光照節律及強度對黑水虻成蟲行為及繁殖能力的影響

◆作者：周海泳阮明君李楚君陳柏宇李浩倫李昌鵬朱劍鋒張 蕓胡文鋒＊

◆單位：1.深圳市海量農產品投資有限公司；2.華南農業大學食品學院；3.廣州無兩生物科技有限公司；4.生物源生物技術（深圳）股份有限公司；5.中山大學生命科學學院

黑水虻，也稱為亮斑扁角水虻（Hermetia Illucens L.），是一種雙翅目水虻科的昆蟲，起源于南美洲。在我國，黑水虻主要分布在廣東、廣西、海南、云南、福建、湖南和湖北等地區（安新城等，2007）。黑水虻具有繁殖能力強，轉化率高等特點，能分解禽畜糞便、餐廚垃圾及動物尸體等有機垃圾（BONDARI等，1987）；其幼蟲含豐富的蛋白質、脂肪等營養物質，可用于開發飼料蛋白、飼料油脂（李天昊等，2017），具有廣闊的市場前景和社會效益。目前，國內外對黑水虻的研究主要在黑水虻養殖、有機垃圾的生物降解及資源化利用方面，關于光照對黑水虻成蟲繁殖影響的內容較少。

光照是昆蟲賴以生存的重要因素，大部分昆蟲都具有趨光性。趨光性是昆蟲通過視覺器官中的感光細胞對特定范圍內的光譜產生感應，并做出定向活動的現象。趨光性對采食、交配和產卵等活動起到重要作用（邊磊等，2012）。研究表明，黑水虻成蟲的繁殖行為受光照影響，不同光照環境下活躍度也不同（Holmes等，2017）。白天光照強度與其交配活躍度顯著相關，當陽光強度低于63μmol/(m2·s)，黑水虻的繁殖活躍度較低，甚至沒有進行交配；當光照強度達到200μmol/（m2·s）時，75%成蟲會進行交配，而在冬季正午陽光充足的時段，黑水虻成蟲的活躍度及繁殖情況明顯加；黃苓等（2008）指出，當陽光光照強度7800 lux以上時，成蟲活躍度高并進行產卵行為。

節律常常對昆蟲的生理和行為造成很大的影響，如孵化、羽化、交配、產卵等。Qiu等（1996）發現，改變光照周期會導致Period基因的mRNA表達相位發生變化，短光照周期條件下（8 h光照∶16 h黑暗），Period基因的mRNA峰值提前；長光照周期條件下（16 h光照∶8 h黑暗），Period基因的mRNA峰值推遲，進而改變果蠅的晝夜節律。黑水虻成蟲的繁殖活動也具有生物節律，太陽光下照射，交配主要集中在上午時段（黃苓，2008）；Kim等（2008）發現，黑水虻成蟲在羽化后第2天開始交配，并在第3天活躍性最高，且交配行為主要發生在10:00～16:00，因為這一時間段光照強度總體最大。

光照強度和節律影響黑水虻成蟲的交配情況及產卵量。目前，黑水虻繁殖生產主要通過太陽光對其交配產卵進行補光促進（Tomberlin等，2009）。自然條件下，太陽光照強度和節律缺乏穩定性和均勻度，無法保障黑水虻蟲卵的穩定供應。現階段國內外關于光照對黑水虻繁殖力影響的探究還比較少。鑒于此，本試驗旨在通過研究光照強度和光照節律等因素對黑水虻成蟲行為及繁殖能力的影響，用于促進黑水虻成蟲在黑暗條件下的活躍度及繁殖能力，從而為黑水虻成蟲繁殖提供參考，促進行業的發展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黑水虻蟲卵、蟲蛹、成蟲，均由廣州無兩生物科技有限公司提供。

試驗器材包括碘鎢燈，產卵板（15×5×2cm），養蟲籠（50cm3，25 cm3），電子溫度計，光照強度測量儀，攝像頭，電子稱，遮光布，一次性飯盒，小網袋，錐形瓶、溫濕度計、培養箱、烘箱、定時開關。

試驗開始前，在孵化室內密切觀察蟲蛹，在成蟲破蛹（羽化）后24h內分開雌雄飼養，蜂蜜水飼養一天，在48～72h內完成挑選轉移（即實驗采用3日齡成蟲）。

1.2 不同光照強度對黑水虻成蟲飛行及交配行為的影響

將9個養蟲籠（25 cm3）分配在碘鎢燈的照射范圍內，分成3組，每組3個養蟲籠。光照強度測量儀放在籠子里面測量光強，分成3000、500、110 lux三個光照強度，組內籠子光照強度保持基本一致。在每個養蟲籠左側距離養蟲籠2 m處放置攝像頭。每個籠子中部氣溫相近，放入3日齡成蟲5對。碘鎢燈照射時間為9：00～18：00，同時打開錄像裝置。實驗進行3天，期間每8h噴一次水。在所得視頻中以每5min為一段按照平均時間間隔抽取5個視頻觀察統計黑水虻成蟲的飛行次數以及嘗試交尾次數。

飛行數指黑水虻成蟲離開籠子底部或側面，在空中飛行的數目（可以是同一成蟲多次飛行，也可是不同成蟲的飛行）；嘗試交尾數指雄蟲和雌蟲嘗試交尾的次數（每一對成蟲交尾記為1次），若成蟲在空中嘗試交尾，則記錄為交尾數，而不記錄為飛行數。

1.3 光照節律對黑水虻成蟲行為及繁殖能力的影響

1.3.1 光照節律對黑水虻成蟲活躍性的影響

將裝有定時開關的碘鎢燈置于養蟲籠（50 cm×50 cm×50 cm）正上方，對養蟲籠進行遮光處理，并確保每個養蟲籠所受光照強度相同。實驗設計5種光照節律（L表示光照的小時數；D表示遮光黑暗處理的小時數）：L:D=6L∶18D，L∶D=12L∶12D，L∶D=18L∶6D，L∶D=24L∶0D，L∶D∶L∶D=6L∶6D∶6L∶:6D。分別在五種養蟲籠中放入25對3日齡黑水虻成蟲，按照其光照節律開關碘鎢燈光源，利用攝像頭記錄成蟲飛行數和交尾數，持續觀察3天。實驗重復3次。

1.3.2 光照節律對黑水虻成蟲產卵的影響

稱取同一批次黑水虻蟲蛹50 g，分別在5個不同光照節律對應的養蟲籠中放入10 g蟲蛹和產卵板。待黑水虻羽化成蟲，按照養蟲籠不同的光照節律開關碘鎢燈光源，光照四天后，每天定期更換產卵板，收集成蟲所產蟲卵，記錄數據。實驗持續15天，至黑水虻成蟲死亡結束，統計每種養蟲籠中成蟲雄雌數目。實驗重復3次。

1.4 數據統計及分析

數據用Excel整理試驗數據，SPSS 24.0進行數據分析處理，數據在進行相應的統計分析前需要采用Shapiro-Wilk test檢驗變量是否符合正態分布規律，對于符合正態分布的變量可直接使用單因素方差分析進行差異性檢驗，并用Turkey's法進行多重比較，并進行方差同質性檢驗。對于不符合正態分布的變量用非參數檢驗分析，結果用“平均值±標準誤”表示，并進行多重比較。P＜0.05表明差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同光照強度碘鎢燈光照對黑水虻成蟲行為和繁殖能力的影響

由圖1可知，在同一時段，黑水虻成蟲的飛行次數和交尾次數隨著光照強度的減弱呈下降趨勢，且總體上差異顯著（P＜0.05）。光照強度為3000 lux時成蟲飛行數最大，為60.07±10.26，光照強度為110 lux時成蟲飛行數最小，為19.31±3.39，兩者差異顯著（P=0.001）。而光照強度500 lux時成蟲飛行次數為33.00±5.18，與上述兩組差異不顯著（P＞0.05）。黑水虻成蟲交尾數情況與飛行數情況相同，光照強度為3000 lux時成蟲交尾數最大，為13.93±2.64，光照強度為110 lux時成蟲交尾數最小，為3.29±0.87，兩者差異顯著（P=0.001）。而光照強度500 lux時成蟲交尾次數為6.36±1.38，上述兩組差異不顯著（P＞0.05）。

由圖2所示，在不同的時間段，黑水虻成蟲的活動程度不同，總體上黑水虻上午時間段比下午更加活躍，飛行次數以及嘗試交尾次數的分配在時間段上差異顯著（P＜0.001，P=0.002）。黑水虻在第一天上午的飛行次數（32.60±4.291）與第二天上午的飛行次數（28.82±3.611）差異不顯著（P＞0.05），二者均大于下午飛行次數（15.00±2.772），（P≤0.005）。第一天上午的嘗試交尾次數（6.93±1.171）與第二天上午嘗試交尾次數（4.69±0.763）差異不顯著（P＞0.05），二者均大于下午的嘗試交尾次數（2.7±0.643）（P≤0.005）。

在固定的光照強度和時間段下，開燈后每隔5 min記錄一次時間點。從圖3中可以看出，黑水虻的飛行次數以及嘗試交尾次數在所測的時間點上呈現依次遞減的趨勢，且兩者總體上均差異顯著（P＜0.001）。5 min時，黑水虻成蟲在飛行次數上最大（50.52±5.742），25 min時，飛行次數上最小（11.33±3.711），（P＜0.001）。黑水虻的飛行次數各相鄰時間點之間差異不顯著（P＞0.05），其余組間比較差異顯著（P＜0.05）。同樣，在5 min時，黑水虻嘗試交尾次數上最大（11.78±1.520），20 min時，嘗試交尾次數最小（1.52±0.487），P＜0.001。黑水虻的嘗試交尾次數各相鄰時間點之間差異不顯著（P＞0.05），其余組間差異顯著（P＜0.05）。

2.2 不同光照節律對黑水虻成蟲活動的影響分析

由圖4可知，光照節律分別為6L∶18D和12L∶12D的黑水虻成蟲飛行數最多，分別為29.83±6.58和29.50±8.67，光照節律為6L∶6D∶6L∶6D的最少，僅為13.00±2.27，但不同光照節律對黑水虻成蟲飛行次數的影響差異不顯著（P＞0.05）。而光照節律對于黑水虻成蟲交尾數的影響，光照節律6L∶18D的黑水虻成蟲交尾數最多，為20.83±4.90，光照節律18L:6D次之，為19.67±5.50，而光照節律6L∶:6D∶6L∶6D成蟲交尾數最少，僅為7.67±1.98，但不同光照節律對黑水虻成蟲交尾次數的影響差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 同一時段不同光照強度對黑水虻成蟲飛行次及交尾數的影響

圖2 時間段與黑水虻飛行次數及嘗試交尾次數關系圖

2.3 不同光照節律對黑水虻成蟲產卵的影響分析

該階段實驗考慮到每組重復實驗過程中可能受潛在環境因素的影響，且每組黑水虻成蟲雄雌比例不相等，根據每組黑水虻成蟲雄雌的實際對數，將產卵量按比例統一折算為50對黑水虻成蟲產卵量。由于試驗種群所在地自然光照節律一般為12L:12D，以光照節律12L∶12D組為基準，折算不同光照節律黑水虻成蟲的相對產卵量，利用成蟲相對產卵量進行對比分析。

由圖5可知，光照節律為12L∶12D的黑水虻成蟲相對產卵量最低，光照節律18L∶6D成蟲相對產卵量最大，為1.134±0.20，但各光照節律組間差異均不顯著（P＞0.05），說明光照節律對黑水虻成蟲產卵量影響不顯著。

圖3 時間與黑水虻飛行次數及嘗試交尾次數關系圖

圖4 不同光照節律對黑水虻成蟲飛行數及交尾數的影響

圖5 不同光照節律對黑水虻成蟲相對產卵量的影響

3 討論

3.1 不同光照強度碘鎢燈光照對黑水虻成蟲行為和繁殖能力的影響

本試驗采用羽化后24～48h內的黑水虻成蟲，結果顯示，黑水虻的飛行次數及嘗試交尾次數出現隨著光強增大而上升的趨勢，且差異性顯著。得出結論，黑水虻成蟲的活躍度在高光強下要比低光強下高，與Tomberlin（2002）的研究結果一致。張光全（2007）表明，當光照強度為1～1500 lux時，小蠹雌成蟲的起飛量隨光照強度的增加而增加，且在1500 lux時起飛量達最大，而超過1500 lux時，起飛蟲量又逐漸減少；瓜實蠅成蟲在2400 lux下開始進行飛行活動，飛行的群體數量隨著光照強度的升高而增強，最適飛行活動的光照為9600 lux，但當光照強度高于12000 lux時，對其飛行行為有抑制作用，活躍成蟲的數量隨著光照強度的升高而降低（崔志富，2016）。

研究表明，陽光是影響交配的至關重要因素。太陽光照射下，黑水虻的日交配量可達70對以上（黃苓，2008）。本實驗是利用室內燈光對黑水虻進行光照照射，且上午與下午的燈光環境一致。結果顯示，上午時段黑水虻的飛行次數及嘗試交尾次數比在下午時段更多更活躍，且主要集中在上午時段。黃苓等指出，85%的交配都發生在上午時段。早上8:30，當光照強度達到70μmol/（m2·s），黑水虻開始交配；140μmol/（m2·s）時，達交配高峰期；下午13:00之后，幾乎沒有出現交配現象，即使光強達到200μmol/（m2·s）。據此可推測，黑水虻成蟲的活躍度除了與光照強度有關，還與生物節律、生活習性等相關。

3.2 不同光照節律對黑水虻成蟲活動的影響分析

光照節律是昆蟲乃至多種生物用于預測季節及氣候變化的信號之一，在過往的研究中均有關于光照節律對昆蟲生理和行為的影響。涂小云等（2013）研究發現，光照節律周期分別為14L∶10D、16L∶8D、18L∶6D、20L∶4D、22L∶2D時，對毛健夜蛾成蟲的總交配率或暗期交配率均有顯著性差異，而交配起始時間及高峰時段會隨斷光時間的延后而推后；韓桂彪等（2000）將棗粘蟲成蟲從光照周期為14L∶10D的環境中轉移至0L∶24D時，表現出明顯的生物節律，但將其轉移至24L∶0D的光周期環境時，其交配行為變得不活潑且不規則。

本試驗中用飛行數和嘗試交尾數作為黑水虻成蟲活躍程度的指標，此時黑水虻處于求偶交配階段，所以這些活躍程度的指標也部分反映了黑水虻交配階段受光照節律影響的情況。本實驗設置了5個光照節律組，最后實驗結果表明，各組飛行數和嘗試交尾數均差異不顯著。

本試驗中，黑水虻在上午時間段里的飛行數和嘗試交尾數比下午時間段更多，但同一時間段的不同光照節律活躍程度沒有顯著差異。推測黑水虻成蟲可能存在某些我們未知的生物機制，可以感受時間的變化，且對成蟲活躍程度的調控受光照節律的影響小，與果蠅體內的miR-279可通過調節JAK／STAT途徑類似。黑水虻成蟲的生命周期較短（9～14天），為了能順利繁衍后代，可能存在另外一種生物機制，以克服生命周期短、求偶不成功等困難。而生物的活動是要消耗能量的，越活躍，消耗的能量就越多，更易死亡（Makkar等，2014）。根據試驗過程的粗略統計，不同光照節律組之間，成蟲的存活時間沒有明顯差異，即使是6L:18D組和24L:0D組，其每天成蟲死亡率與其他組也大致相同，推測與黑水虻成蟲的生命周期有關。Holmes等研究發現，光照時長顯著影響黑水虻幼蟲到羽化階段的生長發育。該研究設置了3個光照節律組：0L∶24D，8L∶16D，12L∶12D，所有幼蟲均能羽化，而12L:12D組所需時間最短；同時，比較從卵中孵化到成蟲的生命歷程所需時間，0L∶24D組需要的時間最長。結合本試驗的結果，推測光照節律對黑水虻的影響在成蟲階段之前比較顯著，而對成蟲影響差異不顯著。

3.3 不同光照節律對黑水虻成蟲產卵的影響分析

張方平等（2009）研究了光照節律對斑翅食蚧蚜小蜂的影響，結果表明，產卵量在長光照條件（16L:8D）時最多，短光照條件（10L:14D）時最少，差異顯著；湯玉清等（1993）研究了荔蝽卵平腹小蜂在5個光照節律（24L∶0D、18L∶6D、12L∶12D、6L∶18D和0L∶24D）下的日產卵情況，結果表明，在5個光照節律之間，平腹小蜂日產卵量沒有顯著差異，在無光照條件下也可以正常產卵，但在一天中不同時間的產卵數有顯著差異。本試驗的相對產卵量是以12L∶12D組的產卵量為基準1，將各組的總產卵量進行轉換得到各組間相對產卵量，雖然其他4組的相對產卵量大于1，但各組間差異不顯著。光照節律可能通過加速或延遲動物性腺的成熟，如縮短光照可誘發美洲紅點鮭性腺提前成熟，延長繁殖期（Peter等，1979），從而增加產卵量。有研究表明光照節律影響生殖細胞的輸送，如斜紋夜蛾雄蟲精子的輸送會受到光照節律的影響，當處于24L∶0D或0L∶24D的環境時，斜紋夜蛾雄蟲體內精子的形成和輸送會受到抑制（Seth等，2002），嚴重影響交配和產卵。

4 結論

綜上所述，在黑水虻生存環境穩定前提下，在光照強度3000 lux范圍內，隨著強度增大，黑水虻的生長繁殖活動及產卵量增加；在設置的5個光照節律中，成蟲在的活躍程度和相對產卵量均無顯著差異。后續將進一步探究光照節律與光照強度等因素的交互作用對于黑水虻的影響，并合理控制，促進黑水虻的繁殖活動。