不同地理種群短額負蝗對環境溫度的適應性

李文博, 高 宇, 崔 娟, 2, 唐佳威, 史樹森,*

(1. 吉林農業大學植物保護學院, 長春 130118; 2. 吉林農業科技學院農學院, 吉林吉林 132101)

短額負蝗Atractomorphasinensis，屬直翅目(Orthoptera)錐頭蝗科(Pyrgomorphidae)負蝗屬Atractomorpha，國外分布于日本、韓國、越南、緬甸、印度、不丹、尼泊爾等國家(Kevan and Lee, 1974; 夏凱齡, 1994; 姚世鴻, 2005; Kumaretal., 2014)，自陳茂才(1965)首次報道我國江西省發現短額負蝗為害農作物以來，該蟲已擴散至安徽、湖北、湖南、廣西、廣東、河南、陜西、山西、山東、河北等20多個省地區。該害蟲以若蟲、成蟲取食雙子葉類農作物的葉片，包括大豆、玉米、棉花、向日葵、白菜、油菜、番薯、花生、苜蓿、甜菜等，嚴重時將葉片食光，對農牧業生產影響較大(陳茂才, 1965; Kevan and Lee, 1974; 史樹森, 2013)。田方文(2005)報道了自2000-2003年間山東濱州地區苜蓿地受到短額負蝗持續為害，密度均超過20頭/m2。近年來，該蟲在大豆田間發生量逐年上升，已成為重要食葉害蟲(史樹森, 2013)。

有關短額負蝗生物學方面研究已有一些報道，及尚文等(1995)系統研究了大同短額負蝗種群田間生活史、生活習性與防治措施；韓鳳英(1999)測得短額負蝗太原種群卵的發育起點溫度與有效積溫分別為4.47℃和641.10日·度；李文博等(2020)測定延安種群卵的發育起點溫度與有效積溫分別為9.85℃和449.80日·度，并明確了溫度過低或過高均對短額負蝗延安種群繁殖與增長產生了抑制作用。由于上述兩個不同地理種群短額負蝗卵的發育起點溫度和有效積溫測定結果存在較大差異，對進一步研究短額負蝗區域分布及生產實際中田間發生世代預測帶來困難。然而，關于短額負蝗不同地理種群對環境溫度適應性差異及變化規律問題的研究未見報道。棲息地的環境因子直接影響昆蟲種群表觀形態、生物學特性、生理代謝等方面的變化。其中，溫度脅迫是昆蟲種群適應環境的重要動力，甚至導致物種分化(S?rensenetal., 2003)。發育起點溫度與有效積溫是決定昆蟲在特定生境能否完成生長發育及預測其種群發生動態的重要生物學參數，有助于準確預測區域內害蟲發生期和發生代數(Jarosiketal., 2002; Wangetal., 2016; Lietal., 2020)。本研究選擇陜西延安、河南鄭州、四川成都、云南曲靖和廣東廣州5個不同地理緯度環境的短額負蝗種群，在室內恒溫條件下，系統觀測比較各種群生物學參數，包括發育歷期、發育速率、發育起點溫度及有效積溫，分析不同地理種群相關生物學參數與棲息地環境溫度的相關性，為預測不同地區短額負蝗種群田間動態提供科學依據，也為進一步研究其種群遺傳分化奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源

2018年8-9月間，短額負蝗成蟲分別采自陜西延安市、河南鄭州市、四川成都市、云南曲靖市、廣東廣州市，在吉林農業大學昆蟲生物學研究室擴繁建立實驗種群，飼養條件為溫度25±1℃、相對濕度70%±5%、光周期16L∶8D。取F1代雌雄個體用于實驗，選用盆栽大豆(吉農38)寄主鮮葉片飼養。

1.2 蟲源棲息地大尺度地理氣象參數

蟲源不同地理種群棲息地地理坐標、海拔及2015-2019年環境溫度參數(源自中國天氣網)，詳見表1。其中，環境溫度參數指標年平均氣溫與日平均最高、最低氣溫間相關性如圖1所示。可以看出，日平均最高、最低氣溫與年平均氣溫間均呈極顯著正相關，日平均最高氣溫y日平均最高氣溫=5.548+1.039x(R2=0.958,P=0.0038)；日平均最低氣溫y日平均最低氣溫=8.714+1.240x(R2=0.976，P=0.0016)。可見，年平均氣溫指標可代表不同地區的上述3個環境溫度特征。

表1 短額負蝗不同地理種群樣本采集地的地理和氣象參數Table 1 Geographical and meteorological parameters of sampling localities of differentgeographical populations of Atractomorpha sinensis

圖1 短額負蝗棲息地年平均氣溫與日平均氣溫間關系Fig. 1 Relationship between annual average temperatureand daily average temperature in habitat ofAtractomorpha sinensis

1.3 發育歷期測定

實驗設置16, 20, 24, 28和32℃ 5個恒溫處理，相對濕度70%±5%，光周期16L∶8D。將滅菌后的營養土、細沙混勻成產卵基質，鋪于養蟲罐底部，基質層厚度5 cm，選取健康雌雄成蟲個體分組配對，移至養蟲罐并飼喂新鮮豆葉后，再放入氣候箱內。每天定時(8∶00和20∶00)觀察記錄雌性成蟲產卵時間與卵塊孵化情況，直至無若蟲孵出，將卵囊挖出，記錄未孵化卵粒數量，每個溫度處理3次重復，每個重復至少30粒卵。將各溫度處理下初孵蝗蝻置于放有新鮮豆葉的50 mL離心管中單頭飼養，為確保離心管通氣性，用昆蟲針將離心管管壁扎70個孔，實驗中及時更換豆葉，清潔管內蟲糞，每天觀察記錄蝗蝻蛻皮與死亡情況，直至全部羽化成蟲。

1.4 發育速率計算與回歸分析

將各溫度處理下的短額負蝗各蟲態(齡期)發育歷期N加權平均，計算平均發育速率V(V=1/N)。采用直線回歸法(y=a+bx，其中b>0為正相關，b<0為負相關)對種群發育速率y與環境溫度x之間進行回歸分析。

1.5 發育起點溫度和有效積溫的計算

依據直接最優法計算得出短額負蝗各蟲態的發育起點溫度C和有效積溫K(李典謨和王莽莽, 1986)。

式中，Ti為實驗設定的溫度(℃)，Di為在Ti溫度條件下的發育歷期(d)，Ki為發育起點溫度是C時的有效積溫(d·℃)。

1.6 地理種群生物學特征指標與棲息地環境溫度特征指標的關性分析

采用直線回歸法(同1.4節)，以種群棲息地年平均氣溫指標代表環境溫度特征與不同地理種群發育速率、發育起點溫度和有效積溫等生物學特征指標進行相關性分析。

1.7 數據分析

采用SPSS18.0(IBM，美國紐約州阿蒙克市)統計軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)并結合Tukey氏法檢驗分析不同地理種群短額負蝗各蟲態的發育歷期、發育起點溫度、有效積溫等與溫度間關系，應用GraphPad Prism 8.0軟件構建模型圖形。

2 結果

2.1 不同地理種群短額負蝗對溫度變化的生物學響應

2.1.1不同地理種群短額負蝗在不同環境溫度下發育歷期的差異性分析：不同地理種群短額負蝗在不同溫度下各蟲態發育歷期的結果見圖2。在16～32℃條件下，不同地理種群各蟲態及世代發育歷期總體隨著溫度升高而下降。不同地理種群對環境溫度變化的生物學響應表現出差異性，在32℃下，曲靖種群親代雌蟲不能產卵，廣州種群世代歷期最短，顯著短于其他種群(F=50.046,df=174,P<0.05)；24℃條件下，鄭州、成都和廣州種群成蟲期差異不顯著，但都顯著短于曲靖種群(F=5.264,df=315,P<0.05)；在20℃下，延安、鄭州種群的卵和世代發育歷期明顯短于成都、曲靖和廣州種群；16℃條件下，成都和廣州種群個體不能完成生長發育，曲靖種群與延安和鄭州種群卵的歷期無顯著差異，但成蟲歷期則顯著長于延安和鄭州種群(F=6.111,df=104,P<0.05)，世代歷期與鄭州種群相似而顯著長于延安種群(F=9.253,df=112,P<0.05)。

圖2 不同溫度下短額負蝗各蟲態發育歷期Fig. 2 Developmental duration of various developmental stages of Atractomorpha sinensis under different temperaturesA: 卵Egg; B: 若蟲Nymph; C: 成蟲Adult; D: 世代Generation. 種群信息見表1；下同。For population information, see Table 1. The same below.

2.1.2不同地理種群短額負蝗各發育階段發育速率及其與環境溫度間關系：不同地理種群短額負蝗各發育階段的發育速率與溫度間關系結果見圖3。在16～32℃范圍間，不同地理種群各蟲態發育速率均隨著溫度升高加快，世代完成時間隨之縮短，但不同種群間存在顯著差異。溫度高于20℃時，各發育階段發育速率快速上升，延安、鄭州、成都、曲靖、廣州種群的卵期、若蟲期和成蟲期發育速率差異均顯著(卵期: 24℃,F4,495=1 122.713,P<0.05; 28℃,F4,495=1 091.964,P<0.05; 32℃,F3,396=3 951.025,P<0.05; 若蟲期: 24℃,F4,315=63.733,P<0.05; 28℃,F4,281=24.184,P<0.05; 32℃,F3,175=27.905,P<0.05; 成蟲期: 24℃,F4,311=3.440,P<0.05; 28℃,F4,272=4.039,P<0.05; 32℃,F3,171=7.905,P<0.05)。可以看出，短額負蝗較低緯度的廣州種群和成都種群在20℃以下低環境溫度生長發育速度顯著低于鄭州、延安和曲靖種群，而在28℃以上高環境溫度生長發育速率則顯著高于鄭州、延安和曲靖種群。

圖3 不同溫度下短額負蝗各蟲態發育速率Fig. 3 Developmental rates of various developmental stages of Atractomorpha sinensis under different temperaturesA: 卵Egg; B: 若蟲Nymph; C: 成蟲Adult; D: 世代Generation.

2.2 不同地理種群各發育階段的發育起點溫度與有效積溫

不同地理種群短額負蝗各發育階段的發育起點溫度與有效積溫結果見表2。不同種群間各發育階段的發育起點溫度和有效積溫均存在差異。5個種群的卵期、世代發育起點溫度差異均顯著(卵期:F4,10=66.696,P<0.05; 世代:F4,10=166.281,P<0.05)，而曲靖、鄭州和延安種群之間(F2,6=3.324,P>0.05)，以及廣州與成都種群間(F=1.063,P>0.05)的若蟲期發育起點溫度差異則不顯著；成蟲期發育起點溫度的趨勢與若蟲期相近，曲靖與延安種群之間(F=3.079,P>0.05)，以及廣州與成都種群間(F=1.120,P>0.05)差異也不顯著。

各地理種群之間卵期有效積溫也存在顯著差異(F4,10=61.521,P<0.05)，廣州與成都種群間(F=1.825,P>0.05)，曲靖、鄭州與延安種群間(F2,6=2.026,P>0.05)的若蟲期有效積溫差異不顯著。成蟲期有效積溫趨勢與卵期相似(F4,10=27.267,P<0.05)，世代周期的有效積溫波動范圍由大到小的趨勢為：曲靖種群<延安種群<鄭州種群<成都種群<廣州種群，其中曲靖種群的有效積溫值最大，分別是延安、鄭州、成都和廣州種群的1.04, 1.14, 1.54和1.79倍，各種群間世代周期有效積溫均呈顯著性差異(F4,10=131.279,P<0.05)。可見，不同緯度地理種群對環境溫度的生理適應性也存在顯著差異。

2.3 地理種群生物學特征與棲息地環境溫度特征的相關性

2.3.1地理種群發育速率與棲息地環境溫度(年平均氣溫)特征的關系：短額負蝗地理種群在不同溫度下各發育階段的發育速率與棲息地年平均氣溫的相關性結果見圖4，各蟲態的發育速率與棲息地年平均氣溫的關系能較好地用線性模型擬合。在20℃條件下除成蟲期外，各種群的卵期、若蟲期與世代發育速率均隨著棲息地年平均氣溫升高而降低，說明種群棲息地環境氣溫越高(緯度越低)生長發育速度受到低環境溫度的抑制越明顯，種群發育歷期延長。然而隨著溫度逐漸升高，地理種群的卵期、若蟲期、成蟲期及世代發育速率在28～32℃范圍間與年平均氣溫呈正相關關系，表明種群棲息地環境氣溫越低(緯度越高)生長發育速度受到高環境溫度的抑制越明顯，種群發育歷期延長。24℃下除卵期外，地理種群的若蟲期、成蟲期和世代的發育速率與棲息地年平均氣溫的線性模型方程的斜率趨近于零，表明24℃是5個地理種群比較適宜的溫度。

2.3.2地理種群發育起點溫度與棲息地環境溫度(年平均氣溫)特征的關系：短額負蝗地理種群各發育階段的發育起點溫度與棲息地年平均氣溫相關性結果見圖5。卵期、若蟲期、成蟲期、世代的發育起點溫度與棲息地年平均氣溫的線性方程分別為：y卵=5.853+0.355x,R2=0.924,P=0.0092;y若蟲=3.931+0.511x,R2=0.792,P=0.0431;y成蟲=5.878+0.465x,R2=0.696,P=0.0788;y世代=4.119+0.522x,R2=0.747,P=0.050，各直線方程的斜率均>0。可見，地理種群各蟲態發育起點溫度均與其棲息地年平均氣溫呈顯著正相關，即隨棲息地年平均氣溫升高而逐漸升高。

圖5 短額負蝗各蟲態發育起點溫度與棲息地年平均氣溫關系Fig. 5 Relationship between developmental threshold temperature of Atractomorpha sinensis at various developmental stagesand average annual temperature of habitatA: 卵Egg; B: 若蟲Nymph; C: 成蟲Adult; D: 世代Generation.

2.3.3地理種群有效積溫與棲息地年平均氣溫特征的關系：短額負蝗地理種群各發育階段的有效積溫與棲息地年平均氣溫相關性結果見圖6。卵期、若蟲期、成蟲期和世代的有效積溫與棲息地年均氣溫的線性方程分別為：y卵=630.60-16.55x,R2=0.946,P=0.0054;y若蟲=849.90-22.51x,R2=0.741,P=0.0610;y成蟲=654.10-17.69x,R2=0.612,P=0.1180;y世代=2 214.00-62.06x,R2=0.729,P=0.0661，各直線方程的斜率均<0。可見，地理種群各發育階段的有效積溫與其棲息地年平均氣溫呈顯著負相關，即隨棲息地年均氣溫升高呈降低趨勢。

圖6 短額負蝗各蟲態有效積溫與棲息地年平均氣溫關系Fig. 6 Relationship between effective accumulated temperature of Atractomorpha sinensis at various developmental stagesand average annual temperature of habitatA: 卵Egg; B: 若蟲Nymph; C: 成蟲Adult; D: 世代Generation.

3 討論

溫度是影響昆蟲種群生長發育所必需的非生物因子，影響包含發育歷期、發育速率、發育起點溫度等在內的生物學參數(Brustetal., 2009; Wangetal., 2013; Lindmarketal., 2018)。昆蟲都具有利于其種群生存繁殖的適溫區間(張晨等, 2019)。昆蟲棲息地的環境溫度變化常常呈現出緯度梯度，迫使昆蟲為適應環境的變更進化出不同生長發育策略，廣布種昆蟲表現出的生活史地理差異就被視為環境因素與種群遺傳性狀相互作用的結果(Taylor, 1981; Quetal., 2011; Huangetal., 2013; Golikhajehetal., 2018)。已有大量研究闡明昆蟲不同地理種群的發育歷期存在差異，且高緯度種群發育歷期常常長于低緯度種群，例如在19～31℃范圍內，灰飛虱Laodelphaxstriatellus若蟲期與棲息地緯度呈負相關(朱文超等, 2014)；異色瓢蟲Harmoniaaxyridis3個地理種群的卵期均隨緯度升高而延長(曲淑賢, 2016)。但是有的昆蟲發育歷期卻出現相反趨勢，在29°02′～41°20′N范圍內棉鈴蟲Helicoverpaarmigera各種群的幼蟲發育歷期隨著緯度升高而縮短(陳元生, 2017)。本研究結果表明，在16～32℃范圍內，同一種群短額負蝗各發育階段的發育歷期均隨溫度升高而縮短，但溫度低于20℃以下時高緯度種群世代發育歷期明顯短于低緯度種群。隨著溫度升高，不同種群的各發育階段發育速率與棲息地年平均氣溫皆呈顯著正相關，較低緯度(廣州)種群在32℃條件下的發育速率明顯快于較高緯度種群。

地理環境溫度特征除受緯度影響外還與海拔有關，一般同緯度地域海拔越高氣溫越低。我國氣候屬季風性氣候，冬夏兩季大部分地區分別受蒙古高壓與熱帶洋面上的副熱帶高壓的控制，造成季節性氣溫的空間分布存在不同的規律，傳統模型理論上認為動植物在海拔上的分布差異應與在地理緯度上的分布差異接近。周婉詩等(2020)對Blandford等(2008)建立的海拔與緯度相互關系模式進行了校正，即緯度北移1°溫度下降約0.7℃，海拔每上升100 m，大尺度(年平均)溫度下降約0.3℃，小氣候溫度下降約0.8℃，相當于海拔每升高233.33 m緯度增加1°大尺度環境溫度效應，海拔每升高87.50 m緯度增加1°小氣候環境溫度效應。昆蟲體內熱量需求與其棲息環境溫度密切相關，一般而言，隨著地理緯度增加，發育起點溫度降低，有效積溫增加，二者呈負相關關系(Trudgill, 1995; Honěk, 1996; Chenetal., 2017)。短額負蝗不同地理種群各蟲態的發育起點溫度與棲息地年平均氣溫呈顯著正相關，而有效積溫則相反，表現為發育起點溫度隨緯度升高而降低，有效積溫則隨緯度升高而增加的趨勢，符合上述一般規律。其中，卵的發育起點溫度最低，說明卵的耐低溫能力強于其他蟲態，且隨著種群棲息環境緯度的升高而呈降低趨勢，從廣州種群的13.66℃降低至延安種群的9.89℃，這應該與負蝗以卵在土中越冬的生物學特征有關。關于短額負蝗發育起點溫度的研究鮮有報道，韓鳳英(1999)研究發現短額負蝗太原(37°54′N)種群卵的發育起點溫度為4.47℃，雖然與本研究結果中和太原緯度接近的延安(36°35′N)種群存在較大差異，但仍然符合上述規律。此外，本研究中曲靖種群所處緯度雖然低于成都，但因曲靖的海拔比成都高1 393 m，相當于與成都同海拔高度大尺度溫度特征的緯度北移了5°97′(等于31°14′N)，從而高于成都的30°34′N；比鄭州海拔高1 759 m，相當于與鄭州同海拔高度大尺度溫度特征的緯度北移了7°54′(等于32°71′N)，從而低于鄭州的34°44′N，而曲靖的年平均氣溫15.50℃，介于成都的17.03℃與鄭州的14.78℃之間；從小尺度(小生境)看，曲靖相當于與鄭州同海拔高度小尺度(小生境)溫度特征的緯度北移了20°10′(等于45°27′N)，從而高于鄭州的34°44′N，導致其短額負蝗種群世代發育起點溫度(10.76℃)低于鄭州種群的11.46℃，有效積溫(1 482.94 d·℃)則高于鄭州種群的1 295.80 d·℃。短額負蝗不同地理種群各發育階段的有效積溫與其棲息地年平均氣溫呈顯著負相關，發育起點溫度與其棲息地年平均氣溫呈顯著正相關，較低緯度的廣州(23°07′N)和成都(30°34′N)種群在20℃較低環境溫度下生長發育速度顯著低于較高緯度的鄭州(34°44′N)、延安(36°35′N)種群和緯度較低而較高海拔的曲靖(25°17′N；1 878 m)種群，而在28℃以上較高環境溫度生長發育速率則顯著高于較高緯度的鄭州、延安和較高海拔的曲靖種群。16℃條件下，低緯度的成都和廣州種群則不能完成個體生長發育。32℃條件下，高海拔的曲靖種群親代雌蟲則不能產卵。短額負蝗這一環境溫度適應性結果符合棲息地溫度與緯度海拔關系的傳統認知。通常生活在高緯度地區昆蟲的耐低溫能力更強，例如桃蚜Myzuspersicae寒帶地區種群的耐寒性明顯高于溫帶地區種群(Hazell, 2010)。Jing和Kang(2003)比較28°13′-40°06′N范圍內的東亞飛蝗Locustamigratoria種群卵的耐寒性時發現北方種群耐低溫能力也較強于南方種群。本研究結果進一步明確了短額負蝗不同地理種群對較低環境溫度適應能力總體隨著種群棲息地緯度和海拔上升而增強，發育速率溫度隨棲息地年均氣溫升高而逐漸升高，而對較高環境溫度的適應能力則相反。在全球氣候變暖的大趨勢下，相比20世紀，21世紀全球溫度上升速率提高了近1倍(Karletal., 2015)，高緯度及高海拔地區的氣溫升幅更加明顯(Peuelasetal., 2013)。短額負蝗種群分布將進一步向高緯度高海拔地區擴展。這些結果與自然選擇下昆蟲環境適應性甚至與遺傳分化密切相關(Bubliy, 2002; Pengetal., 2017)。

根據害蟲種群發育起點溫度和有效積溫可預測其分布區域范圍及某一分布區域可能發生的世代數。李新暢等(2018)通過有效積溫法推算了豆卷葉螟在海南三亞地區理論發生代數與實際發生代數基本一致。關于短額負蝗生活史研究發現，山西大同每年發生1代(及尚文等, 1995)，河北白洋淀、山東濱州地區每年可發生1～2代(李虎群等, 2008; 田方文, 2005)，安徽宣城每年發生2代(楊輔安等, 1996)，江西蓮塘地區可發生2～3代(陳茂才, 1965; 楊輔安等, 1996)。其中山西大同緯度40°14′N，海拔1 026 m與陜西延安緯度36°35′N，海拔1 270 m的地理環境特征相比偏北，根據作物生長季節5-9月份的月平均氣溫，按延安種群世代發育起點溫度和有效積溫推算，短額負蝗在山西大同可發生0.9個世代；而河北白洋淀緯度38°56′N，海拔11 m，與陜西延安的地理環境特征相比偏南，根據作物生長季節4-10月份的月平均氣溫，按延安種群世代發育起點溫度和有效積溫推算，短額負蝗在河北白洋淀可發生1.6個世代；安徽宣城參照成都推算可發生世代數為1.9個世代；江西蓮塘參照廣州推算可發生世代數為2.5個世代。可見，根據本研究結果推算上述各地短額負蝗發生世代數與上述文獻報道基本吻合。

本研究結果表明，短額負蝗種群發育起點溫度隨棲息地環境年平均氣溫升高而升高，有效積溫則隨棲息地環境年平均氣溫升高而降低，表現為對低環境溫度的適應能力總體隨著種群棲息地緯度和海拔上升而增強，而對較高環境溫度的適應能力則相反。該結果可為不同地區田間預測該害蟲種群動態，制定防治措施提供科學依據。關于短額負蝗地理種群因適應不同環境溫度而產生遺傳分化等分子機制有待深入研究。