變溫與持續低溫冷暴露對紅棕象甲成蟲耐寒性的影響

萬 婕, 閻 偉, 劉 麗, 李朝緒,

黃山春1, 馬子龍3, 覃偉權1*

(1.中國熱帶農業科學院椰子研究所, 文昌 571339; 2. 海南大學環境與植物保護學院, 海口 571737; 3. 中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所, 海口 571101)

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變溫與持續低溫冷暴露對紅棕象甲成蟲耐寒性的影響

萬 婕1,2, 閻 偉1, 劉 麗1, 李朝緒1,

黃山春1, 馬子龍3, 覃偉權1*

(1.中國熱帶農業科學院椰子研究所, 文昌 571339; 2. 海南大學環境與植物保護學院, 海口 571737; 3. 中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所, 海口 571101)

為明確變溫低溫與持續低溫對紅棕象甲成蟲耐寒性的影響,探索不同低溫環境與紅棕象甲成蟲冷傷害之間的關系,將紅棕象甲成蟲進行以下兩種處理:(1)持續暴露在0、5、10與15 ℃；(2)雌雄成蟲每日暴露于28 ℃ 2 h后再分別置于以上低溫下飼養,對兩組試蟲的死亡率及過冷卻點分別進行統計與測定。結果表明:0 ℃低溫環境下交替暴露于冷傷害修復溫度與低溫環境可增強試蟲冷傷害修復作用；10 ℃與15 ℃低溫環境下交替暴露于冷傷害修復溫度與低溫環境會削弱試蟲冷傷害修復作用；此外,兩種處理方式下,雌成蟲的過冷卻點相較于空白組均呈下降趨勢。

紅棕象甲; 變溫低溫冷暴露; 持續低溫冷暴露; 冷傷害

紅棕象甲[Rhynchophorousferrugineus(Oliver)]屬于鞘翅目(Coleoptera)象甲科(Curculionidae),是我國重要的林業檢疫性害蟲[1],主要為害棕櫚科植物,其經濟破壞性、傳播性、危險性都很大[2]。該蟲在海南1年發生3～5代,發育起點溫度為17.41 ℃[3]。紅棕象甲首次發現于印度南部,隨后迅速擴散至整個印度[4],現在亞洲[5-7]、歐洲[8]、北美[9]等地區均有該蟲為害記錄。從其擴散歷史可以看出:紅棕象甲出現了明顯向北擴散的現象,且目前已突破北回歸線23.5°N[10],在我國最北端為害記錄在上海市(≈31°N)[5,11]。昆蟲是變溫動物,其種群的擴散及季節發生動態都與其耐寒性密切相關[12],要明確紅棕象甲在不同地理緯度種群的發生動態并提前做好預警措施,預測其向北擴散的潛在區域,首先應充分了解其耐寒性。

自然界中溫度的波動顯而易見,在研究昆蟲耐寒性時,變溫環境對昆蟲耐寒性影響相較于持續低溫環境對昆蟲耐寒性影響,同樣是需要重點考察的方面。早在1989年Bale就提出,評價昆蟲在低溫下的存活能力應綜合持續低溫冷暴露與變溫冷暴露試驗的結果[13],而大多數昆蟲低溫冷馴化試驗都是暴露于一個恒定低溫環境下進行,這直接導致了評價昆蟲在氣溫多變環境中的種群動態指標的不客觀性[14-17]。在變溫環境下的昆蟲耐寒性研究,是為了揭示昆蟲在應對自然降溫時,其行為上的耐寒策略與生理上的耐寒機制。理論上,低溫和較高溫度的交替環境相較于持續低溫環境存在一個“冷傷害修復”的時間間隔,一定程度上可以提高昆蟲在低溫冷暴露下的存活率。但目前許多研究表明,這樣的“冷修復”作用在不同低溫下的變溫環境,產生的修復效果不同,存在正向和負向的效果。如Coulson和Bale[18]曾報道在-5 ℃與10 ℃交替變化的冷暴露下,山毛櫸跳象(RhynchaenusfagiL.)的存活率較-5 ℃持續低溫冷暴露下的存活率高,但卻明顯低于10 ℃下的存活率;Nedved[19]與Hanc[20]分別報道，與持續低溫冷暴露相比較,循環低溫暴露能有效提高跳蟲(OrchesellacinctaL.)與始紅蝽(PyrrhocorisapterusL.)的存活能力,但也有相反情況。因此,在研究變溫環境對昆蟲耐寒性影響時,首先應明確不同低溫和較高溫度交替環境對昆蟲冷傷害修復作用的影響,這樣,不僅有助于進一步探討昆蟲在不同降溫系統中的耐寒機制,而且有利于昆蟲冷馴化試驗中有效馴化溫度的選取。

昆蟲耐寒性是昆蟲長期進化出的一種抵抗外界環境的適應性特征[12],短時間內很難模擬,而耐結冰型(freeze-tolerance)昆蟲相較于寒冷敏感型(chill-susceptible),不僅在昆蟲適應性進化中耐寒機制更為復雜,難以研究,而且不易于實驗室內模擬；寒冷敏感型昆蟲可通過實驗室內人工處理獲得,人為可塑性較強,一定程度上可實現重塑昆蟲耐寒性的目的。如Kostal等曾發表過關于黑腹果蠅(Drosophilamelanogaster)的耐寒性由寒冷敏感型人為轉變成耐結冰型[21],為昆蟲耐寒性研究開辟了另一新領域。鞠瑞亭認為上海地區紅棕象甲耐寒性屬寒冷敏感型[11]。本研究表明,海南省紅棕象甲耐寒性指標與上海地區紅棕象甲耐寒性指標存在差異,如海南紅棕象甲早期卵的過冷卻點(SCP)均值為(-26.19±0.28)℃(未發表數據),而上海紅棕象甲為-5.92 ℃[11];海南紅棕象甲卵期冷暴露72 h對應的Ltemp50為17.798 ℃(未發表數據),而上海紅棕象甲為1.61 ℃[11]。寒冷敏感型昆蟲最明顯的特征是SCP值與致死低溫之間差距較大,SCP對其耐寒性無任何有效的指示作用[22],因此對比以上兩者耐寒性指標的差異不難發現,海南紅棕象甲耐寒性較上海紅棕象甲弱,且耐寒對策為更加典型的寒冷敏感型,耐寒性可塑性更強。

相較于幼蟲或卵,紅棕象甲成蟲在面臨外界環境溫度的變動時,不論在行為上或生理上,都進化出了更加復雜的適應性特征,且成蟲作為主要的越冬蟲態之一[3],其是否能順利越冬是決定下一季節該蟲種群成活與否的關鍵。因此,考察變溫與持續低溫冷暴露下紅棕象甲成蟲耐寒性的差異是探討該蟲耐寒性研究的重要組成部分,亦是預測該蟲自然種群應對不同低溫環境時種群數量波動的一個有效指標。

1 材料與方法

1.1 蟲源

將雌雄成蟲分為兩組,組1用于雌雄成蟲持續低溫冷暴露試驗,其試蟲于2012年10月-2013年1月(越冬期間)在海南省文昌市文昌椰子大觀園內,利用聚集信息素引誘法[23]收集；組2用于雌雄成蟲變溫低溫冷暴露試驗,其試蟲于2013年10月-2014年1月,采用與組1相同的收集方法在相同的地點收集。

1.2 試驗方法

某些昆蟲暴露于其有效發育溫度下會導致體內的冷傷害[24]。而對于大部分熱帶昆蟲,0 ℃以上的低溫亦能對其造成死亡[25]。因此,本試驗選取0、5、10、15 ℃作為試驗處理溫度。為排除試蟲腸道內含物對過冷卻點測定的影響[22],所有試蟲均饑餓1 d后再進行試驗。低溫處理在恒溫低溫冰箱(容聲冰箱, BCD-212YM/T-CC)中進行。所有試蟲分為2組,組1試蟲分別持續暴露于0、5、10 ℃與15 ℃下；組2試蟲先置于28 ℃下處理2 h,再分別置于0、5、10 ℃與15 ℃下處理22 h。每日觀察并統計組1、組2試蟲死亡率,并采用Logistic回歸分析分別計算不同低溫處理下對應的半致死時間LT50,試驗重復3次,組1每次處理雌、雄蟲各20頭,組2每次處理雌雄蟲各10頭；隨后選取不同低溫下處理LT50后仍存活的個體,采用熱電偶法[26]對其SCP進行測定。檢驗試蟲是否存活的方法為:經處理的試蟲置于室溫下恢復1 d后,用針頭刺激試蟲體表,蟲體可繼續爬行或出現四肢顫抖現象則視為存活。組1、組2及空白組在存活的幼蟲中分別挑選雌雄成蟲各10頭進行SCP值測定。

1.3 數據處理

采用Probit回歸分別擬合不同低溫處理下試蟲死亡率與時間的關系并計算相應的LT50;采用非參數檢驗Kruskal-Wallis對組1、組2及空白組的試蟲SCP進行比較。所有數據均采用SPSS 17.0進行處理。

2 結果與分析

2.1 變溫冷暴露與持續低溫冷暴露對紅棕象甲雌雄成蟲LT50的影響

不論持續低溫環境或者變溫低溫環境,紅棕象甲雌雄成蟲的半致死時間LT50均隨冷暴露溫度的上升而增加,且雌成蟲LT50均高于雄成蟲(圖1)。其中,雌成蟲15 ℃下持續暴露的LT50最大,為856.23 h,0 ℃下雄成蟲持續暴露的LT50最小,為11.87 h;雌、雄成蟲持續暴露于0 ℃的低溫環境的LT50均小于0 ℃與28 ℃交替變溫環境下試蟲的LT50,與持續低溫冷暴露相比,0 ℃與28 ℃交替變溫冷暴露延長了雌雄成蟲的LT50,增強了其耐寒性;但這樣的變化趨勢在10 ℃時出現轉折,10、15 ℃與28 ℃交替變溫冷暴露下，雌、雄成蟲的LT50均小于相同條件下持續低溫暴露雌雄成蟲的LT50,表明,較溫和低溫下(10 ℃、15 ℃)的變溫處理并未延長雌雄成蟲的LT50,相反縮短了其LT50。

圖1 不同低溫處理對紅棕象甲成蟲半(數)致死時間的影響Fig.1 Effects of different low-temperature regimes on the LT50 of female and male adults of Rhynchophorous ferrugineus

2.2 變溫冷暴露與持續低溫冷暴露在不同低溫下對紅棕象甲雌雄成蟲SCP的影響

持續低溫冷暴露、變溫冷暴露與空白組間個體SCP分布存在差異；空白組中,雌成蟲SCP值均低于雄成蟲SCP值,但經過冷馴化以后,持續低溫冷暴露及變溫冷暴露處理的雌、雄成蟲的SCP值相比較于空白組試蟲均出現了不同程度的下降,且持續低溫冷暴露處理的雌、雄成蟲SCP均低于變溫冷暴露處理的雌、雄成蟲SCP；隨著馴化溫度的上升,變溫低溫處理下,隨著低溫處理溫度的升高,雄蟲的SCP逐漸降低,并最終低于雌蟲的SCP。但在持續低溫處理下,只在0～10 ℃范圍內,雄蟲的SCP逐漸降低,而15 ℃處理下,雄蟲的SCP高于雌蟲。

圖2 不同低溫處理LT50后紅棕象甲存活個體的過冷卻點均值Fig.2 Average supercooling points of surviving female andmale adults of Rhynchophorous ferrugineus from different low-temperature regimes

3 結論與討論

3.1 變溫與持續低溫冷暴露對紅棕象甲雌雄成蟲耐寒性的影響

低溫環境下昆蟲的存活率是時間與溫度交互影響的結果[27-29]。0 ℃對紅棕象甲雌雄成蟲而言屬脅迫低溫,持續暴露于0 ℃,雌、雄成蟲均在短時間(12.11、11.87 h)內造成50%個體死亡；隨著暴露低溫的上升,持續低溫與變溫環境下雌雄的LT50均呈上升趨勢。此外,與Hanc和Nedved報道的結果[20]相似,低溫與一個相對較高的溫度交替環境對昆蟲的冷傷害在不同低溫之間存在“正向”與“負向”修復作用。0 ℃脅迫低溫與一個相對較高的溫度(本試驗設置為28 ℃)交替,可確保試蟲每日在這個相對較高溫度獲得一定時間(2 h)的冷修復機會,進而抵消掉一部分冷傷害作用,延長了試蟲的LT50,即產生了“正向”作用；但這個“正向”的冷傷害修復作用并不隨暴露低溫的上升而增強,而是逐漸轉變為“負向”作用。在變溫冷暴露試驗中,雌、雄成蟲的LT50并沒有隨冷暴露溫度的提高而增加,在10、15 ℃(22 h)與28 ℃(2 h)交替變溫環境下,雌、雄成蟲LT50均低于其在持續低溫(10、15 ℃)暴露下LT50。LT50的增加與減少直接反映了昆蟲耐寒性的增強或減弱,由此看出較溫和低溫下的變溫冷暴露甚至會削弱試蟲的耐寒性。產生這一現象的原因可能是:持續低溫冷暴露對昆蟲的冷傷害作用是累積的,雖然期間會伴隨著昆蟲體內蛋白質的變性以及膜脂相的轉變[30-31],但長期的變溫冷暴露最終還是會導致昆蟲死亡；即便存在一個冷傷害修復溫度,也不能從根本上恢復昆蟲正常的生理狀態,更甚者或許會加速昆蟲的死亡速率。Cardoso就假設若要減少變溫條件下冷馴化對生物體的傷害程度,條件必須是短時間的變溫冷暴露[32]。不論變溫冷暴露或持續低溫冷暴露,雌蟲的LT50均大于相同環境下雄蟲的LT50,且經持續低溫冷暴露和變溫低溫冷暴露處理后存活雌、雄成蟲的SCP出現波動。結果表明,紅棕象甲雌、雄成蟲耐寒性存在差異,雌蟲略高于雄蟲；SCP對紅棕象甲雌雄成蟲耐寒性具有某種程度的指示作用。

3.2 紅棕象甲雌雄成蟲SCP與其耐寒性的關系

SCP值的降低是某些昆蟲冷馴化后的特征之一,是昆蟲應對極端低溫時,為避免體內結冰進化出的一類抗寒方式[33]。雖然對寒冷敏感型昆蟲，SCP值對其耐寒性的指示作用不大,但作為評價昆蟲耐寒性的重要方式之一,SCP一直受到研究者們的普遍重視[22]。本試驗中,不論變溫或持續低溫冷暴露后,存活試蟲的SCP均下降,這也許可以看作試蟲應對低溫脅迫時,生理上的一種適應性調整,但又因理論上寒冷敏感型昆蟲耐寒性與SCP之間較弱的關聯性,研究者們常常會忽視SCP的改變及其背后隱藏的生態學、生物學、生理學等研究意義。昆蟲耐寒性本是一門及其復雜的科學,至今,寒冷敏感型昆蟲的耐寒機制仍未被人們全面了解,而對昆蟲耐寒對策的定義及劃分僅根據個別單一耐寒指標未免過于片面,且自然界中不少昆蟲存在采取綜合耐寒策略適應寒冷環境的現象[34]。紅棕象甲成蟲屬甲蟲類,具一定飛行能力,面臨脅迫低溫時可自主躲避,但不論行為上或生理上的“抗寒反應”都是應對外界環境長期進化的結果。本試驗中得出的結果表明:紅棕象甲雌雄成蟲在經不同低溫處理后,存活個體的SCP下降。要解釋其中的原因,或深入分析試蟲SCP與其耐寒性之間的關聯性,還需進一步開展細胞或分子水平的研究。

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(責任編輯：楊明麗)

Effects of fluctuant and constant low-temperature exposure on the cold hardness of the adults of the red palm weevilRhynchophorousferrugineus

Wan Jie1,2, Yan Wei1, Liu Li1, Li Chaoxu1, Huang Shanchun1, Ma Zilong3, Qin Weiquan1

(1.Coconut Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wenchang 571339, China; 2. College of Environmental and Plant Protection, Hainan University, Haikou 571737, China; 3.Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101, China)

To understand the effect of fluctuant and constant low-temperature exposure on the cold hardness of adult of red palm weevilRhynchophorousferrugineus(Oliver), and investigate the relationship between different low-temerature exposure regimes and the cold injuries on insects, (1) theR.ferrugineuswas constantly exposed to 0, 5, 10 and 15 ℃ without any interruption, respectively, this is for constant low-temperature exposure experiment; (2)TheR.ferrugineuswas exposed to 28 ℃ for 2 h then exposed at the four low temperatures (0 ℃, 5 ℃, 10 ℃ and 15 ℃, respectively) for the rest of 22 h,this is for fluctuant low-temperature exposure experiment. Mortality was calculated daily and the supercooling point (SCP) of survivedR.ferrugineuswas determined. The results showed that alternative exposure to 28 ℃ and 0 ℃ could enhance the repairing of cold injury, while the alternative exposure to 28 ℃ and 10 ℃ or 15 ℃ decreased the repairing of cold injury. Variation of SCPs existed between control group and treatment groups suggested that SCPs ofR.ferrugineuswere decreased after LT50of exposing to each low temperature.

Rhynchophorousferrugineus; fluctuant low-temperature exposure; constant low-temperature exposure; cold injury

2014-04-19

2014-07-24

海南省重點科技計劃項目(ZDXM20120030, ZDXM20130049)；海南省自然科學基金(311091)

Q 965

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.04.028

* 通信作者 E-mail：qwq268@163.com