二氧化碳對三種蠐螬的引誘作用

張鑫鑫, 房遲琴, 劉丹丹, Innocent Nyamwasa,張 帥, 尹 姣, 曹雅忠, 于洪春, 李克斌*

(1. 東北農業大學農學院, 哈爾濱 150030; 2. 中國農業科學院植物保護研究所,植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京 100193)

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二氧化碳對三種蠐螬的引誘作用

張鑫鑫1,2, 房遲琴1,2, 劉丹丹2, Innocent Nyamwasa2,張 帥2, 尹 姣2, 曹雅忠2, 于洪春1*, 李克斌2*

(1. 東北農業大學農學院, 哈爾濱 150030; 2. 中國農業科學院植物保護研究所,植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京 100193)

本研究通過測定二氧化碳對蠐螬的吸引力為地下害蟲的防治提供參考。試驗采用“Y”形嗅覺儀測定3種常見蠐螬對不同濃度二氧化碳的趨向行為,并以最趨二氧化碳濃度測試蠐螬在寄主存在環境下的選擇行為。結果表明,蠐螬對二氧化碳有明顯的趨向性,取食習性影響蠐螬對二氧化碳的趨性行為,植食性的暗黑鰓金龜幼蟲對3%～15%低濃度范圍的二氧化碳具有較好趨向性,同樣為植食性的銅綠麗金龜幼蟲也趨向濃度較低的二氧化碳,腐食性的白星花金龜幼蟲不僅對70%高濃度的二氧化碳具有顯著趨向性,而且對較低濃度的二氧化碳有趨向性。有花生根存在的背景環境下,二氧化碳的引誘力減弱,對寄主植物的選擇更為顯著。

蠐螬; 二氧化碳; 趨性

蠐螬是金龜子幼蟲的通稱,是地下害蟲中種類最多、分布最廣、食性頗雜、為害最重的一大類群。蠐螬在土內取食多種農作物、林果、牧草、藥材和花卉植物等萌發的種子、幼根、地下莖,咬斷幼苗和環剝大苗、幼樹的根皮。輕則造成缺苗斷壟,重則毀種重播。隨著免耕淺耕等栽培制度和農業結構調整的大面積實施,作為地下害蟲主要類群的蠐螬亦呈現出種群此伏彼起的新態勢,其發生危害日趨嚴重[1]。每年因蠐螬造成的花生減產一般為20%～40%,嚴重地區減產70%～80%,甚至絕收,同時由于破傷果仁、空殼比例大,品質明顯下降[2]。通常采用化學農藥防治此類害蟲,但由于土壤的隔離作用,對使用農藥的方法、劑量和時期都有較高要求[3]。

使昆蟲個體向人為確定區(點)大量集聚的過程稱為引誘技術[4],引誘技術結合殺蟲劑毒殺害蟲,可大大增加害蟲接觸有毒物質的幾率,有效增強殺蟲劑的效力,此為誘殺策略[5-6],誘殺策略被大量應用于害蟲的防治。

昆蟲棲息的微生境中的二氧化碳濃度,影響昆蟲的行為、代謝和存活。二氧化碳能激發地下害蟲的定向反應,一些土壤昆蟲還把二氧化碳當做一種非特化的引誘劑[7]。1917年Hamilton研究發現,地下害蟲頻繁地受到由植物根系呼吸作用釋放在其根圍的二氧化碳的吸引,自此開始了二氧化碳在害蟲防治中的應用研究,并逐漸受到人們的關注[7]。二氧化碳在植物根系的釋放量大,自身分子量小,可以在土壤環境中進行遠距離擴散。相比于根部產生的其他分子量較大、只能在根系周圍小范圍擴散的分泌物,非常適宜作為幼蟲的引誘劑。Doane等人證實了金針蟲向根運動是由于植物根的呼吸作用釋放的二氧化碳[8];Bernklau 和Bjostad報道玉米根圍的二氧化碳濃度為4.36 mmol/mol,與玉米根螢葉甲最易被吸引的濃度4.20 mmol/mol一致[9];Bernklau也證實了釋放二氧化碳的物質可引誘害蟲離開寄主植物,從而降低植物根部損傷[10]。2011年,室溫下持續釋放二氧化碳14 d的膠囊被研制出[11]。Schumann研究表明,二氧化碳在環境中的釋放對玉米根螢葉甲具有引誘能力。室內測試發現,二氧化碳緩釋膠囊結合七氟菊酯后可以有效地誘殺害蟲,并增強低濃度殺蟲劑的殺蟲效力[12]。

暗黑鰓金龜(HolotrichiaparallelaMotschulsky)屬鞘翅目鰓金龜科(Coleoptera: Melolonthidae),銅綠麗金龜(AnomalacorpulentaMotschulsky)屬鞘翅目麗金龜科(Coleoptera: Rutelidae),這兩種金龜子的幼蟲是國內常見為害嚴重的植食性蠐螬,白星花金龜[Protaetiabrevitarsis(Lewis)]屬鞘翅目花金龜科(Coleoptera: Cetoniidae),其幼蟲為腐食性蠐螬[3,13]。本試驗旨在通過室內引誘試驗,明確二氧化碳對3種蠐螬是否具有引誘作用,二氧化碳對食性不同的蠐螬引誘效力是否相同,以及在花生根系存在的環境下對蠐螬的引誘效果,以期為田間治理蠐螬等地下害蟲,開發新型的地下害蟲引誘劑提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試昆蟲

暗黑鰓金龜和銅綠麗金龜幼蟲采集于河北省廊坊市郊區花生田(中國農業科學院植物保護研究所廊坊試驗基地),白星花金龜采集于山東省臨沂市堆肥區,將采集的幼蟲帶回室內(室溫23℃),每瓶3頭,滅菌的營養土和沙土各50%,濕度控制在25%,以浸泡開始發芽的花生作為飼料進行飼養。相同環境條件下飼養兩周后對每種金龜子選擇健康活潑、體重相近、大小一致的3齡幼蟲進行試驗。

1.2 供試植物與材料

室內以蛭石種植花生(ArachishypogaeaLinn.),品種為‘唐8131’,保證水分和光照,待花生長至10～15葉時進行試驗。

“Y”形嗅覺儀各臂長20 cm,內徑為3 cm。

混配氣體購于北京海紅偉化工產品有限公司。

1.3 室內行為試驗

1.3.1 試蟲的選擇

在室內飼養一段時間后,對每種金龜子選擇同一世代、健康、大小一致的3齡幼蟲供試,試驗前對試蟲進行8 h饑餓處理。

1.3.2 行為測定

參照Honda等[14]的方法略修改。采用“Y”形嗅覺儀進行3種蠐螬對不同濃度二氧化碳趨性反應試驗。試驗設置1%、3%、5%、15%、30%、50%和70%等7個二氧化碳濃度梯度,氧氣濃度19.5%,氮氣平衡[15]。采用正常空氣作為對照(即二氧化碳0.5%、氧氣19.5%、氮氣80%的混合氣體)。“Y”形嗅覺儀連接方式如圖1所示,兩側臂流量控制為20 mL/min,嗅覺儀內填充濕度為20%的蛭石模擬蠐螬的生活環境。將試蟲從引蟲口引入(見圖1),用紗布將引蟲口封住,隔8 h檢查試蟲位置,試蟲超過側臂結合中點到達側臂5 cm處時,即認為對二氧化碳或對照氣體有選擇性;未達到側臂結合中點以上5 cm處的試蟲定為無選擇性。每頭幼蟲測試1次,為避免氣流、昆蟲印跡等的影響,每頭幼蟲試驗后更換新混拌的蛭石,每處理測試50頭蠐螬,各處理重復3次。

圖1 Y形嗅覺儀裝置結構Fig.1 Y-tube olfactometer

應用可拆卸“Y”形嗅覺儀(見圖2)對各蠐螬進行二氧化碳與花生植株的趨性反應比對試驗。單株花生培養于可拆卸“Y”形嗅覺儀側臂玻璃管B中,待進行試驗時將B管與A管以封口膜密封連接。在另一個側臂中通入二氧化碳其濃度取以上試驗各組引誘率最高值;試驗方法同上。

圖2 可拆卸Y形嗅覺儀結構Fig.2 Detachable Y-tube olfactometer

1.4 數據分析

室內行為測試數據采用SPSS 13.0軟件進行分析。采用χ2檢驗分析差異顯著性。引誘率的計算參照Ginzel和Hanks[16]的方法:

引誘率(%)=選擇處理臂蟲數/(選擇處理臂的蟲數+選擇對照臂的蟲數)×100。

2 結果與分析

2.1 三種蠐螬對不同濃度二氧化碳的趨性行為反應

暗黑鰓金龜幼蟲對7種濃度二氧化碳的選擇性如圖3。以空白為對照時,濃度在15%、5%和3%的二氧化碳對暗黑鰓金龜幼蟲的引誘效果較好,引誘率分別為73.73%、70.59%和63.64%,15% 二氧化碳處理與對照間的χ2值為22.313,5% 二氧化碳與對照間的χ2值為17.294,3%二氧化碳時的χ2值為9.818,差異性均極顯著(P<0.01)。當二氧化碳濃度增加至70%時,幼蟲忌避性顯著(P<0.05)。

圖3 暗黑鰓金龜幼蟲對不同濃度二氧化碳的行為反應Fig.3 Behavioral responses of Holotrichia parallela to CO2

銅綠麗金龜幼蟲對7種濃度二氧化碳的選擇性結果(圖4)顯示,以空白為對照時,只有1%濃度的二氧化碳對銅綠麗金龜幼蟲有較好的引誘效果,其引誘率為61.67%,對比對照的χ2值為6.533,差異顯著(P<0.05)。隨二氧化碳濃度增加,趨向性減弱,當二氧化碳濃度增加至30%～70%時,幼蟲均表現出忌避行為,對30%及50%的二氧化碳濃度忌避性顯著(P<0.05),當二氧化碳濃度達到70%時,忌避行為極顯著(P<0.01)。

圖4 銅綠麗金龜幼蟲對不同濃度二氧化碳的行為反應Fig.4 Behavioral responses of Anomala corpulenta to CO2

白星花金龜幼蟲對不同種濃度二氧化碳的選擇性有一定的差異,結果見圖5。以空白為對照時,二氧化碳濃度在3%和1%時對白星花金龜幼蟲的引誘效果較好,引誘率分別為64.13%和63.27%;3%濃度二氧化碳處理與對照間的χ2值為7.348,1%濃度時的χ2值為6.898,差異性均達到極顯著水平(P<0.01)。隨著二氧化碳濃度的增加,趨向行為下降,處理與對照之間表現出無顯著差異,但當二氧化碳到達70%時,幼蟲又表現出極顯著趨向性(P<0.01)。

圖5 白星花金龜幼蟲對不同濃度二氧化碳的行為反應Fig.5 Behavioral responses of Protaetia brevitarsis to CO2

2.2 三種蠐螬對花生植株的趨性行為反應

在花生植株與二氧化碳的對比環境條件下,觀測了3種蠐螬對兩者的趨性反應。其中,在對照臂,測試對暗黑鰓金龜幼蟲的引誘效果時,采用15%二氧化碳濃度(無花生植株時引誘率達73.74%);測試銅綠麗金龜幼蟲時采用的二氧化碳濃度為1%(引誘率為61.67%);測試白星花金龜幼蟲時采用的二氧化碳濃度為70%(引誘率為74.19%)。進行花生植株與二氧化碳對比觀測的結果如圖6所示,不同蠐螬皆對花生植株有明顯趨性,其中暗黑鰓金龜幼蟲對花生的趨向性顯著(P<0.05),趨向試蟲達到60.82%;花生植株對白星花金龜幼蟲和銅綠麗金龜幼蟲的引誘效果更好,引誘率分別為67.01%和69.70%,與對照差異性極顯著(P<0.01)。

圖6 三種蠐螬對花生植株及二氧化碳的行為反應Fig.6 Behavioral responses of different white grub to CO2 versus peanut plants

3 結論與討論

研究結果表明,不同蠐螬對一定濃度的二氧化碳有趨向性,且對相同濃度二氧化碳的反應不盡相同。銅綠麗金龜幼蟲和白星花金龜幼蟲在較低濃度二氧化碳(1%)時產生趨向反應,其不同在于,白星花金龜幼蟲在濃度升至70%時重新表現顯著趨向性,而銅綠麗金龜幼蟲則在濃度到達30%時就表現出忌避行為。暗黑鰓金龜幼蟲對二氧化碳的起始反應濃度偏高,即在3%～15%濃度范圍內產生極顯著的趨向性,低濃度下其適應范圍遠大于銅綠及白星花金龜幼蟲,直至二氧化碳濃度增加至70%才產生顯著的忌避行為。植物根系進行呼吸作用,在其根系周圍釋放二氧化碳,濃度約為1.6%[8],足以引起蠐螬的感知。以果針入土到根部周圍進行生長發育的花生莢,其呼吸強度遠高于根系,產生的二氧化碳更多[17],為蠐螬等昆蟲的寄主搜尋活動提供大量信號。因此可以看出,一些植食性和腐食性昆蟲以植物釋放二氧化碳所形成的濃度梯度作為尋找寄主的重要線索。植物的化學防御系統在其新生組織中含量較少,所以取食花生莢可減少植物防御系統對蠐螬的傷害[18]。二氧化碳能激發土壤昆蟲作定向反應,使昆蟲找到釋放二氧化碳的植物根系。植食性昆蟲中,取食譜較窄的昆蟲以寄主特異性次生代謝產物(氣味化合物)作為信號尋找寄主植物,而食性雜的昆蟲更多憑借植物普遍存在的初級化學信息物質[19]。暗黑鰓金龜幼蟲與銅綠麗金龜幼蟲皆為食性廣雜的害蟲,雖然同樣表現出對低濃度二氧化碳的趨向性,但其反應范圍存在差異,其原因還需進一步設計試驗來明確。作為腐食性害蟲代表的白星花金龜幼蟲,對高濃度二氧化碳產生的趨性是因為腐殖質經歷的礦化過程會釋放大量二氧化碳[20],說明腐食性蠐螬可通過高濃度二氧化碳的引導尋找寄主食物,而植食性的蠐螬并不具有這一特性。

在3種蠐螬對花生植株和二氧化碳比對趨性試驗中,花生植株對蠐螬的引誘效果皆顯著高于二氧化碳對其趨性行為的影響。這是因為花生根部進行的呼吸作用同樣釋放二氧化碳,同時花生根部也釋放揮發性氣味化合物等,從而減弱了對照處理的二氧化碳對蠐螬的吸引。本試驗的結果與Mario試驗結果一致,其作者認為二氧化碳緩釋膠囊在寄主根系背景環境要達到引誘昆蟲的作用就必須增加其吸引力,例如添加寄主植物分泌的揮發性化合物[11,21]。

目前國外關于二氧化碳對害蟲引誘研究和應用較為廣泛,例如針對地下害蟲玉米根螢葉甲、金針蟲、取食纖維類物質的白蟻等,這些翔實的研究思路和方法為我國進行地下害蟲的防控技術研究和應用提供了有益借鑒。我們的研究結果表明,不同的蠐螬種類對二氧化碳濃度有明顯的選擇性,特定的濃度具有較好的引誘效果,但在寄主植物根系環境下,二氧化碳的引誘效果受到一定的負面影響,這可能是因為植物(花生等)根部能分泌多種揮發性物質。由此可見,科學有效地提高二氧化碳對地下害蟲的防治效果、鑒定根部對蠐螬等具有引誘能力的氣味物質,以及其與二氧化碳相結合的方式,將是今后值得深入研究的重點問題。

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(責任編輯:田 喆)

Attractiveness of carbon dioxide to white grub (Coleoptera: Scarabaeoidea)

Zhang Xinxin1,2, Fang Chiqin1,2, Liu Dandan2, Innocent Nyamwasa2,Zhang Shuai2, Yin Jiao2, Cao Yazhong2, Yu Hongchun1, Li Kebin2

(1. College of Agriculture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;2. State Key Laboratory for Biology of Plant Disease and Insect Pests, Institute of Plant Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

This study aimed to provide new insights for underground pest control by analyzing the attractiveness of CO2to the white grub. Y-tube olfactometer tests were conducted to investigate taxis responses of white grub to different concentrations of CO2and the optimal concentration versus peanut plants. The results indicated that larvae are significantly attracted to CO2; the feeding habits influenced the attractiveness of CO2to phytophagous larvae ofH.parallela, which were more attracted to lower concentration in the range of 3%-15% CO2, and so did theAnomalacorpulentalarvae, in the range of 1%-3%, but 70% CO2could attractProtaetiabrevitarsislarvae as the saprophagous pests. However, CO2was a weak attractant to white grub larvae in the presence of peanut root systems.

white grub; CO2; taxis

2016-01-25

2016-03-14

國家自然科學基金(31371997)

S 477.9

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2016.06.006

* 通信作者 E-mail: hongcyu@126.com;kbli@ippcaas.cn