高溫和吡蟲啉長期馴化對禾谷縊管蚜溫度響應的影響

王文娜，邢 鯤，趙 飛，張利軍

（山西農業大學植物保護學院，山西太原030031）

全球氣候變暖、極端高溫事件頻繁發生對地球生物已產生顯著影響，對其生態后果的評估也成為了全球熱點[1]。昆蟲具有體型小、繁殖快、世代多、對環境變化響應迅速的特點，是評估氣候變暖對生物多樣性影響的理想對象[2-4]。研究證實，全球溫度升高已對昆蟲的生長發育、存活、繁殖、分布以及豐富度等核心生命活動產生深刻的影響[5]。而作為化學農藥靶標對象，昆蟲在自然界中也頻繁受到化學農藥的脅迫影響[6-7]。隨著化學農藥廣泛、頻繁使用，溫度與農藥的田間互作越來越頻繁。因此，開展溫度和農藥背景下昆蟲響應環境的研究，對全球氣候變暖下的生物多樣性保護和農藥應用風險具有重要的意義[8]。

昆蟲主要通過基底耐受性和表型可塑性來應對環境逆境。前者代表昆蟲內在的耐受能力，例如2 種沙漠螞蟻撒哈拉銀蟻（Cataglyphis bombycina）和二色箭蟻（Cataglyphis bicolor）具有所有陸生動物中最高的熱上限閾值[9]；而后者主要指通過亞極端環境數小時的短時鍛煉或數天到數周、甚至數年的長期馴化誘導的可塑響應[10]。另外，有研究也發現，其他脅迫也可能對昆蟲熱耐受性產生交互影響。例如褐飛虱（Nilaparvata lugens）經亞致死農藥處理后會增加其高溫耐受性[11]。但這些研究重點關注的是昆蟲當代或母代環境馴化的可塑性響應，缺乏種群繁衍過程中長期不良環境，特別是高溫和農藥長期馴化對昆蟲溫度響應影響的對比研究。

禾谷縊管蚜（Rhopalosiphum padi）屬半翅目（Hemiptera）蚜科（Aphididae），是我國及世界各地小麥的重要害蟲之一。本試驗研究了長期（2 a 以上）亞致死高溫（29 ℃）和農藥（吡蟲啉）馴化對禾谷縊管蚜環境溫度生理耐受性以及生態表現響應的影響，旨在為理解溫度與農藥長期馴化背景環境下的昆蟲響應氣候變暖生態機制提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試禾谷縊管蚜于2016 年7 月上旬采自山西省農業科學院高寒區作物研究所朔州市試驗基地（E113°15′38″，N39° 55′19″）。供試麥種來源于山西省農業科學院作物科學研究所。

1.2 試驗方法

1.2.1 麥苗種植 麥種在清水中浸泡15 s 后，均勻撒入盛有濕潤營養土的營養缽（12 cm×10 cm）并蓋薄土后置于盛有800 mL 清水的塑料盤（23.5 cm×17.5 cm×6.5 cm）內，苗高5 cm 左右時用于蚜蟲飼養。為保證麥苗新鮮度，每隔7 d 更換一次。育苗條件為：溫度（22.0±0.5）℃，濕度50%～70%，光周期L16∶D8。

1.2.2 試驗用蟲種群

1.2.2.1 實驗室對照種群（CK） 將采集到的蚜蟲在山西農業大學植物保護學院養蟲室內建立實驗室對照種群，并進行長期飼養。因蟲源地發生期日均溫度22 ℃，日均最高溫度29 ℃，所以，養蟲室溫度為（22.0±0.5）℃，濕度50%～70%，光周期L16∶D8。

1.2.2.2 高溫種群（High temperature population，HP） 禾谷縊管蚜生長發育恒溫上限為30 ℃，但室內無法長期繼代飼養[12]，因此，選擇29 ℃作為長期定向馴化高溫。于2018 年1 月將部分實驗室種群CK接入新鮮麥苗上并放置在（29.0±0.5）℃人工氣候箱內（寧波江南儀器廠，RXZ-380B），濕度50%～70%，光周期L16∶D8。研究開始時已成功飼養2 a，連續繼代80 代以上。

1.2.2.3 吡蟲啉種群（Imidacloprid population，IP）根據章玉萍等[13]的方法，略有改動。先將95%吡蟲啉原藥（中農聯合生物科技有限公司提供）用丙酮配制成10 mg/mL 母液，用蒸餾水按照不同濃度稀釋進行育苗，小麥種子種植前先在不同濃度藥液里浸泡15 s，然后將藥液倒入營養盤，麥苗種植方法同1.1.1，待麥苗長至5 cm 并接入部分實驗室種群CK 群體篩選，每4 代再對此種群進行一次毒力測定，并用該次測定的LC50濃度繼續進行群體篩選，以此類推。當吡蟲啉亞致死濃度為1.5 μg/mL 時，達到種群的穩定濃度。試驗開始前一直保持此濃度對蚜蟲進行繼代飼養。飼養條件為：溫度（22.0±0.5）℃，濕度50%～70%，光周期L16∶D8。研究開始時已成功飼養2 a。

1.2.3 馴化條件及當代溫度對禾谷縊管蚜耐熱性的影響 采用CAO 等[14]的單管飼養法，分別挑取不同背景的馴化種群的健康無翅成蚜各30 頭分別置于22、29 ℃人工氣候箱內（濕度50%～70%，光周期L16∶D8），6 h 后每管保留2 頭若蚜，去除成蚜及多余初產若蚜，每隔2 d 更換一次飼養管內麥葉，每隔1 d 添加一次營養液。飼養至9 日齡成蚜時進行最高臨界溫度（CTmax）測定。

測定方法參照文獻[15]進行。將供試蚜蟲獨立置于一側貼有尼龍紗布（0.074 mm 孔徑）的蜂巢板（80 mm×80 mm）小孔（直徑5 mm、深度5 mm）中，然后用透明塑料板將蜂巢板蓋住并用小夾固定，防止蚜蟲逃逸。隨后將蜂巢板置于由高精度冷熱循環油浴裝置（Ministat 230-cc-NR，Huber 有限公司，德國；精度0.01 ℃）控溫的雙層玻璃反應釜中。在22 ℃平衡5 min 后，以0.5 ℃/min 速率升溫至30 ℃，再以0.1 ℃/min 速率升溫至40 ℃，用索尼攝像機拍攝記錄蜂巢孔內每頭蚜蟲觸角或四肢最后一次顫動時間及其對應的溫度。

1.2.4 環境背景及當代溫度對禾谷縊管蚜生活史性狀的影響 分別挑取不同背景的馴化種群的健康無翅成蚜各60 頭分別置于22、29 ℃人工氣候箱內（濕度50%～70%，光周期L16∶D8），6 h 后每管保留1 頭若蚜，去除成蚜及多余初產若蚜，麥葉及營養液處理同1.2.1。于每日8：00，檢查各處理每頭蚜蟲的蛻皮與存活情況。成蚜羽化后，記錄每日新生若蚜數后將其用小毛筆輕輕移出飼養管，待所有供試蚜蟲死亡后，試驗結束。所有蚜蟲均測定了發育歷期、存活率、壽命及繁殖量。其中，若蚜發育歷期為蚜蟲從出生至羽化為成蚜的天數；若蚜存活率指活到成蚜的若蚜占全部測試蚜蟲的百分比；成蚜壽命為每頭成蚜存活天數；繁殖量為每頭成蚜的產仔總數。

1.3 統計分析

除逃逸個體外，供試蚜蟲均用于統計分析。若蚜發育歷期和成蚜壽命數據非正態分布（Shapiro-Wilks 測試，P＞0.05），經平方根轉換后用于分析。CTmax、若蚜發育歷期、成蚜壽命和繁殖量均采用雙因素法進行方差分析，利用鄧肯氏新復極差法進行溫度下不同種群間多重比較，并利用獨立樣本t檢驗進行溫度處理間的差異顯著性分析（SPSS 20）。若蚜存活率采用列聯表法進行顯著性分析。種群參數采用Poptools 軟件計算。采用Excel 2010 軟件作圖。

其中，X表示蚜蟲日齡；lx表示蚜蟲在X日時的存活率；mx表示蚜蟲在X日時的繁殖量。

2 結果與分析

2.1 馴化條件及當代溫度對禾谷縊管蚜成蚜耐熱性CTmax 的影響

馴化條件（F2，173＝9.186，P＜0.001）和當代溫度（F1，173＝17.543，P＜0.001）對禾谷縊管蚜CTmax 均有極顯著影響，但沒有明顯的互作效應（F2，173＝0.589，P＝0.551）。在HP（t＝3.729，df＝55，P＜0.001）和IP（t＝2.722，df＝57，P＝0.009）下，2 種當代溫度處理間差異極顯著，且2 個種群29 ℃處理與22 ℃處理相比分別升高0.58、0.43 ℃。

當代22 ℃下3 個種群的CTmax 均無顯著區別（F2，86＝1.796，P＝0.172）。但在當代29 ℃下，3 個種群的CTmax 差異顯著（F2，86＝13.434，P＜0.001），HP和IP 較CK 的Ctmax 均顯著升高，分別升高0.66、0.47 ℃（圖1）。

2.2 馴化條件及當代溫度對禾谷縊管蚜生活史性狀的影響

2.2.1 若蚜發育歷期 當代溫度對禾谷縊管蚜的發育歷期有顯著影響（F1，184＝27.343，P＜0.001），但馴化條件（F2，184＝0.881，P＝0.416）及二者的互作（F2，184＝2.233，P＝0.110）不顯著。CK（t＝6.019，df＝85，P＜0.001）和HP（t＝2.856，df＝64，P＝0.006）在當代29 ℃下與22 ℃相比分別顯著縮短了0.26、0.12 d，而IP 無顯著差異（t＝1.494，df＝29，P＝0.149）（圖2）。

2.2.2 若蚜存活率 當代溫度（χ2＝7.720，df＝1，P＝0.005）和馴化條件（χ2＝7.652，df＝2，P＝0.022）對禾谷縊管蚜若蚜存活率均產生顯著影響。

HP 在2 種當代溫度處理下若蚜存活率差異顯著（χ2＝7.720，df＝1，P＝0.01），且29 ℃的存活率與22 ℃相比顯著降低14.44%。在22 ℃下，3 種種群間的存活率差異顯著（χ2＝27.265，df＝2，P＜0.001），IP 與CK 相比存活率下降了50.33%；在29 ℃下，3 種種群間的存活率差異也顯著（χ2＝7.652，df＝2，P＝0.022），HP 和IP 與CK 相比分別下降了22.01%和23.13%（圖3）。

2.2.3 成蚜壽命 馴化條件對禾谷縊管蚜的成蚜壽命有顯著影響（F2，184＝3.442，P＝0.034），但當代溫度（F1，184＝2.281，P＝0.133）及二者的互作（F2，184＝1.433，P＝0.241）無顯著差異。當代22 ℃下，IP（F2，92＝3.542，P＝0.033）的成蚜壽命顯著低于CK及HP，分別縮短了5.04、5.97 d（圖4）。

2.2.4 繁殖量 當代溫度（F1，184＝17.037，P＜0.001）和馴化種群（F2，184＝4.713，P＝0.01）以及二者的互作（F2，184＝4.544，P＝0.012）對禾谷縊管蚜的繁殖量都有顯著影響。CK（t＝2.344，df＝85，P＝0.021）和HP（t＝4.995，df＝85，P＜0.001）在2 種溫度處理下繁殖量差異均顯著，且2 種種群在29 ℃的平均繁殖量與22 ℃相比分別減少8.98、24.05 頭。當代22 ℃下，與CK 相比，HP 的繁殖量增加了10.96 頭，而IP降低了11.51 頭（圖5）。

2.2.5 種群參數 由表1 可知，無論是在22 ℃還是29 ℃發育溫度下，HP 及IP 種群內稟增長率均低于CK；22 ℃下IP 的凈繁殖率顯著低于其他2 個種群，29 ℃下IP 的凈繁殖率也低于CK；而HP 的平均世代時間最長。

表1 馴化條件及當代溫度對禾谷縊管蚜種群參數的影響

3 討論

3.1 當代溫度處理對不同種群的禾谷縊管蚜成蚜CTmax 的影響

本研究發現，長期熱、藥以及當代高溫馴化均可提高禾谷縊管蚜耐熱性。亞致死熱馴化提高機體耐熱性這種現象在很多物種中被報道。如短時高溫處理后的麥長管蚜（Sitobion avenae）[15]、禾谷縊管蚜（Rhopalosiphum padi）[14]、跳蟲（Orchesella cincta）[16]和蘋果蠹蛾（Cydia pomonella）[17]的致死高溫存活率顯著提高。這已被證實與熱激蛋白誘導表達[18]以及山梨醇和甘露醇等熱保護物質升高[19]有關。也有研究證實，農藥等其他脅迫條件也可誘導熱激蛋白產生，從而使生物對高溫產生交互耐受性[20]。長期高溫或農藥馴化也可能導致GABA 受體基因特異表達[19]。

3.2 當代溫度處理對不同種群禾谷縊管蚜生活史性狀及種群參數的影響

雖然長期高溫、吡蟲啉馴化以及當代高溫對禾谷縊管蚜成蚜的熱耐受性有正面誘導效應，但這種可塑性響應也可能導致負面的生活史代價。本研究發現，長期熱藥馴化對禾谷縊管蚜若蚜發育歷期影響較小，但對若蚜存活率、成蚜壽命及繁殖量、以及種群命運產生較大負面影響。這可能涉及到能量分配與權衡問題，例如朱砂葉螨（Tetranychus cinnabarinus）敏感品系熱激后，增加了分子質量分別為97.2、74.3、62.4、53.0、30.3 ku 的5 條條帶[21]；類似的，藥材甲成蟲在38、40、42 ℃分別脅迫2 h 后，其體內Sp Hsp90的表達量明顯高于對照組。這說明Sp Hsp90在藥材甲抵抗高溫脅迫過程中起著重要的作用[22]。更加說明昆蟲將更多能量物質用于抵御不良環境，用于繁殖后代的資源就會下降。本研究還發現，吡蟲啉種群所產生的繁殖代價最大，這可能與農藥脅迫不但誘導熱激蛋白產生，還誘導大量解毒酶、保護酶的合成有關[23]，這種耐受性與可塑性間的權衡[24-27]可能會使熱適應[28]以及農藥適應物種的種群動態在全球氣候變暖下面臨更嚴重的威脅。

4 結論

本研究證實，農藥長期馴化帶來的熱耐受性獲利較小，生態代價最高，預示著長期農藥施用給昆蟲適應氣候變暖可能帶來不利影響。只有充分理解生物在多種環境逆境背景下的響應規律，才能正確評估氣候變化對地球生物多樣性的影響[29]。這對未來氣候變暖和化學農藥施用背景下，昆蟲發生預測預報和抗藥性治理對策制定具有非常重要的現實意義。