意大利蝗越冬卵抗寒性初步研究

何 嵐，張永軍，葉小芳，季 榮

(新疆師范大學生命科學學院，中亞區域跨境有害生物聯合控制國際研究中心，新疆特殊環境物種保護與調控生物學實驗室，烏魯木齊 830054)

昆蟲是地球上分布最為廣泛的動物類群，冬季低溫是自然界中造成昆蟲死亡的重要原因，成為影響昆蟲種群動態和數量波動的關鍵因素之一(Bale, 1996)。昆蟲抗寒能力的強弱是其種群存在和發展的重要前提，影響其生殖、擴散、分布及在下一季節的發生動態(McDonaldetal., 2000; 景曉紅和康樂, 2002, 2004)。因此，昆蟲抗寒性及其生理響應機制研究一直是昆蟲生理生態學研究的熱點。

過冷卻現象是指體液溫度下降到零度以下而不結冰的現象，可通過過冷卻點(Supercooling point, SCP)來量化反映，過冷卻點是衡量昆蟲抗寒性強弱的重要指標(Somme,1996; Renaultetal., 2002; Hao and Kang, 2004; 李娜等, 2014a, 2014b)。

意大利蝗Calliptamusitalicus是歐洲大陸的代表蝗蟲，廣泛分布在北疆沿天山，東起巴里坤盆地、昌吉州，西至博爾塔拉州、伊犁州、塔城盆地、阿勒泰山區以及南疆的巴音郭楞州、阿克蘇地區和喀什等地，是危害新疆農田和草原的重要害蟲，每年造成重大的經濟和生態損失(洪軍等, 2014)。意大利蝗以卵越冬，越冬卵能否安全越冬與翌年種群數量關系密切。了解蝗卵對低溫的適應能力，對于蝗災的預測預報以及防治均具有重要意義(景曉紅和康樂, 2003)。目前意大利蝗卵越冬不同階段抗寒性的比較研究未見報道。本研究通過測定不同越冬階段意大利蝗卵的過冷卻點、結冰點、卵含水量等的變化規律及相互關系，為揭示意大利蝗越冬卵的抗寒性規律提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料

意大利蝗蝗卵于2015年夏季采自新疆伊犁察布查爾縣荒漠草原，為方便測定過冷卻點，將卵塊連同土壤帶回實驗室，模擬野外越冬環境，將采集的蝗卵埋在烏魯木齊實驗站點地下3～5 cm。

1.2 方法

當年9月至次年5月，每月相同時間分別取所需數量的蟲卵，進行蟲卵抗寒性測定。在土壤相同深度處埋置自動溫度濕度記錄儀(A-volt，Tp-2200)，設置為每2 h測定一次，記錄土壤環境溫度變化趨勢。

1.3 過冷卻點和結冰點的測定

從卵塊中選取健康、飽滿完整無傷的卵粒1枚，稱鮮重。將稱重后的卵置于0.5 mL的離心管底部，將與溫度記錄儀連接的測溫探頭插入到離心管底部，與卵體充分接觸后用脫脂棉及膠帶固定，放在塑料盒中，一起放入高低溫交變試驗箱(JOOWAY，JW2000)。測試時，使箱內溫度以1℃/min的速率下降至-40℃。卵體溫度隨箱體環境溫度的下降而降低，蟲體溫度變化由溫度自動記錄儀器(TOPRIE，TP700)采集，通過計算機及其配套軟件進行記錄分析。卵體溫度降低到某一點時，產生冰晶，卵釋放潛熱，溫度會發生跳躍式升高，在溫度曲線圖上顯示為跳躍值，即為過冷卻點(如圖1所示)。當溫度曲線圖上再次出現轉折點時，即為結冰點(圖1)。每個階段測定30～60枚卵。

圖1 過冷卻點與結冰點示意圖Fig.1 Diagram of supercooling point and freezing point

1.3 蝗卵鮮重和含水量測定

選取新鮮完整的卵粒10枚，稱鮮重(W1)，置于烘箱65℃烘干至恒重，再次稱重(W2)，(W1-W2)*100%/W1為蝗卵的游離水含量。每個階段測定10次重復。

1.4 統計分析

采用單因素方差分析比較各月蝗卵過冷卻點、結冰點、鮮重、含水量之間的差異，采用Pearson相關性分析法分析蟲卵含水量與過冷卻點及結冰點的關系(SPSS 19.0，顯著性a=0.05)。

2 結果與分析

2.1 土壤溫度的變化

地下5 cm土溫監測發現，當年10月至次年3月，土壤溫度依次降低，1月開始降至零下，2月溫度達到最低，最低值為-3.3℃。4月溫度開始急劇上升(圖2)。根據土壤溫度的變化可將蝗卵越冬階段分為為越冬前(9月-12月，>0℃)，越冬期(1月-3月，<0℃)、越冬后(4月-5月，>0℃)。

圖2 地下5 cm土壤溫度變化Fig.2 Changes in soil temperature

2.2 意大利蝗卵鮮重和含水量的變化

對意大利蝗越冬卵鮮重和含水量分析發現，越冬前后蝗卵鮮重發生顯著變化(F8，81=12975.12，P=0.000)。9月卵鮮重最低，平均為(0.00303±0.00005)g，10月-次年3月顯著增加，平均為(0.00576±0.00007)g～(0.00613±0.00007)g，到4月和5月劇烈增加至(0.03899±0.00025)g和(0.03958±0.00017)g，分別是9月的12.9倍和13.1倍(圖3A)。蝗卵含水量在越冬前后也發生了顯著變化(F8，81=146.75，P=0.000)。整體上，9月-次年3月蝗卵含水量較低，平均為(55.2±0.5)%～(59.1±0.2)%，期間11月-12月含水量增加，1月降低后迅速回升，并在4月和5月劇烈增加，較9月分別增加了37.1%和40.1%(圖3B)。

圖3 蝗卵鮮重與含水量隨月份的變化Fig.3 Changes of fresh weight and water content in the eggs during different months

2.3 意大利蝗卵過冷卻點和結冰點的變化

對意大利蝗卵越冬前后過冷卻點和結冰點的變化分析顯示，蝗卵過冷卻點在越冬期間發生了顯著變化(F8，401=20.190，P=0.000)。當年 9月-次年3月期間，過冷卻點均值低于-24.0℃，次年4月和5月顯著上升至-22.7±0.7℃和-21.0±0.7℃(圖4A)。分析各月蝗卵過冷卻點的分布頻率可知(表1)，當年9月-次年3月，80%以上的蝗卵過冷卻點低于-24.0℃。而次年4月和5月，蝗卵過冷卻點普遍升高，蝗卵過冷卻點低于-24.0℃的比例顯著降低，而過冷卻點在-23.9℃～-20.0℃的蝗卵比例高達77.1%和52.1%，且有一定比例的蝗卵過冷卻點上升至-20.0～-12.0℃，甚至有4.2%和6.3%蝗卵過冷卻點高于-12.0℃(表1)。研究證明，意大利蝗卵越冬期間結冰點亦發生顯著變化(F8，401= 41.620，P=0.000)。與過冷卻點變化趨勢相似，9月-次年3月，蝗卵結冰點均低于-21.0℃，4月開始，蝗卵結冰點上升至-15.0±0.7℃，5月結冰點繼續上升至-13.5±0.7℃ (P<0.05)(圖4B)。

Pearson相關性分析表明，蝗卵含水量與過冷卻點和結冰點之間存在顯著正相關(Pearson為0.420和0.576，P<0.01，圖5 A, B)。

圖4 意大利蝗越冬卵過冷卻點和結冰點隨月份的變化Fig.4 Changes of supercooling point and freezing point in the eggs during different months

表1 意大利蝗越冬卵過冷卻點分布頻次隨月份的變化(%)

圖5 蝗卵含水量與過冷卻點及結冰點的相關性Fig. 5 Correlation of water content and supercooling point/freezing point in the eggs

3 結論與討論

長期進化過程中，蝗卵發展了多種生態和生理特性以便增強其耐寒性，使其能在低溫下存活。報道發現飛蝗Locustamigratoria蝗卵過冷卻點主要分布在兩個部分，一部分在-25℃左右，一部分在-10℃左右，蝗卵過冷卻點的分布與季節性氣溫的差異有密切關系，氣溫較低的月份，蝗卵過冷卻點均值和最小值均降低，反之，氣溫較高的月份，蝗卵過冷卻點均值和最高值升高(景曉紅和康樂, 2003)。本研究發現80%以上的意大利蝗蝗卵過冷卻點低于-24.0℃，可能與新疆蝗區氣溫普遍較低有關，顯示了蝗卵對冬季低溫變化趨勢的一種生態適應。另一方面，自然環境下蝗卵的埋藏深度在3～5 cm，本研究測定的地下5 cm土壤溫度在冬季的變化趨勢顯示，土壤溫度遠遠高于空氣溫度且較穩定，土壤溫度較穩定也可能是蝗卵過冷卻能力穩定的另外一個原因。任金龍等(2015)曾比較過不同蟲齡意大利蝗蝗蝻與越冬卵的過冷卻點，越冬卵的過冷卻點最低，為-8.3℃，與本研究得到的意大利蝗越冬卵過冷卻點-21.0±0.7℃相差較大。任金龍等(2015)的研究主要比較不同齡期蝗蝻與蝗卵對溫度耐受性的差異，該研究選擇的蝗卵可能即將孵化。而本研究側重于探究意大利蝗卵在整個越冬過程中的抗寒能力的變化，5月中旬蝗卵尚未孵化，發育狀態會強烈影響蝗卵的過冷卻能力。

蝗卵含水量與過冷卻點之間有顯著相關。劉延超等(2017)報道了中華稻蝗Oxyachinensis和長額負蝗Atractomorphalata越冬卵的過冷卻點和蝗卵含水量，兩種蝗卵的過冷卻點分別為-15.9±1.4℃和-25.1±0.2℃，含水量分別為58.8%和71.0%，但是該文比較的是兩種不同蝗蟲的過冷卻點和含水量，并未對同種蝗蟲不同階段的含水量與過冷卻點進行比較。不同蝗蟲種類發育時間不同，其含水量和過冷卻點也不同。本研究發現意大利蝗蝗卵含水量與過冷卻點呈顯著正相關，即含水量越低，過冷卻點越低，過冷卻能力越強。本研究結果與寬翅曲背蝗Pararcypleramicropterameridionalis和輪紋異痂蝗Bryodemellatuberculatumdilutum蝗卵，以及二點委夜蛾Athetislepigone過冷卻點的研究結果一致，即蝗卵含水量或者幼蟲含水量降低導致過冷卻點降低(李娜等, 2014a, 2014b; 劉玉娟等, 2014)。部分昆蟲在越冬前會降低體內含水量或提高結合水與自由水的比例來增強耐寒性(Wolfeetal., 2002; Block and Zettel, 2003)。趙靜等(2008)對異色瓢蟲Harmoniaaxyridis的研究顯示，瓢蟲在越冬期間體內水分含量顯著低于其他時期，中華通草蛉Chrysoperlasinica成蟲含水量在越冬前后呈現先降后升的趨勢(郭海波等, 2006)，認為越冬期水分含量的降低有利于蟲體降低過冷卻點，從而增強其耐寒性。本研究發現，意大利蝗卵在越冬過程中并未持續降低蟲卵含水量，盡管1月蝗卵含水量顯著下降，但隨后即迅速回升，土壤溫度在1月開始降至零下，蝗卵含水量下降可能與蝗卵適應低溫環境有關，蝗卵含水量迅速回升表明蝗卵能快速適應土壤環境溫度的變化。在整個越冬過程中，土壤溫度僅在1月-3月低于零度，較高且穩定的溫度條件下，蝗卵并不需要通過持續降低含水量增強其抗寒性。同時，人工孵化實驗發現蝗卵發育后期，蟲卵變軟，體液變多，4月-5月蝗卵含水量顯著增加是蝗卵自身發育所需。意大利蝗蝗卵含水量的顯著變化與蝗卵自身的發育更為密切。蝗卵鮮重呈現與蝗卵水分含量相似的變化趨勢，鮮重的變化趨勢可能與蝗卵的發育階段有關，其與蝗卵過冷卻能力的關系有待進一步研究。

本研究結果表明，冬季土壤溫度較高且穩定，意大利蝗卵過冷卻點穩定在極低水平，意大利蝗卵較強的抗寒能力提示在氣候變暖背景下新疆草原蝗災仍然存在暴發的可能性。