褐飛虱不同蟲態(tài)的耐熱性比較

呂　亮,　常向前,　張　舒,　楊小林,　袁　斌

(農(nóng)業(yè)部華中農(nóng)作物有害生物綜合治理重點實驗室,湖北省農(nóng)業(yè)科學院植保土肥研究所, 武漢　430064)

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褐飛虱不同蟲態(tài)的耐熱性比較

呂亮,常向前,張舒,楊小林,袁斌

(農(nóng)業(yè)部華中農(nóng)作物有害生物綜合治理重點實驗室,湖北省農(nóng)業(yè)科學院植保土肥研究所, 武漢430064)

溫度是昆蟲生長發(fā)育的重要影響因子之一。本研究以室內(nèi)25℃、L∥D=16 h∥8 h、80%RH條件下終年飼養(yǎng)的褐飛虱1日齡初孵若蟲、10日齡高齡(4～5齡)若蟲、羽化1日齡短翅型和長翅型雌雄成蟲為研究對象,采用持續(xù)升溫和恒溫相結(jié)合的方法,研究比較了褐飛虱各蟲態(tài)耐熱性。研究結(jié)果表明:長翅雄成蟲對溫度變化的適應(yīng)能力較弱,耐熱性差;短翅型雌成蟲耐熱性強;成蟲的耐熱性強于若蟲。開展對昆蟲的耐熱性研究可為害蟲的預(yù)測預(yù)報和防治提供重要的理論依據(jù)。

褐飛虱;臨界高溫(CTMax,℃);耐熱性

褐飛虱[Nilaparvatalugens(St?l)]目前是我國及東南亞國家水稻生產(chǎn)上的重要害蟲,具遠距離遷飛習性,成蟲有明顯的翅二型(wing dimorphism)現(xiàn)象[1],分為長、短翅型,長翅型適于遷飛擴散,短翅型屬居留型,繁殖能力較強。褐飛虱成、若蟲以口器刺吸水稻莖基部維管束組織,消耗稻株營養(yǎng)和水分,從而引起稻株枯萎,造成“穿頂”或“虱燒”等田間癥狀,導(dǎo)致水稻嚴重減產(chǎn),甚至顆粒無收,為害損失十分巨大[2]。

溫度是昆蟲生長發(fā)育的重要影響因素之一[3]。適宜的溫度是昆蟲正常生長發(fā)育的必要條件,過高溫度或過低溫度脅迫均對昆蟲的生長發(fā)育等造成不利影響。目前,高溫和低溫脅迫研究多是在恒溫條件下進行的,對于短時溫度刺激或持續(xù)動態(tài)升溫等對昆蟲的影響方面研究較少。另外,全球氣候變化是廣為關(guān)注的問題,昆蟲對氣候異常變化的適應(yīng)性研究亦成為當前熱點[46]。為了更好地掌握氣候變暖對褐飛虱生長發(fā)育規(guī)律、地理分布、種群動態(tài)等方面的影響,本文采用持續(xù)動態(tài)升溫和恒溫相結(jié)合的方法,進行了褐飛虱不同蟲態(tài)的耐熱性比較研究,以期為氣候異常條件下褐飛虱的預(yù)測預(yù)報和科學合理防治提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試昆蟲

供試昆蟲為室內(nèi)25℃、L∥D=16 h∥8 h、80% RH條件下,于水稻品種‘TN1’上飼養(yǎng)的褐飛虱種群。連續(xù)飼養(yǎng)40代以上。

1.2持續(xù)動態(tài)升溫加熱裝置

采用常向前等[7]改進的加熱試驗儀器,整個容器長31 cm,寬24 cm,高12 cm,浴池長22.7 cm,寬10 cm,高5.5 cm,該加熱裝置的升溫速率可在0.1～99℃/min內(nèi)調(diào)節(jié)。

1.3臨界高溫的定義

在對昆蟲耐熱性研究中,Lutterschmidt 和Hutchison[8]首次研究了昆蟲受熱達到臨界高溫時的標志行為,進而定義了臨界高溫(critical thermal maximum, CTMax,℃),即在持續(xù)動態(tài)升溫過程中,致使昆蟲達到痙攣或不能活動時的溫度。本研究中,以毛筆輕觸褐飛虱成、若蟲,若蟲體不能自由移動,僅可見足部的輕微活動,即判斷為痙攣(據(jù)預(yù)備試驗,通常試蟲在達到痙攣后約數(shù)秒才死亡,如蟲體腹部朝上,足部亦停止輕微活動)。

1.4褐飛虱不同蟲態(tài)的CTMax(℃)測定

選取褐飛虱室內(nèi)25℃飼養(yǎng)種群1日齡長短翅型雌雄成蟲、1日齡若蟲和10日齡(4～5齡)若蟲為試驗對象。分別設(shè)定了短時熱激(35℃,1 h)、短時冷激(15℃,1 h)以及無冷熱刺激等3種測定前的溫度處理。然后用加熱試驗儀器進行持續(xù)動態(tài)升溫,分批測定各蟲態(tài)各處理單頭褐飛虱的CTMax。參照常向前等[7]的方法,結(jié)合武漢當?shù)貙嶋H情況,并根據(jù)預(yù)備試驗,本研究中均選擇設(shè)定升溫速度為0.25℃/min,升溫起點溫度為25℃。每蟲態(tài)每處理共測定60頭,分別測定和記錄各頭試蟲的CTMax。

1.5恒溫條件下,不同高溫對褐飛虱不同蟲態(tài)的存活影響

選取褐飛虱室內(nèi)25℃飼養(yǎng)種群1日齡長、短翅型雌雄成蟲、1日齡若蟲和10日齡(約4～5齡)若蟲為試驗對象。于HP300GS-C型人工智能氣候箱中,采用試管內(nèi)置稻苗飼養(yǎng)方法,設(shè)定30、33、36、39℃共4個恒溫溫度梯度,比較接蟲后3、6、12、24和48 h不同蟲態(tài)的存活率。每處理蟲數(shù)為60頭。

1.6數(shù)據(jù)處理與分析

采用DPS v7.05版對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和Duncan氏新復(fù)極差多重比較,比較處理間差異顯著性。

2　結(jié)果與分析

2.1持續(xù)動態(tài)升溫下,褐飛虱不同蟲態(tài)臨界高溫(CTMax,℃)的比較

對事前未經(jīng)冷熱刺激處理的褐飛虱25℃飼養(yǎng)種群的測定結(jié)果表明,褐飛虱1日齡初孵若蟲的平均CTMax最低,僅為42.83℃,長翅雄成蟲的平均CTMax最高,達到47.32℃,10日齡高齡若蟲、長翅雌成蟲、短翅雌成蟲、短翅雄成蟲的平均CTMax分別為43.59、44.42、44.58℃和44.88℃。由此說明,事先未經(jīng)刺激處理情況下,褐飛虱成蟲的CTMax顯著地高于若蟲的,長翅雄成蟲的CTMax顯著高于其他蟲態(tài)(P<0.05)。

短時熱激處理(35℃,1 h)后,褐飛虱各蟲態(tài)的CTMax均有變化。1日齡初孵若蟲、10日齡高齡若蟲、短翅雌成蟲、短翅雄成蟲、長翅雌成蟲和長翅雄成蟲的平均CTMax分別為42.27、43.33、45.89、45.36、44.19、42.93℃。其中,長翅雄成蟲的平均CTMax下降幅度很大,而短翅成蟲的平均CTMax則有所上升,說明適度熱刺激有利于短翅型成蟲對高溫變化的適應(yīng)能力提高。比較長翅型雌雄成蟲的CTMax,雌成蟲高于雄成蟲(P<0.05),說明長翅雄成蟲的耐熱能力差于雌成蟲。

短時冷激處理(15℃,1 h)后,褐飛虱各蟲態(tài)的平均CTMax亦有所變化。1日齡、10日齡若蟲、短翅雌成蟲、短翅雄成蟲、長翅雌成蟲和長翅雄成蟲的平均CTMax分別為42.72、42.65、44.70、43.09、42.92、42.08℃。可見,短時冷刺激后,褐飛虱長翅型雄成蟲的平均CTMax下降幅度仍為最大,長翅型雄成蟲對冷刺激反應(yīng)敏感,耐受力較差。各蟲態(tài)中,短翅型雌成蟲的平均CTMax最高,高于其他各種蟲態(tài)(P<0.05),且長翅雌成蟲的平均CTMax亦高于長翅雄成蟲,因此說明雌成蟲對溫度變化的耐受能力較強。詳見表1。

表1　褐飛虱不同蟲態(tài)的臨界高溫值測定結(jié)果1)

1) 表中同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05). Different letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level.

2.2不同恒溫溫度梯度對褐飛虱不同蟲態(tài)存活率的影響

不同溫度梯度對褐飛虱不同蟲態(tài)的存活率影響試驗結(jié)果表明,在接蟲3～6 h內(nèi),各蟲態(tài)在不同溫度下的存活率變化基本不大,接蟲6 h后,不同蟲態(tài)在高溫下的存活率差異才漸漸趨于明顯(P<0.05)。長翅型雄成蟲在36℃以上高溫時,于接蟲12 h后存活率下降很快,在39℃高溫下,接蟲48 h后存活率降至0。在39℃高溫時,其他各蟲態(tài)存活率亦有明顯下降,但48 h后的存活率基本保持在30%～50%間。詳見圖1～6。

恒溫試驗結(jié)果亦說明,長翅型雄成蟲在39℃高溫下存活率明顯低于其他各蟲態(tài),對高溫的耐受能力明顯差于其他各蟲態(tài)。

圖1　不同溫度對褐飛虱長翅型雄成蟲存活率的影響Fig.1　Survival rates of macropterous male adults of the brown planthopper treated under several temperatures

圖2　不同溫度對褐飛虱長翅型雌成蟲存活率的影響Fig.2　Survival rates of macropterous female adults of the brown planthopper treated under several temperatures

圖3　不同溫度對褐飛虱短翅型雄成蟲存活率的影響Fig.3　Survival rates of brachypterous male adults of the brown planthopper treated under several temperatures

圖4　不同溫度對褐飛虱短翅型雌成蟲存活率的影響Fig.4　Survival rates of brachypterous female adults of the brown planthopper treated under several temperatures

圖5　不同溫度對褐飛虱10日齡若蟲存活率的影響Fig.5　Survival rates of 10 d-old nymphs of the brown planthopper treated under several temperatures

3　結(jié)論與討論

本研究首次通過持續(xù)動態(tài)升溫與恒溫相結(jié)合的方法研究和比較了褐飛虱不同蟲態(tài)的耐熱性。綜上結(jié)果表明,褐飛虱長翅型雄成蟲的耐熱性明顯較差,雌成蟲特別是短翅型雌成蟲對溫度變化的適應(yīng)能力較強。由于長翅型成蟲適合遠距離遷飛,而短翅型成蟲屬居留型,繁殖力較強,因此可設(shè)想,耐熱性的差異是否與此有關(guān)？因為長翅型成蟲能夠通過遷飛來躲避高溫,而雌成蟲特別是短翅型雌成蟲由于擔負著種群繁殖的責任,從而表現(xiàn)出較強的耐熱性。具體原因尚需進一步的遺傳學與分子生物學方面的研究。

圖6　不同溫度對褐飛虱1日齡若蟲存活率的影響Fig.6　Survival rates of 1 d-old nymphs of the brown planthopper treated under several temperatures

前人的研究[910]表明,昆蟲對溫度脅迫的反應(yīng)與蟲體內(nèi)熱激蛋白的表達密切相關(guān)。褐飛虱長翅型成蟲的耐熱能力要高于短翅型成蟲,氣溫高有利于長翅型成蟲的形成。但本研究在動態(tài)升溫結(jié)合恒溫條件下的結(jié)果表明,褐飛虱長翅型雄成蟲對溫度變化的適應(yīng)耐受能力較差,且短翅型成蟲的耐受能力強于長翅型,成蟲的耐熱性亦強于若蟲。由此說明,受某種刺激后,褐飛虱不同蟲態(tài)體內(nèi)熱激蛋白的表達呈現(xiàn)不同程度的變化,從而反映出蟲體對溫度的耐受能力有差異。引起熱激蛋白差異表達的機制還有待日后進行相關(guān)熱激蛋白的分子機理研究。有研究[11]表明,一種應(yīng)激因子能增強昆蟲對其他應(yīng)激因子的耐受能力,即對昆蟲的適度低溫鍛煉有助于其耐熱性提高,存在交叉保護效應(yīng)。但本研究中,經(jīng)短時冷刺激后,長翅型雄成蟲對溫度的耐受能力仍較差。因此對于褐飛虱雄成蟲而言,不一定存在上述交叉保護效應(yīng)。總之諸多差異還需進一步的研究探討。

另外關(guān)于全球氣候變暖對昆蟲的影響研究,人工模擬自然條件是關(guān)鍵所在,亦是難點。本研究首次采用持續(xù)動態(tài)升溫裝置研究比較了褐飛虱不同蟲態(tài)的耐熱性,在某種程度上能解釋氣候變暖對褐飛虱生長發(fā)育的影響,具有生態(tài)學意義,但事實上,氣候

變暖不是簡單的持續(xù)升溫,其變化的無規(guī)則性增加了模擬的難度,而這些無規(guī)則性的變化又造成了對昆蟲至關(guān)重要的影響。隨著研究方法和研究手段的改進和創(chuàng)新,這些難題或?qū)⒌玫浇鉀Q。

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(責任編輯：田喆)

Comparison of the thermal tolerance of several forms of the brown planthopper,Nilaparvatalugens(St?l)

Lü Liang,Chang Xiangqian,Zhang Shu,Yang Xiaolin,Yuan Bin

(Key Laboratory of Huazhong Agricultural Pests Integrated Control, Founded by Ministry of Agriculture, P.R. China; Institute for Plant Protection & Soil Fertilizer of Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan430064, China)

Temperature is one of the most important factors affecting the growth and development of insects. In this study, the thermal tolerance of the brown planthoppers (BPHs) was compared under continuous heating and constant temperature, by using several forms of BPHs, including male or female brachypterous and macropterous adults of 1 day after eclosion, 1 and 10 d-old nymphs, which were all reared for a long time under the conditions of 25℃,L∥D=16 h∥8 h and 80% relative humidity. The results showed that BPH adults had stronger thermal tolerance than nymphs, and female brachypterous adults had stronger adaptability to temperature change than male macropterous adults. This study on insect thermal tolerance may be helpful to prediction and control of pests.

Nilaparvatalugens;critical thermal maximum;thermal tolerance

20150407

20150515

國家科技支撐計劃項目(2012BAD19B03)

Q 968.1

A

10.3969/j.issn.05291542.2016.03.008

聯(lián)系方式E-mail:lvlianghbaas@126.com