我國松樹蜂雌蟲的生殖潛力研究

劉曉博，任利利，石 娟*，駱有慶*

(1. 北京林業大學林木有害生物防治北京市重點實驗室，北京 100083； 2. 中法歐亞森林入侵生物聯合實驗室，北京林業大學和法國農科院，北京 100083)

松樹蜂SirexnoctilioF.屬膜翅目Hymenoptera樹蜂科Siricidae樹蜂屬Sirex,原產于歐洲和北非，在很多國家和地區是一種危害嚴重的入侵生物。自1900年入侵新西蘭以來，松樹蜂在全球不斷入侵新的地區并造成巨大經濟損失，1961年入侵澳大利亞、1980年入侵烏拉圭、1985年入侵阿根廷、1988年入侵巴西、1994年入侵南非、2001入侵智利、2004年入侵美國、2005年入侵加拿大(Hurleyetal., 2012; Lantschneretal., 2014)。在1946-1951年間，松樹蜂造成了新西蘭12萬ha松林中30%輻射松的死亡(Rawlings, 1955)。在澳大利亞南部，1987-1989年曾爆發松樹蜂危害，造成500萬樹木死亡，帶來了1 000～1 200萬澳元經濟損失(Haugen, 1990)。在巴西，松樹蜂入侵了3.5萬ha松林，預計每年造成 660萬美元的損失(Bedding and Iede, 2005)。南非的Eastern Cape和KwaZulu-Natal兩省也有3.5萬 ha松林受害，總共造成了3億美元的損失(Hurleyetal., 2007)。Yemshanov等人使用生態經濟學的方法估算了松樹蜂可能造成的損失，預計未來20年，松樹蜂在加拿大東部地區每年可能造成0.86～2.54億加幣的損失(Yemshanovetal., 2009)。近年松樹蜂也入侵到我國，在東北地區引起大量樟子松死亡，造成了巨大經濟損失(Lietal., 2015; Wangetal., 2017)。松樹蜂幼蟲蛀干危害，而成蟲攜帶的共生菌Amylostereumareolatum和毒素，可在產卵時同蟲卵一起注入樹干，導致寄主樹木衰弱和死亡(Coutts, 1969; Madden, 1988)。松樹蜂寄主廣泛，主要危害松屬植物，在高種群密度時或危害爆發時可危害健康樹木，是樹蜂科中唯一可以危害健康樹木的種類(Madden, 1975; Spradbery and Kirk, 1981; Bordeaux and Dean, 2012)。

松樹蜂的自然擴散能力強，目前估計每年入侵擴散速度為30～50 km(Haugenetal., 1990; Tribe and Cillie, 2004)。Evans對比了7種入侵北美的昆蟲擴散速度，包括舞毒蛾LymantriadisparL.、AdelgespiceaeRatz.、鐵杉球蚜AdelgestsugaeAnnand、松切梢小蠹TomicuspiniperdaL.、白蠟窄吉丁AgrilusplanipennisFairmaire、PyrrhaltaviburniPaykull、松樹蜂SirexnoctilioF.，其中松樹蜂的擴散速度(30.3 km/year)明顯高于除白蠟窄吉丁外的其他昆蟲擴散速度(4.2～16.5 km/year)(Evans, 2016)。溫度影響了松樹蜂種群擴散和定殖，這是由于氣溫影響松樹蜂的代謝率和活躍程度，更高的氣溫可能有助于提高松樹蜂的擴散速度和增加其擴散距離(Lantschneretal., 2014)。松樹蜂的擴散也常借助人為因素，有松樹蜂危害的木材或木材包裝在跨國、跨地區運輸中會造成松樹蜂的擴散傳播(Villacide and Corley, 2012；Carnegieetal., 2016)。目前有研究使用微衛星標記等方法探索松樹蜂的擴散路徑，使用Climax軟件進行預測松樹蜂的適宜分布區(Carnegieetal., 2006; Boissinetal., 2012; Bittneretal., 2017)。松樹蜂的生殖潛力取決于雌蟲的懷卵量，而懷卵量個體差異較大，一般認為松樹蜂雌蟲懷卵量平均在220粒左右(Ryan and Hurley, 2012)。Madden認為松樹蜂雌蟲懷卵量取決于個體大小，與前胸背板寬有關，統計了松樹蜂懷卵量在30粒到450粒不等，并提出了公式y = 28.8(52.5)x，其中y為雌蟲懷卵量(粒)，x為雌蟲前胸背板寬(cm)(Madden, 1974)。Zondag和Nuttall統計了新西蘭松樹蜂的懷卵量在50粒到500粒不等(Zondag and Nuttall, 1977)，Neumann和Minko記錄了澳大利亞維多利亞州松樹蜂的懷卵量在21粒到458粒不等，并根據統計的當地松樹蜂性比，推算出松樹蜂的生殖潛力為1頭松樹蜂雌蟲1年可以繁殖出53頭雌蟲，計算公式為RP=F×SR，其中RP為繁殖潛力(reproductive potential)，F是懷卵量，SR為雌蟲在群體中的比例(sex ratio)(Neumann and Minko, 1981)。松樹蜂的寄生性線蟲DeladenussiricidicolaBedding具有復雜的生命周期，在寄生周期時可以寄生松樹蜂幼蟲，在松樹蜂體內生長發育，直到侵入松樹蜂成蟲的卵巢并寄生卵，被寄生的卵無法發育成幼蟲，使松樹蜂絕育(Bedding, 2009)。Kroll等人認為被線蟲寄生的松樹蜂產卵量比健康松樹蜂產卵量平均少29粒，由于被線蟲寄生的松樹蜂個體較小，其懷卵量也比健康松樹蜂懷卵量較少(Krolletal., 2013)。近年來關于松樹蜂的生殖潛力研究較少，其生殖潛力的影響因素也無定論(Madden, 1974; Zondag and Nuttall, 1977; Neumann and Minko, 1981; Neumannetal., 1987)。松樹蜂在不同地區危害時，寄主范圍、氣候環境、天敵等條件均不同，其各地區種群的個體大小、生殖力、飛行能力、聚集性等因素也不同，因此不能直接沿用國外研究。為明確我國的松樹蜂生殖潛力，確定松樹蜂生殖潛力的影響因素，進行松樹蜂懷卵量和產卵量以及生殖潛力的研究是十分必要的。本文明確了我國松樹蜂的懷卵量與個體大小、線蟲寄生的關系，探索了松樹蜂產卵與外界環境的關系，以期為評估我國松樹蜂的繁殖潛力和種群擴散潛力提供依據，對評估松樹蜂危害有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源

試驗地點位于黑龍江省鶴崗市峻德林場，蟲源來自受害樟子松木段飼養羽化收集。2015年6月在鶴崗市峻德林場，在林間根據松樹蜂危害狀：針葉失綠枯萎、樹干上有淚滴狀流脂、有圓形羽化孔(Matthewetal., 2009; Xu, 2018)，選擇受松樹蜂危害的樟子松(直徑15～20 cm)，砍伐后截成1 m長木段，并用融化的石蠟封住截面，以減少水分蒸發。

在峻德林場設立3個戶外養蟲棚/籠(A，B，C)。其中戶外養蟲棚A(長×寬×高= 6 m×6 m×2 m)用于獲得蟲源，在戶外養蟲棚A內放入受松樹蜂危害的木段，待其自然羽化，每日早上6 ∶30收集羽化成蟲。戶外養蟲棚B(長×寬×高=6 m×6 m×2 m)用于觀察松樹蜂產卵行為，在棚中放入10段健康樟子松木段(直徑15～20 cm，長1 m)供松樹蜂產卵，使用TP-2200溫濕度記錄儀(北京安伏電子技術有限公司，中國；測量范圍溫度：-40～123.8℃，相對濕度：0～100%)記錄環境溫濕度。戶外養蟲籠C(長×寬×高= 1 m×1 m×1.5 m)用于跟蹤觀察不同產卵次數的松樹蜂，在籠中放入1段健康樟子松木段(直徑15～20 cm，長1 m)和樟子松帶針葉小枝，供松樹蜂產卵和休息。

1.2 不同個體大小松樹蜂的懷卵量

松樹蜂產卵行為一般發生在8 ∶00之后，交配行為一般發生在10 ∶00之后(劉曉博，未發表數據)。每日早上7 ∶00從養蟲棚A中收集未產卵且未交配的松樹蜂雌蟲，隨機選取35頭中等大小的健康雌蟲，放入-20℃冰箱冷凍10 min致死，然后使用游標卡尺測量前胸背板寬、前翅長、體長、產卵器長，使用電子天平測體重，并使用體視顯微鏡(Leica EZ4W)解剖，觀察檢測是否有線蟲Deladenussiricidicola寄生，并將卵從腹部取出，移置于培養皿上計數。

1.3 不同產卵次數松樹蜂的懷卵量

每日早上7 ∶00從養蟲棚A中收集未產卵且未交配的松樹蜂雌蟲，選取個體大小中等的松樹蜂雌蟲(前胸背板寬2.80～4.00 mm)，將其單獨置于戶外養蟲籠C中。每天7 ∶30-17 ∶30跟蹤觀察記錄松樹蜂的產卵次數，中午及晚上將松樹蜂放入空養蟲籠中，確保松樹蜂未在非觀察時間內產卵，連續觀察記錄3 d。將達到累計產卵5次、產卵10次、產卵15次、產卵20次和產卵25次的松樹蜂雌蟲取出，放入-20℃冰箱冷凍10 min致死后解剖，統計其懷卵量；另一方面，將戶外養蟲棚B中收集的在樟子松木段上產卵至死的松樹蜂雌蟲(有些松樹蜂在產卵過程中死亡，產卵器仍插在樹干上，此松樹蜂可以認為是產卵至死，其產卵次數未知)和早上在養蟲棚A中收集的未產卵松樹蜂雌蟲均放入-20℃冰箱冷凍10 min致死后解剖，統計其懷卵量。

1.4 環境溫度對松樹蜂產卵次數的影響

在戶外養蟲棚B中使用TP-2200溫濕度記錄儀記錄觀察時間段內的環境溫濕度。棚中放入松樹蜂雌蟲20頭、雄蟲70頭，每日從6 ∶30-17 ∶30分時段觀察統計松樹蜂雌蟲在樟子松不同木段上的產卵次數，方法為在產卵附近用記號筆標記，每隔3 min檢查是否有松樹蜂仍在產卵，記錄不同木段上的產卵起始時間和產卵次數。

1.5 數據分析

使用SPSS 24軟件(IBM公司，美國)進行數據分析，利用LSD多重比較對差異性顯著性進行分析。使用曲線估算篩選懷卵量和個體大小參數合適的擬合曲線，并進行回歸分析；通過獨立樣本t檢驗對比有無線蟲侵染的松樹蜂懷卵量的差異；通過Pearson相關分析研究環境溫度和松樹蜂產卵次數的關系。

2 結果與分析

2.1 松樹蜂懷卵量與個體大小的關系

共解剖未產卵松樹蜂雌蟲35頭，前胸背板寬范圍為2.41～4.51 mm。結果顯示，未產卵的松樹蜂雌蟲懷卵量在94～252粒，平均值為150.86粒。通過散點圖初步分析，松樹蜂懷卵量與松樹蜂個體大小呈指數關聯趨勢，進一步分別對松樹蜂的前胸背板寬、前翅長、體長、產卵器長和體重與懷卵量進行曲線估算，對比各模型回歸系數，其中前胸背板寬與懷卵量的決定系數最大，擬合效果最好，如圖1所示，其回歸方程y=29.42×1.57x，R2=0.85，其中y為松樹蜂懷卵量(粒)，x為松樹蜂前胸背板寬(mm)。

圖1 松樹蜂懷卵量和前胸背板寬的關系Fig.1 Relation between the egg content of Sirex notilio and the width of prothorax

2.2 松樹蜂懷卵量與線蟲侵染的關系

共解剖未交配未產卵的松樹蜂雌蟲35頭，有線蟲寄生22頭，無線蟲寄生13頭，無線蟲寄生松樹蜂懷卵量為161.46±12.69粒，有線蟲寄生的松樹蜂懷卵量為144.59±8.91粒。如圖2所示，有線蟲寄生的松樹蜂懷卵量略小于無線蟲寄生的松樹蜂懷卵量，但兩者差異不顯著(t=1.115，df=33，P=0.550)。

圖2 有線蟲寄生和無線蟲寄生的松樹蜂懷卵量比較Fig.2 Total number of eggs in parasitized and non-parasitized Sirex noctilio females

2.3 不同產卵次數松樹蜂懷卵量及松樹蜂繁殖潛力

共解剖不同產卵次數松樹蜂雌蟲54頭，其中無產卵的初羽化雌蟲10頭，產卵5次的雌蟲9頭，產卵10次的雌蟲7頭，產卵15次的雌蟲7頭，產卵20次的雌蟲7頭，產卵25次的雌蟲5頭，產卵至死的9頭。如圖3所示，未產卵的初羽化雌蟲懷卵量為147.80±10.22粒，產卵5次的松樹蜂懷卵量為130.89±6.86粒，產卵10次的松樹蜂懷卵量為112.57±5.05粒，產卵15次的松樹蜂懷卵量為88.57±7.32粒，產卵20次的松樹蜂懷卵量為68.86±5.59粒，產卵25次的松樹蜂懷卵量為59.40±4.43粒，產卵至死的松樹蜂懷卵量為50.22±5.46粒。經推算，松樹蜂產卵至死時可能已產卵30次左右，平均每次產卵3.25粒卵，松樹蜂單頭雌蟲一生平均產卵97.58粒卵。

圖3 不同產卵次數松樹蜂的懷卵量Fig.3 Fecundity of Sirex notilio in different oviposition frequency

2.4 環境溫濕度與松樹蜂產卵的關系

按日分時段統計了松樹蜂在樟子松不同木段上的產卵次數，如圖4所示，可以看出松樹蜂產卵有兩個高峰期，分別是9 ∶30-10 ∶30和13 ∶30-14 ∶30，而10 ∶30-13 ∶30產卵次數下降，其原因是這段時間為松樹蜂交配的高峰時期，產卵的松樹蜂減少。在觀察時間內，氣溫變化范圍為17.49～23.15℃，濕度范圍為85.42%～64.17%，松樹蜂在一天中不同時段的產卵次數和氣溫的Pearson相關系數為r=0.751，P=0.008，說明在溫度17.49～23.15℃范圍內，氣溫與松樹蜂產卵次數呈正相關；松樹蜂在一天中不同時段的產卵次數和濕度的Pearson相關系數為r=-0.739，P=0.009，說明在濕度85.42%～64.17%范圍內，環境濕度與松樹蜂產卵次數呈負相關。

圖4 松樹蜂在一天中不同時段的產卵次數與氣溫的關系Fig.4 Oviposition frequency of Sirex notilio with respect to temperature at different times of day

2.5 松樹蜂繁殖力評估

松樹蜂可營孤雌生殖，兩性生殖產雌蟲，孤雌生殖產雄蟲。以Neumann and Minko提出的松樹蜂繁殖力公式(1987)為依據，通過增加線蟲侵染率、幼蟲存活率等因素，改進后的松樹蜂繁殖力的公式為：

RP=(F-FD)×(1-IR)×LR×SR

其中RP為繁殖潛力(reproductive potential)，F為未產卵懷卵量(fecundity)，FD為至死時懷卵量(fecundity until death)，IR為線蟲侵染率(infection rate)，LR為幼蟲存活率(larvae survival rate)，SR為雌蟲在群體中占比(sex ratio)。

根據相關數據估算在適宜自然條件下松樹蜂的繁殖力。松樹蜂的平均懷卵量為147.80±10.22粒，至死懷卵量50.22±5.45粒，估計松樹蜂一生產卵97.58粒；黑龍江省鶴崗市松樹蜂雌雄性比為1 ∶ 2.4，雌蟲在群體中占比29.4%(劉曉博，未發表數據)；鶴崗市松樹蜂被線蟲侵染率在40%～70%，而線蟲侵染卵的比例在20%左右，幼蟲存活率與受到寄生蜂或真菌等侵染有關。根據木段解析統計老齡幼蟲存活率，估計幼蟲存活率在90%左右。根據繁殖力公式進行計算，松樹蜂的繁殖力為20.66，即1頭松樹蜂雌蟲1代可繁殖產生20.66頭雌蟲。

3 結論與討論

松樹蜂的懷卵量決定了其繁殖潛力，不同個體的懷卵量不同，一般認為體型大的個體懷卵量更多。Madden提出了松樹蜂雌蟲前胸背板寬和雌蟲懷卵量的回歸公式y=28.8(52.5)x，其中y是雌蟲懷卵量(粒)，x是雌蟲前胸背板寬(cm)(Madden, 1974)。與松樹蜂同屬的新渡戶樹蜂Sirexnitobei也有類似研究，Fukuda等人提出了新渡戶樹蜂體重寬和雌蟲懷卵量的回歸公式，Np=1.86W0.92，R2=0.94，其中Np為雌蟲懷卵量(粒)，W為雌蟲體重(Fukudaetal., 2008)。Haavik等人針對受線蟲侵染和無線蟲侵染的松樹蜂與前胸背板寬的關系分別提出了回歸方程，也根據總群體提出了回歸方程，eggs=69(±3) size-96(±10)，R2=0.75，eggs為松樹蜂懷卵量，size為前胸背板寬(mm)(Haaviketal., 2016)。Bittner認為松樹蜂在不同地區危害時，寄主范圍、聚集性、氣候環境耐受度和天敵等因素對松樹蜂的影響都可能存在差異(Bittneretal., 2017)。不同地區松樹蜂的繁殖力也會存在差異，本研究針對我國的松樹蜂進行了繁殖力研究。本研究結果顯示，未產卵的松樹蜂雌蟲懷卵量在94～252粒，平均值為150.86粒，這一范圍低于國外報道(Madden, 1974; Zondag and Nuttall, 1977; Neumannetal., 1987)。并提出了松樹蜂雌蟲前胸背板寬和雌蟲懷卵量的回歸公式，與Madden提出的公式相近，也確定了松樹蜂個體大小決定了其懷卵量，可以應用本研究提出的公式進行松樹蜂懷卵量估算，這對于預測松樹蜂種群增長有重要意義。

本研究對比了有線蟲寄生和無線蟲寄生松樹蜂的懷卵量，發現有線蟲寄生的松樹蜂懷卵量略小于無線蟲寄生的松樹蜂懷卵量，但兩者差異不顯著，線蟲寄生對松樹蜂懷卵量的影響未達到顯著水平。Haavik等人的研究也支持相同觀點，其研究表明受線蟲寄生的松樹蜂和Sirexnigricornis懷卵量比其各自健康個體的懷卵量均略低，但差異不顯著(Haaviketal., 2016)。線蟲寄生對松樹蜂懷卵量的影響可能是由于線蟲會影響寄主代謝，對松樹蜂個體大小產生影響，進一步影響懷卵量，但是這一效應較難量化研究。然而，不論是否有線蟲寄生，個體大小都會限制松樹蜂壽命、生殖潛力和擴散能力(Madden, 1974; Villacide and Corley, 2008; Bruzzoneetal., 2009)。線蟲寄生對松樹蜂懷卵量影響不顯著，但是線蟲寄生會影響松樹蜂的生殖潛力和擴散能力，原因是被線蟲寄生的卵，其內部結構全部被線蟲破壞，無法孵化成為幼蟲，同時被線蟲寄生的松樹蜂通過產卵行為幫助線蟲進行了傳播和擴散。

本研究明確了松樹蜂單頭雌蟲一生的產卵數量及產卵次數。Haavik等人調查顯示，75%的松樹蜂雌蟲死亡前懷卵量低于最初懷卵量的25%，接近一半的雌蟲死亡前懷卵量為0(Haaviketal., 2016)。由于個體大小和懷卵量相關，本研究選取個體大小中等的松樹蜂進行實驗，對比不同產卵次數松樹蜂的懷卵量。結果顯示未見懷卵量為0的個體，松樹蜂死亡前最小懷卵量為19粒，平均懷卵量為50.22粒，同時推算出松樹蜂產卵至死時的產卵次數在30次左右，松樹蜂單頭雌蟲一生平均產卵97.58粒。松樹蜂在死亡前并不會把所有卵產完，這可能是受到壽命或必須代謝物質的限制。松樹蜂產卵鉆蛀是非常耗能的過程，消耗自身脂肪游離糖、糖原、脂類物質等，并且其羽化后不補充營養，因此由于產卵消耗，導致壽命降低，死亡前并不會把所有的卵產完。

溫度是影響昆蟲生長發育和繁殖的重要因素，溫度脅迫對昆蟲繁殖的影響一直是昆蟲和環境關系的研究熱點(Jiangetal., 2015)。溫度脅迫會導致昆蟲產卵量減少、卵孵化率降低、產卵歷期改變、性比變化等。溫度影響昆蟲的能量代謝，一定范圍內，隨溫度升高，代謝提升，產卵次數可能會更多(Ziegler and Antwerpen, 2006)；但當溫度達到一定程度時，能量代謝的酶可能受到抑制，由此對產卵量和產卵頻率產生影響(Krebs and Holbrook, 2001)，這可能是造成松樹蜂在午間(10 ∶30-12 ∶30)產卵次數下降的原因之一。松樹蜂交配的高峰期主要在11 ∶00-13 ∶00之間，10 ∶30-12 ∶30時間段有一定數量的松樹蜂雌蟲進行交配而未進行產卵，這也是造成松樹蜂在午間產卵次數下降的原因之一。除了10 ∶30-12 ∶30時間段，松樹蜂產卵次數均隨溫度升高、濕度降低而增多，隨溫度下降、濕度增加而減少。在觀察條件下溫濕度范圍內，松樹蜂產卵次數和環境溫度和濕度存在強相關性。

本研究統計了松樹蜂在不同樟子松木段上的產卵次數，體現的是松樹蜂群體在一天中觀察時段內，產卵次數的節律。總體上，在一天之內，松樹蜂隨著溫度的升高而產卵次數增多，隨著溫度下降而產卵次數減少。溫度與松樹蜂產卵次數的相關性，是由于溫度影響了昆蟲體內的能量代謝水平和激素水平(Jiangetal., 2015)。

Neumann和Minko提出的繁殖力公式是基于松樹蜂各階段均無死亡的前提，而自然條件下，松樹蜂繁殖力受到卵成活率、幼蟲成活率、成蟲成活率等各種因素的影響，因此實際繁殖力要低于其估算的值(Ryan and Hurley, 2012)。本研究根據Neumann和Minko提出的松樹蜂繁殖力公式進行了改進，考慮了松樹蜂并未把所有的卵產出，同時補充了線蟲侵染和幼蟲存活率對繁殖力的影響，結合本研究調查數據，進行了針對我國松樹蜂的繁殖力估算，得出松樹蜂的繁殖力為20.66，即1頭松樹蜂雌蟲1代可繁殖產生20.66頭雌蟲。值得注意的是，松樹蜂線蟲侵染率在各地區不同，幼蟲存活率也受到很多天敵和環境因素的影響，因此不同情況下松樹蜂的繁殖力可能會發生變化，可采用當地調查數據，再使用繁殖力公式來進行估算。

本研究明確了松樹蜂一生產卵次數和產卵量，確定了環境溫濕度與其產卵繁殖存在相關性，研究了松樹蜂的繁殖力與個體大小、線蟲寄生的關系，并進行了我國松樹蜂繁殖力估算，為評估松樹蜂危害、預測松樹蜂種群擴散和制定松樹蜂防控措施提供了重要參考。