h 45 min∶ 9 h 15 min、14 h 35 min∶ 9 h 25 min、14 h 24 min∶ 9 h 36 min(表2)。這表明，隨著溫度升高，臨界光周期逐漸縮短。

2.3 美國(guó)白蛾滯育的敏感齡期

由表3、4可知，美國(guó)白蛾幼蟲階段對(duì)短光照誘導(dǎo)滯育具有累積效應(yīng)，僅單一齡期接受短光照并不能誘導(dǎo)其滯育，且不同發(fā)育階段的幼蟲對(duì)短光照誘導(dǎo)滯育的敏感性存在差異。

表3中處理1—6表明，美國(guó)白蛾滯育率與幼蟲發(fā)育階段連續(xù)接受短光照誘導(dǎo)的時(shí)長(zhǎng)呈正相關(guān)關(guān)系，即幼蟲發(fā)育齡期越大，接受短光照誘導(dǎo)的時(shí)間越長(zhǎng)，其種群滯育率越高。1～2齡幼蟲經(jīng)連續(xù)短光照處理，其滯育率僅為5.70%，1～3齡、1～4齡和1～5齡幼蟲經(jīng)連續(xù)短光照誘導(dǎo)，其種群滯育率依次為28.50%、63.40%和100%。由此可見，美國(guó)白蛾幼蟲發(fā)育階段對(duì)短光照誘導(dǎo)滯育具有累積效應(yīng)，該階段接受短光照誘導(dǎo)時(shí)間越長(zhǎng)(幼蟲發(fā)育齡期越大)，其種群滯育率越高。表3中處理7—12從另一方面進(jìn)一步證實(shí)了該結(jié)論，即隨著幼蟲發(fā)育階段接受長(zhǎng)光照處理時(shí)間增加，其種群從全部滯育(滯育率為100%)逐漸降低到不滯育(滯育率為0)。

表1 光周期和溫度對(duì)美國(guó)白蛾滯育的影響①

①表中數(shù)據(jù)為滯育率(平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Data are diapause rate(mean ±SE).同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母、同行數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示經(jīng)Duncan 氏新復(fù)極差法檢驗(yàn)后差異顯著(P≤0.05)Different lowercase letters in the same column or different uppercase letters in the same row indicate significant difference atP≤0.05 level by Duncan’s new multiple range test.

表2 美國(guó)白蛾在不同溫度下的臨界光周期

表3 美國(guó)白蛾幼蟲不同發(fā)育階段感受長(zhǎng)光照和短光照的滯育率①

①L：長(zhǎng)光照處理(L16∶D8)；S：短光照處理(L10∶D14)。數(shù)據(jù)后不同字母表示經(jīng)Duncan 氏新復(fù)極差法檢驗(yàn)后差異顯著(P≤0.05)，下同。L∶ Long photoperiod treatment(L16∶D8); S∶ Short photoperiod treatment(L10∶D14).Those in the column followed by different letters is significantly different by Duncan’s multiple range test(P≤0.05)，the same below.

表4中處理1—6證實(shí)，美國(guó)白蛾幼蟲僅單一發(fā)育齡期給予短光照處理不能誘導(dǎo)其滯育，處理7—11、處理12—15、處理16—18和處理19—20表明，美國(guó)白蛾幼蟲任意2個(gè)及以上連續(xù)發(fā)育齡期給予短光照誘導(dǎo)均能引起滯育發(fā)生，且處理內(nèi)和不同處理間存在顯著性差異。在幼蟲連續(xù)2個(gè)發(fā)育齡期接受短光照處理中，處理9(3～4齡)的滯育率最高，為43.11%，處理10(2～3齡)和處理8(4～5齡)的次之，分別為19.70%和18.00%，處理7(1～2齡)和處理11(5～6齡)的滯育率最低。在幼蟲連續(xù)3個(gè)發(fā)育齡期接受短光照處理中，處理14(3～5齡)的滯育率最高，為89.67%，處理12(1～3齡)的滯育率最低，為28.50%。在幼蟲連續(xù)4個(gè)發(fā)育齡期接受短光照處理中，處理17(2～5齡)種群全部發(fā)生滯育(滯育率為100%)，處理16(1～4齡)的滯育率為63.40%。美國(guó)白蛾幼蟲1～5齡或2～6齡連續(xù)5個(gè)發(fā)育齡期給予短光照處理，其種群均全部滯育。上述研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，美國(guó)白蛾幼蟲階段對(duì)光周期誘導(dǎo)滯育具有累積效應(yīng)，且不同齡期對(duì)光周期的敏感性存在顯著差異，其中以3～5齡發(fā)育階段的幼蟲對(duì)光周期誘導(dǎo)滯育最為敏感。

表4 美國(guó)白蛾幼蟲不同齡期對(duì)光周期誘導(dǎo)滯育的敏感性

3 討論

美國(guó)白蛾作為世界性檢疫害蟲，主要分布在冷熱變換明顯的北半球溫帶地區(qū)，滯育是其適應(yīng)這種季節(jié)性氣候變化的主要機(jī)制。同時(shí)，美國(guó)白蛾作為一種典型的兼性滯育昆蟲，其滯育發(fā)生主要受環(huán)境因子調(diào)控，光周期作為誘導(dǎo)其滯育的主要環(huán)境因子雖已被前人證實(shí)，但幼蟲不同發(fā)育階段對(duì)光周期誘導(dǎo)滯育是如何反應(yīng)的、溫度在其滯育誘導(dǎo)過程中是否同樣發(fā)揮重要作用等科學(xué)問題至今缺乏系統(tǒng)研究和報(bào)道。本研究通過在室內(nèi)建立美國(guó)白蛾滯育誘導(dǎo)體系，系統(tǒng)研究不同光周期和溫度組合處理對(duì)美國(guó)白蛾滯育的影響，結(jié)果表明，美國(guó)白蛾是典型的長(zhǎng)日照發(fā)育-短日照滯育型昆蟲，幼蟲不同發(fā)育階段對(duì)光周期的敏感性不同，溫度在美國(guó)白蛾滯育誘導(dǎo)過程中協(xié)同光周期發(fā)揮重要作用，但作用程度受光周期影響。

光周期雖是誘導(dǎo)昆蟲滯育的主要因子，但溫度的調(diào)控作用不可忽視。郭建青等(2013)在對(duì)亞洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)滯育誘導(dǎo)研究中發(fā)現(xiàn)，光周期對(duì)玉米螟滯育誘導(dǎo)作用與溫度有關(guān)，而溫度對(duì)滯育的影響受光周期調(diào)控；劉月英等(2015)研究得出溫度和光周期共同影響蘋果蠹蛾(Cydiapomonella)滯育；而綠盲蝽(Apolyguslucorum)只有在短光照條件下低溫才有利于滯育(卓德干等，2011)。本研究發(fā)現(xiàn)，光照時(shí)間小于13 h或大于16 h，溫度對(duì)滯育的影響并不明顯，滯育主要受光周期調(diào)控；光照時(shí)間在13～16 h之間，滯育受光周期和溫度協(xié)同調(diào)控，隨溫度的升高和光周期增長(zhǎng)，其滯育率呈下降趨勢(shì)，表明溫度伴隨光周期在美國(guó)白蛾的滯育誘導(dǎo)過程中發(fā)揮作用，其對(duì)滯育的影響會(huì)受到光周期調(diào)控。劉慧慧(2012)亦通過試驗(yàn)證實(shí)光周期是誘導(dǎo)美國(guó)白蛾滯育的主要因子，但其認(rèn)為光照時(shí)間在12～15 h范圍內(nèi)，美國(guó)白蛾滯育率隨溫度(20～32 ℃)升高逐漸上升，臨界光周期亦隨溫度升高而延長(zhǎng)，此結(jié)論與本研究及已有研究結(jié)果存在偏差(Gomi，1997；Chenetal.，2014)，其具體原因有待進(jìn)一步考證。

對(duì)光周期誘導(dǎo)滯育的昆蟲而言，滯育蟲態(tài)和滯育敏感蟲態(tài)因昆蟲種類不同存在較大差異，但其感受光周期的敏感階段在很大程度上都被限制在一個(gè)發(fā)育階段(Ko?tál，2006；孫守慧等，2009)。以胚胎滯育的昆蟲，敏感階段多在母性階段，如東亞飛蝗(Locustamigratoria)二化性種群中，成蟲在長(zhǎng)日照下飼養(yǎng)，子代卵正常發(fā)育，但若成蟲在短光照下飼養(yǎng)，則會(huì)誘導(dǎo)其產(chǎn)下滯育卵(Tanaka，1992)；以幼蟲或蛹滯育的昆蟲，多在幼蟲階段對(duì)光周期敏感，如以老熟幼蟲越冬滯育的亞洲玉米螟，其敏感階段為1～3齡(樊永亮等，1994)，以蛹滯育的棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)，其敏感階段為幼蟲的后2個(gè)齡期(Tianetal.，2013)；以成蟲滯育的昆蟲，其敏感齡期多出現(xiàn)在成蟲階段(薛芳森等，2002)。美國(guó)白蛾以蛹滯育越冬，感受光周期的敏感蟲態(tài)為幼蟲期，Masaki 等(1975)推測(cè)美國(guó)白蛾幼蟲的前半期為光周期的敏感期，但并未開展系統(tǒng)研究進(jìn)行驗(yàn)證，亦沒有明確其具體的敏感齡期。潘洪勝等(1992)通過光周期試驗(yàn)證實(shí)，美國(guó)白蛾幼蟲2齡—化蛹、3齡—化蛹階段連續(xù)給予短光照處理可誘導(dǎo)其種群滯育，而幼蟲4齡—化蛹、5齡—化蛹階段連續(xù)給予短光照處理則不能引起其種群滯育，與本研究的部分結(jié)果一致(表3 處理7—10)。潘洪勝等(1992)基于上述結(jié)果，認(rèn)為美國(guó)白蛾幼蟲光照敏感期為2～3齡蟲期，但并沒有開展短光照誘導(dǎo)試驗(yàn)對(duì)該結(jié)論進(jìn)行反向驗(yàn)證，亦沒有對(duì)不同連續(xù)發(fā)育階段的美國(guó)白蛾幼蟲開展系統(tǒng)的光周期誘導(dǎo)滯育試驗(yàn)研究。本研究基于以往研究成果，發(fā)現(xiàn)美國(guó)白蛾對(duì)光周期誘導(dǎo)滯育具有明顯的累積效應(yīng)，且不同發(fā)育階段的美國(guó)白蛾對(duì)光周期的敏感性存在差異，其中以3～5齡幼蟲最為敏感(表4)，該結(jié)論對(duì)于揭示美國(guó)白蛾滯育生物學(xué)特性和深入研究其滯育形成機(jī)制具有積極意義。

4 結(jié)論

1)美國(guó)白蛾屬長(zhǎng)光照發(fā)育-短光照滯育型昆蟲，光周期是誘導(dǎo)美國(guó)白蛾滯育的主導(dǎo)因素，溫度伴隨光周期發(fā)揮作用，低溫和短光照利于滯育發(fā)生。

2)臨界光周期受溫度調(diào)控，在21～27 ℃范圍內(nèi)，臨界光周期隨溫度的升高逐漸縮短。

3)美國(guó)白蛾幼蟲階段對(duì)短光照誘導(dǎo)滯育具有累積效應(yīng)，幼蟲3～5齡對(duì)光周期誘導(dǎo)滯育最為敏感。