幼蟲密度對美國白蛾生活史參數的影響

卞忠玲,劉 鄭,王馨玫,趙呂權

(南京林業大學南方林業協同創新中心,南京 210037)

種群密度是影響昆蟲生活史表達及其權衡關系的重要因素,因為密度增加會加劇種內競爭,導致種群內個體獲取的平均資源減少,進而影響其形態、生理、行為與適合度(Fantinouetal., 2008; Klepsateletal., 2018)。如草地螟LoxostegesticticalisL.幼蟲的生長發育速率、血細胞數量、食物利用與消化酶活性及成蟲繁殖力均受幼蟲密度的調控(孔海龍等, 2011; 2012; 楊志蘭, 2013);同時,棉鈴蟲Helicoverpaarmigera(Hübner)成蟲的飛行能力與粘蟲Mythimnaseparate(Walker)成蟲的能源物質含量也受幼蟲階段密度的影響(吳孔明和郭予元, 1997; 李克斌和羅禮智, 1998)。自然環境條件下,幼蟲于擁擠狀態下發育至成蟲是一種非常普遍的現象(Griffiths, 1997),表明幼蟲密度增加引起的種內競爭壓力增加可能代表昆蟲進化過程中的一個選擇壓(Roperetal., 1996)。如幼蟲期種群密度增加雖然加劇了種內競爭,但種群內個體通過種內競爭,可以更快地適應新資源,進而提高種群適應環境變化與種群分布擴散的能力(Bolnick, 2001)。而對社會性昆蟲來說,種群密度增加雖然加劇了種內競爭,但種群內個體之間通過合作喂食、捕食者防御或共享有益微生物群落從而能夠讓種群內個體受益(Denno and Benrey, 1997; Breviglieri and Romero, 2019; Thanetal., 2020)。

對于全變態類型的昆蟲來說,由于成蟲階段不再蛻皮,導致成蟲階段對生活史參數特別是體型發育不良等性狀的補償能力非常有限,因此幼蟲階段對資源的競爭是調控幼蟲生長發育速率及成蟲形態特征與適合度至關重要的因素(Thanetal., 2020)。鱗翅目昆蟲屬典型的全變態類型,成蟲期補充營養能力有限,成蟲繁殖所需要的能量依賴于幼蟲階段的能量貯備,而幼蟲階段食物短缺會限制幼蟲取食速率、利用及食物分配(Fantinouetal., 2008);因此,種群密度決定了幼蟲體型,進而決定了昆蟲的最終體型,即幼蟲密度變化誘導其對食物資源的競爭最終會調控蛹的體型與體重及成蟲體型與繁殖力等(Honěk, 1993; Tammaruetal., 1996)。大量研究證明,幼蟲階段密度增加對鱗翅目昆蟲存在直接和間接兩方面的影響,其中直接影響是密度增加降低了幼蟲成活率、延長了幼蟲發育時間及減輕了蛹的重量;而密度增加的間接影響是減小了成蟲體型、抑制了成蟲繁殖力及降低了后代適合度等(Applebaum and Heifetz, 1999; Klepsateletal., 2018)。

美國白蛾HyphantriacuneaDrury屬鱗翅目Lepidoptera燈蛾科Arctiidae,是我國重大檢疫性害蟲,其原產于北美地區,1979在我國遼寧省丹東地區首次發現,因其寄主植物種類多,繁殖潛能大,適應性強等特點,現已擴散至北京、天津、山東及江蘇等全國12個省592個地區,給我國的林業生態安全和可持續發展帶來了嚴重威脅(季榮等, 2003; 楊忠岐和張永安, 2007; 國家林業局2021年第7號公告)。美國白蛾幼蟲常群集危害,1～4齡期主要群集在寄主葉片背面取食其中的葉肉組織,留下葉脈和上表皮,隨著幼蟲齡期增加,不斷吐絲將被害葉片集結成“網幕”,網幕直徑隨幼蟲齡期增加而擴大,4齡后開始破網分散危害。雖然美國白蛾高齡幼蟲常分散危害,但自然環境條件下一片葉片上仍能觀察到多頭幼蟲同時危害的情況。由于美國白蛾成蟲口器退化無法取食補充營養,因此,成蟲階段的飛行與繁殖所需能量皆來自于幼蟲階段的能量貯備(Gomi, 2000)。幼蟲階段特別是高齡幼蟲密度變化是否會對幼蟲的生長發育速率、蛹的體型與體重及羽化后成蟲繁殖適合度產生影響,目前尚不明確。

為科學評估美國白蛾幼蟲密度變化對其生長發育歷期、蛹的體型與體重及羽化后成蟲繁殖適合度的影響,本研究系統地測定了幼蟲密度對美國白蛾幼蟲發育歷期與成活率、蛹的體型與體重及成活率、成蟲體型與壽命及繁殖力等指標的影響,以期明確美國白蛾幼蟲的密度效應及其對密度效應的適應策略,為解析美國白蛾種群動態變化規律提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 昆蟲來源與飼養

美國白蛾卵塊于2021年6月采自江蘇省淮安市(32°43′N,118°12′E)楊樹林內,采集的卵塊帶回實驗室后置于培養皿內,培養皿內預先放置一層脫脂棉,脫脂棉上放置一層濕潤濾紙以保濕。幼蟲孵化后,將其轉移至另一個圓形塑料容器(直徑10 cm,高4 cm)內用桑葉飼養,葉片每天更換一次,直至幼蟲化蛹。幼蟲化蛹后將蛹移至另一個預先放置一層脫脂棉和濕潤濾紙的塑料容器內,直至成蟲羽化。成蟲羽化后,將20對成蟲置于一個養蟲籠內(30 cm×20 cm×30 cm),同時在養蟲籠內放置10根紙條用于成蟲產卵,成蟲產卵后,將卵移至培養皿內,參照上述方法處理。美國白蛾以滯育蛹越冬,蛹是否進入滯育由幼蟲階段感受的光周期調控,25℃條件下誘導蛹滯育的臨界光周期為14 h 30 min(王少博等, 2020)。因此上述實驗全部于溫度25℃± 1℃和光周期16 L∶8 D的培養箱(TB-QH360AS, 南京騰邦光電科技有限公司)內進行。

1.2 實驗設計

美國白蛾1～4齡幼蟲呈聚集狀態(Rehnberg, 2006),因此,剛孵化的幼蟲參照上述方法采用集團方式飼養,待幼蟲發育至5齡后,將幼蟲分成5頭、10頭、20頭、40頭和80頭/圓形塑料容器5個密度處理組,5個處理組分別設置80、40、20、10和5次重復。

1.3 形態與生活史參數

為明確幼蟲密度對美國白蛾生活史參數的影響,分別檢測了幼蟲齡期、蛹的體型和重量、成蟲體型與壽命及繁殖力等形態與生活史參數。每日更換桑葉時檢查幼蟲蛻皮情況并記錄幼蟲蛻皮時間與次數直至化蛹,幼蟲化蛹前會經歷預蛹期,但預蛹較脆弱,移動預蛹會引起其死亡,因此本研究中幼蟲7齡期包含了其預蛹期。幼蟲化蛹后將蛹移至一個新的塑料容器內,于化蛹后的第2天分別用電子天平(精度:0.1 mg)和顯微測微尺(精度:0.1 cm)測定蛹的重量、長度和寬度。成蟲羽化后,將成蟲轉移至一個新的塑料容器內并單獨飼養,直到成蟲死亡并記錄成蟲死亡時間,待成蟲死亡后用顯微測微尺測定成蟲頭幅寬度、后足腿節長度及前翅長度,上述指標測定完成后,將成蟲于體視顯微鏡(Zeiss, V8)下解剖,將卵巢管平鋪于蠟盤上,滴加緩沖液,使卵游離在緩沖液中并計數,同時測定卵的直徑。

1.4 統計分析

幼蟲齡期、蛹的體型與重量、成蟲體型與壽命及生殖力采用單因素方差分析,幼蟲成活率與蛹的成活率比較采用Kruskal-Wallis檢測。統計軟件為SPSS 16.0。

2 結果與分析

2.1 幼蟲發育歷期與成活率

美國白蛾幼蟲密度對其發育歷期產生了顯著影響(5齡:F=46.24, df=4, 1185,P<0.001; 6齡:F=24.76,df=4, 1159,P<0.001; 7齡:F=34.92, df=4, 1028,P<0.001,表1)。5齡時,20頭/容器的幼蟲發育歷期顯著短于另外4個處理組的幼蟲發育歷期(P<0.05),10頭/容器和80頭/容器2個處理組的幼蟲發育歷期相似(P>0.05),但顯著短于5頭/容器和40頭/容器處理組的幼蟲發育歷期(P<0.05),而5頭/容器和40頭/容器2個處理組的幼蟲發育歷期則無明顯差異(P>0.05)。6齡時,幼蟲發育歷期呈現隨密度增加而縮短的趨勢,5頭/容器的幼蟲發育歷期顯著長于另外4個處理組的幼蟲發育歷期(P<0.05),10頭/容器的幼蟲發育歷期次之且明顯長于20頭、40頭和80頭/容器3個處理組的幼蟲發育歷期(P<0.05),20頭、40頭和80頭/容器3個處理組的幼蟲發育歷期最短。幼蟲發育至7齡時,幼蟲發育歷期呈現隨密度增加先縮短后延長的趨勢,其中5頭/容器的幼蟲發育歷期最長,40頭/容器處理組的幼蟲發育歷期最短,10頭、20頭和80頭/容器3個處理組的幼蟲發育歷期則居中且相似(P>0.05)。

表1 幼蟲密度對美國白蛾幼蟲發育歷期的影響Table 1 Effect of larval density on larval development of Hyphantria cunea

幼蟲密度對其成活率也產生了明顯影響(表2),其中5頭/容器和10頭/容器處理組的幼蟲成活率相似(P>0.05),但顯著大于另外3個處理組的幼蟲成活率(P<0.05);20頭/容器和40頭/容器2個處理組的幼蟲存活率相似(P>0.05),但顯著大于80頭/容器處理組的幼蟲成活率(P<0.05)。

表2 幼蟲密度對美國白蛾幼蟲成活率與蛹羽化率的影響Table 2 Effect of larval density on larval survival rate and eclosion rate of Hyphantria cunea

2.2 蛹的體型、體重及成活率

美國白蛾幼蟲密度對蛹的體型產生了明顯影響(雌蛹長度:F=14.51, df=4, 448,P<0.001;雄蛹長度:F=11.92, df=4, 356,P<0.001;雌蛹寬度:F=9.87, df=4, 448,P<0.001;雄蛹寬度:F=2.96, df=4, 356,P=0.019,圖1)。對雌蛹來說,隨著幼蟲密度增加,其長度呈現隨密度增加而減少的趨勢,其中幼蟲5頭、10頭和20頭/容器3個處理組蛹的長度相似(P>0.05),但明顯大于幼蟲80頭/容器處理組蛹的長度(P<0.05);同時,幼蟲10頭/容器處理組蛹的長度也顯著大于幼蟲40頭/容器處理組蛹的長度(P<0.05,圖1-A)。幼蟲密度對雄蛹長度的影響也表現出相似的規律(圖1-A)。幼蟲5頭/容器處理組的雌蛹寬度最大,幼蟲80頭/容器處理組的雌蛹寬度最小,而另外3個處理組的雌蛹寬度則居中且與5頭和80頭/容器2個處理組的雌蛹寬度存在顯著性差異(P<0.05);幼蟲5頭、10頭和20頭/容器3個處理組的雄蛹寬度相似(P<0.05),但明顯大于幼蟲40頭和80頭/容器2個處理組的雄蛹寬度(P<0.05,圖1-B)。與體型相似,幼蟲密度對蛹的體重也產生了明顯影響(雌蛹:F=19.99, df=4, 448,P<0.001;雄蛹:F=10.65, df=4, 356,P<0.001,圖1-C)。雌、雄蛹體重皆呈現隨幼蟲密度增加而減少的趨勢,其中幼蟲5頭/容器和10頭/容器2個處理組的雌蛹體重相似(P>0.05),但明顯大于其他3個密度處理組的雌蛹體重(P<0.05),而幼蟲80頭/容器處理組的雌蛹體重最低且明顯低于其他4個處理組的雌蛹體重(P<0.05)。幼蟲密度對雄蛹體重的影響規律與雌蛹不同,幼蟲5頭、10頭、20頭和40頭/容器4個處理組的雄蛹體重相似(P>0.05),但明顯大于幼蟲80頭/容器處理組的雄蛹體重(P<0.05)。

圖1 幼蟲密度對美國白蛾蛹的長度(A)、寬度(B)與重量(C)的影響Fig.1 Effect of larval density on the body length (A), body width (B) and body mass (C) of pupae of Hyphantria cunea注:不同字母表示不同密度處理組間存在顯著性差異(P<0.05)。下同。Note: Different letters indicated significant difference among the density treatment groups (P<0.05).Same below.

幼蟲密度對蛹羽化率也產生了明顯影響(表2),幼蟲5頭/容器處理組的蛹羽化率顯著高于另外4個處理組的蛹羽化率(P<0.05),幼蟲10頭/容器和40頭/容器2個處理組的蛹羽化率相似(P>0.05),但明顯高于幼蟲20頭/容器和80頭/容器處理組的蛹羽化率(P<0.05)。

2.3 成蟲體型、壽命與繁殖力

幼蟲密度對雌蟲頭幅寬度產生了明顯影響(F=10.01, df=4, 95,P<0.001),但對雄蟲頭幅寬度則無明顯影響(F=0.73, df=4, 95,P=0.57,圖2-A)。雌蟲頭幅寬度隨幼蟲密度增加而減小,幼蟲5頭/容器和10頭/容器2個處理組的雌蟲頭幅寬度相似(P>0.05),但明顯大于另外3個處理組的雌蟲頭幅寬度(P<0.05);幼蟲20頭/容器和40頭/容器2個處理組的雌蟲頭幅寬度相似(P>0.05),但明顯大于幼蟲80頭/容器處理組的雌蟲頭幅寬度(P<0.05)。

圖2 幼蟲密度對美國白蛾成蟲頭幅寬度(A)、前翅長度(B)與后足腿節長度(C)的影響Fig.2 Effect of larval density on head width(A), length of fore wing(B) and hind femur length of adults(C) of Hyphantria cunea

雌蟲前翅長度不受幼蟲密度的影響(F=1.15, df=4, 95,P=0.34),但雄蟲前翅長度明顯受幼蟲密度的影響(F=7.03, df=4, 95,P<0.001,圖2-B)。雄蟲前翅長度呈現隨幼蟲密度增加而增加的趨勢,幼蟲5頭/容器處理組的雄蟲前翅長度明顯短于另外4個處理組的雄蟲前翅長度(P<0.05),而幼蟲20頭/容器、40頭/容器和80頭/容器3個處理組的雄蟲前翅長度則相似(P>0.05),但明顯大于幼蟲10頭/容器處理組的雄蟲前翅長度(P<0.05)。

幼蟲密度對成蟲后足腿節長度產生了明顯影響(雌蟲:F=4.76, df=4, 95,P=0.0015; 雄蟲:F=26.07, df=4, 95,P<0.001,圖2-C)。對雌蟲來說,幼蟲10頭、20頭、40頭/容器和80頭/容器4個處理組的后足腿節長度相似(P>0.05),但其顯著大于幼蟲5頭/容器處理組的后足腿節長度(P<0.05)。與雌蟲相似,幼蟲20頭、40頭和80頭/容器3個處理組的雄蟲后足腿節長度相似(P>0.05),但其顯著大于幼蟲5頭/容器和10頭/容器處理組的雄蟲后足腿節長度(P<0.05),而幼蟲5頭/容器和10頭/容器處理組的雄蟲后足腿節長度則無顯著性差異(P>0.05)。

幼蟲密度對成蟲壽命也產生了明顯影響(雌蟲:F=6.06, df=4, 161,P<0.001; 雄蟲:F=3.77, df=4, 252,P=0.0053,圖3-A)。對雌蟲來說,成蟲壽命呈現隨幼蟲密度增加而縮短的趨勢,幼蟲5頭/容器和10頭/容器2個處理組的成蟲壽命相似(P>0.05),但明顯大于幼蟲20頭、40頭和80頭/容器3個處理組的成蟲壽命(P<0.05),而上述3個處理組的成蟲壽命則無顯著性差異(P>0.05)。與雌蟲相似,雄蟲壽命也隨幼蟲密度增加而縮短,幼蟲5頭/容器和10頭/容器處理組的成蟲壽命最長,而幼蟲40頭/容器和80頭/容器處理組的成蟲壽命則最短。

圖3 幼蟲密度對美國白蛾成蟲壽命(A)、繁殖力(B)與卵直徑(C)的影響Fig.3 Effect of larval density on adult lifespan (A), female fecundity (B) and egg diameter (C) of Hyphantria cunea

幼蟲密度對成蟲懷卵量產生了顯著性影響(F=4.54, df=4, 161,P=0.0066,圖3-B),幼蟲5頭/容器處理組的成蟲懷卵量最多,幼蟲80頭/容器處理組的成蟲懷卵量最少,而幼蟲10頭、20頭和40頭/容器3個處理組的成蟲懷卵量則居中,并且顯著大于幼蟲80頭/容器處理組成蟲的懷卵量(P<0.05)。與成蟲懷卵量相似,幼蟲密度對成蟲卵直徑也產生了明顯影響(F=7.96, df=4, 462,P<0.001,圖3-C),隨著幼蟲密度增加,卵直徑呈現減小的趨勢,幼蟲5頭/容器處理組的卵直徑顯著小于另外4個處理組的卵直徑(P<0.05),而幼蟲10頭、20頭、40頭/容器和80頭/容器處理組的卵直徑則相似而無顯著性差異(P>0.05)。

3 結論與討論

對食物資源的種內競爭是影響生物體發育和成蟲特征的一個重要因素(Fantinouetal., 2008)。由于密度增加會加劇種內競爭,進而降低了種群內個體獲取的平均資源(Klepsateletal. 2018),因此與高密度種群個體相比,低密度種群個體通常表現出更高的種群適合度(如更大體型或更高繁殖力等)(Prasad and Joshi, 2003)。本研究結果表明,美國白蛾幼蟲階段的種群密度對幼蟲的發育速率與成活率、蛹的體型與成活率、成蟲的體型與壽命及繁殖力都產生了明顯的影響,即美國白蛾幼蟲、蛹和成蟲的生活史參數受幼蟲密度的調控。

昆蟲生長發育速率受光周期、溫度及密度等因素的影響(Nylin and Gotthard, 1998; Aminetal., 2007; Klepsateletal., 2018)。如對甜菜夜蛾Spodopteraexigua(Hübner)來說,中間密度種群的幼蟲發育速率最快,而低密度與高密度種群的幼蟲發育速率均受到了抑制(王娟等, 2008);草地螟也表現出相似的規律(孔海龍等, 2011)。與上述結果相似,美國白蛾幼蟲發育速率也受其密度的影響,幼蟲發育歷期在調查的各個齡期內整體表現隨密度增加先降低后增加的趨勢,其中低密度(5頭/容器)條件下各個齡期幼蟲發育歷期均最長。上述結果表明,美國白蛾幼蟲發育歷期具可塑性,當幼蟲密度增加導致種間競爭加劇時,幼蟲可以通過調整發育歷期以適應其種內競爭。幼蟲密度增加不僅影響其發育歷期,同時影響其成活率,高密度種群幼蟲成活率明顯低于低密度種群幼蟲成活率,這一現象可能與密度增加后幼蟲排糞量增加有關,因為隨著幼蟲排糞量增加,容器內濕度會明顯增加,而濕度增加會誘導幼蟲死亡率增加(王娟等, 2008)。幼蟲密度增加導致種群內個體死亡率增加在粘蟲中也有報道(羅禮智等, 1993)。

美國白蛾幼蟲密度不僅對其生長發育速率及成活率具調控作用,對蛹的體型、體重與成活率也具明顯影響。幼蟲密度增加后,一定密度條件對美國白蛾蛹的體重與體型影響不顯著,而當密度過高時,蛹的體型與體重明顯降低,這與孔海龍等(2011)對草地螟的研究結果相一致。昆蟲體型多少反映了其營養儲備情況,較大個體通常被認為儲備了更多能量(Hahn and Denlinger, 2007; Shinetal., 2012)。美國白蛾幼蟲密度過高時對蛹的體型與體重產生了負面影響,因此推測,幼蟲密度增加會對蛹的能量貯備產生負面影響,進而對成蟲種群適合度產生不利影響,而幼蟲密度增加對成蟲繁殖能力具明顯的負面影響驗證了上述推測的合理性。與幼蟲密度對蛹的體型與體重影響結果不同,雖然隨著幼蟲密度增加,蛹的羽化率出現下降,但40頭/容器處理組的蛹羽化卻顯著高于20頭/容器處理組的羽化率,對這一結果的原因還有待進一步深入研究。

美國白蛾幼蟲密度不僅對蛹的體型與體重產生了明顯的影響,對成蟲體型也產生了明顯的影響,但幼蟲密度對成蟲頭幅寬度與前翅長度和后足腿節長度的影響卻表現出完全相反的結果。由于美國白蛾蛹階段不能補充營養,蛹的體型決定了成蟲體型,因此當幼蟲密度增加對蛹的體型產生負面影響時,也會對成蟲體型(頭幅寬度)產生負面影響。令人意外的是,幼蟲密度僅對雌蟲體型(頭幅寬度)產生了影響,對雄蟲體型(頭幅寬度)卻無明顯影響,上述現象可能與雌、雄成蟲繁殖投入差異有關。美國白蛾雌、雄蟲僅交配1次,交配后雌蟲產卵量一般在幾百粒至上千粒,卵細胞形成過程中需要消耗大量能量,因此理論上雌蟲對繁殖的投入多于雄蟲,進而造成雌、雄蟲體型對因幼蟲密度變化引起的對食物資源種內競爭敏感性存在差異,最終導致幼蟲密度變化對雌、雄蟲體型的影響存在差異。與幼蟲密度增加對成蟲頭幅寬度產生負面影響相反,成蟲后足腿節與前翅長度則表現隨幼蟲密度增加而增加的趨勢,這一現象可能是成蟲對幼蟲密度增加導致種內競爭壓力增加的一種適應策略。美國白蛾幼蟲密度增加會加劇種內對食物資源的競爭,降低種群內個體獲取的平均資源,進而對種群帶來負面影響。然而,高密度種群羽化后形成較長的后足腿節與前翅長度可以有效提高遷移擴散半徑以分散產卵,以減輕種內競爭壓力,進而提高種群適合度。

昆蟲壽命受營養、交配狀態及密度等因素的影響(孔海龍, 2011; Zhaoetal., 2021)。本研究結果表明,美國白蛾幼蟲密度增加明顯縮短了其成蟲壽命。雌、雄成蟲僅交配1次,成蟲壽命縮短將降低其獲得配偶的機率,同時降低雌蟲產卵時間,因此,幼蟲密度增加對成蟲壽命帶來的負面影響對種群適合度是不利的。另外,幼蟲密度增加明顯降低了雌蟲繁殖力,這一現象與雌蟲的懷卵能力有關,因為雌蟲的懷卵能力與體型有關(Sotaetal., 2007)。幼蟲密度增加對雌蟲體型(頭幅寬度)具負面影響,進而降低了雌蟲懷卵能力。幼蟲密度增加不僅降低了雌蟲繁殖力,對成蟲的卵直徑也產生了負面影響,由于卵的抗逆能力通常與其體型相關(Amirietal., 2019),因此,幼蟲密度增加對羽化后成蟲卵直徑帶來負面影響對其種群適合度可能是不利的。