高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲生理指標的響應

楊 眉， 孫富余， 李志強， 劉欣宇， 于鳳泉

[1.遼寧省農業科學院植物保護研究所，遼寧沈陽 110161； 2.中國農業大學有機循環研究院(蘇州)，江蘇蘇州215100]

溫度是影響昆蟲生長發育、繁殖及分布的重要環境因素之一，同時也會誘發昆蟲體內的生理反應[1]。高于昆蟲生存的最佳溫度將引起生物體的熱應激反應，在熱應激反應下，昆蟲體內會產生過量的活性氧(ROS)，這將對昆蟲造成氧化損傷[2]。為應對ROS可能造成的損傷，生物體已經進化出了復雜的ROS清除保護機制，其中最關鍵組成部分即抗氧化酶[3]，主要的抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)[4]。SOD能夠將ROS催化為H2O2和O2，隨后H2O2將被CAT和POD轉化為H2O和O2，進而解除ROS對生物體可能產生的危害[5]。同時，當遭遇高溫時，昆蟲采用降低自身含水量的方式來降低體表及體內溫度，從而降低高溫的傷害[6]。昆蟲體內的脂肪和糖原在遭遇高溫時，也會起到保護體內細胞物質并調整代謝的作用。

二化螟[Chilosuppressalis(Walker)]屬鱗翅目螟蛾科，是對我國水稻危害最為嚴重的常發性害蟲之一，在我國各稻作區均有分布，其中長江流域及以南的稻作區發生尤為嚴重[7]。二化螟幼蟲對溫度的適應性較強，其幼蟲在10～40 ℃的溫度條件下均可在一定程度上進行發育，最適宜的發育溫度在27 ℃左右[8-9]。隨著全球氣候變暖，雙季稻種植區的范圍正在以每年200 m的速度逐步向北擴大[10]，而南方稻作區的極端溫度也頻頻發生，夏季的最高氣溫常出現超過40 ℃的現象[11]。當前，關于低溫環境對二化螟幼蟲生長發育的影響已經有較多報道[12-14]，針對高溫環境對二化螟幼蟲影響的報道大多關注于發生、生長繁殖、熱應激蛋白及基因表達方向[15-17]，而關于高溫脅迫對于二化螟幼蟲體內相關生理指標的研究卻未見專門的詳細報道。

本研究測定了二化螟在高溫脅迫下體內SOD、CAT、POD的活性變化以及水分、脂肪、總糖的含量變化，進而明確二化螟幼蟲對極端高溫環境的適應性，為研究該害蟲的生態適應性評價及對其分布擴張趨勢分析提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究于2021年在遼寧省農業科學院植物保護研究所進行。供試二化螟蟲源于遼寧省東港市新興區土房北村水稻田采集，置于恒溫光照培養箱中用水稻植株繼代飼養，溫度設定為28 ℃，每日光照時間16 h、黑暗時間8 h，保持所飼養的種群數不少于2 000頭。待新一代二化螟卵孵化后，參照GB/T 15792—2009《水稻二化螟測報調查規范》中的規定將二化螟幼蟲進行分齡[18]，每個齡期選取200頭幼蟲作為供試樣本，并及時將當時齡期的幼蟲分布置于27、30、33、36、39、42 ℃的條件下處理 4 h，每個處理進行4次重復，每個重復50頭。根據幼蟲可否協調運動作為判斷活蟲鑒別的標準，將活蟲置于液氮速凍后保存于-80 ℃備用。

1.2 測定項目與方法

采用烘干法(60 ℃，48 h)測定二化螟幼蟲的含水量；采用索氏抽提法[19]測定二化螟幼蟲的脂肪含量；采用蒽酮法[20]測定二化螟幼蟲的總糖含量；采用分光光度法[21]測定二化螟幼蟲SOD、CAT及POD的活性。

1.3 數據處理

利用Excel 2019軟件對原始數據進行統計；利用DPS 13.5軟件對試驗數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的含水量

水分是昆蟲體內各種生化反應與代謝的溶質，當溫度上升時，昆蟲會通過調節自身含水量來應對高溫造成的損害[22]。由圖1可知，在適宜二化螟幼蟲生長發育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的含水量明顯高于高齡幼蟲。隨著溫度的提升，各齡幼蟲的含水量呈明顯下降趨勢，在相同的溫度下，低齡幼蟲的含水量呈現出高于高齡幼蟲的態勢。當溫度為42 ℃時，1～6齡幼蟲的含水量相對于28 ℃時分別下降了14.13%、14.98%、14.23%、14.23%、13.70%和16.21%。

2.2 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的脂肪含量

溫度升高導致的熱應激反應將會影響昆蟲體內的脂肪含量[23]。由圖2可知，在適宜二化螟幼蟲生長發育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的脂肪含量明顯低于高齡幼蟲。隨著溫度的提升，各齡幼蟲的脂肪含量呈先上升后下降的趨勢。當溫度≤33 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的脂肪含量呈明顯上升趨勢；當溫度高于33 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的脂肪含量呈明顯下降趨勢。溫度為33 ℃時，各齡期幼蟲的脂肪含量均達到最高水平，相對于28 ℃時分別提升了10.94%、9.34%、7.32%、11.60%、10.50%和11.91%；當溫度為42 ℃時，各齡期幼蟲的脂肪含量分別下降了33.75%、33.46%、28.98%、30.51%、25.74%和27.06%。

2.3 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的總糖含量

糖分能夠在惡劣的環境條件下保護昆蟲體內的蛋白質分子，維持昆蟲的生命過程[23]。由圖3可知，在適宜二化螟幼蟲生長發育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的總糖含量明顯高于高齡幼蟲。隨著溫度的升高，各齡幼蟲的總糖含量呈先上升后下降趨勢。當溫度≤36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的總糖含量呈明顯上升趨勢；當溫度>36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的總糖含量呈明顯下降趨勢。溫度為36 ℃時，各齡期幼蟲的總糖含量均達到最高水平，相對于28 ℃時分別提升了22.24%、15.05%、25.93%、39.93%、63.62%和79.21%；當溫度為42 ℃時，各齡期幼蟲的總糖含量分別下降了30.17%、31.49%、27.45%、41.07%、45.51%和40.28%。

2.4 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的SOD活性

由圖4可知，在適宜二化螟幼蟲生長發育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的SOD活性明顯低于高齡幼蟲。隨著溫度的提升，各齡幼蟲的SOD活性呈先上升后下降趨勢。當溫度≤36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的SOD活性呈明顯上升趨勢；當溫度>36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的SOD活性呈明顯下降趨勢。溫度為36 ℃時，各齡期幼蟲的SOD活性均達到最高水平，相對于28 ℃時分別提升了121.40%、46.97%、61.16%、33.22%、65.49%和54.62%；當溫度為42 ℃時，各齡期幼蟲的SOD活性分別下降了38.01%、15.00%、5.69%、36.34%、10.26%和18.05%。

2.5 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的CAT活性

由圖5可知，在適宜二化螟幼蟲生長發育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的CAT活性明顯低于高齡幼蟲。隨著溫度的提升，各齡幼蟲的CAT活性呈先上升后下降趨勢。當溫度≤36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的CAT活性呈明顯上升趨勢；當溫度>36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的CAT活性呈明顯下降趨勢。溫度為36 ℃時，各齡期幼蟲的CAT活性均達到最高水平，相對于28 ℃時分別提升了82.09%、84.76%、84.19%、93.29%、79.70%和88.39%； 當溫度為42 ℃時，各齡期幼蟲的CAT活性相對于36 ℃時有所下降，但仍高于 28 ℃ 時的CAT活性，分別升高了23.69%、15.38%、46.07%、28.30%、45.28%和55.77%。

2.6 高溫脅迫下二化螟不同齡期幼蟲的POD活性

由圖6可知，在適宜二化螟幼蟲生長發育的溫度(28 ℃)下，低齡幼蟲的POD活性明顯低于高齡幼蟲。隨著溫度的提升，各齡幼蟲的POD活性呈先上升后下降的趨勢。當溫度≤36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的POD活性呈明顯上升趨勢；當溫度>36 ℃時，隨著溫度的上升，各齡期幼蟲的POD活性呈明顯下降趨勢。溫度為36 ℃時，各齡期幼蟲的POD活性均達到最高水平，相對于28 ℃時分別提升了45.13%、72.78%、83.53%、89.86%、73.59%和74.18%；溫度為42 ℃時，各齡期幼蟲的POD活性相對于 28 ℃ 時有所下降，分別降低了25.44%、24.62%、3.59%、3.18%、1.52%和3.70%。

3 討論與結論

二化螟是我國稻作區危害最為嚴重的農業害蟲之一，隨著全球氣候變暖的日益加劇，二化螟的分布、發生及生長發育等都將發生一系列變化。當前關于溫度對二化螟影響的研究大多集中在低溫對其生長的影響，強承魁等的研究表明，在低溫脅迫下，二化螟體內的水分、脂肪及總糖含量等生理指標均顯現出了明顯的變化以應對低溫對自身造成的損害[12]。關于高溫脅迫對昆蟲生理的影響，崔娟等證明了篩豆龜蝽成蟲通過提升體內抗氧化酶的活性、總抗氧化能力以應對高溫環境[24]。目前關于二化螟幼蟲在高溫脅迫環境下的響應機制研究報道尚缺少。本研究發現，在幼蟲含水量方面，二化螟幼蟲的含水量同樣隨著溫度的上升而下降，且在同等高溫環境下，高齡幼蟲的含水量普遍高于低齡幼蟲，這表明二化螟幼蟲會采取降低自身含水量的方式來應對出現的高溫環境。本研究同時發現，二化螟幼蟲的脂肪和總糖含量在高溫環境下均呈現先上升后下降的趨勢，這是因為溫度變化引發了昆蟲體內脂肪與糖分的合成與消耗。與本研究結果有所不同的是，陳紅松研究發現，廣聚螢葉甲經40～44 ℃的持續高溫脅迫后，體內脂肪和糖的含量隨溫度的升高呈先降低后升高趨勢[25]，這可能是與選擇的試驗溫度有關。

高溫脅迫通常會引起昆蟲幼蟲體內ROS過量產生，SOD、CAT及POD在清除幼蟲體內過量ROS的過程中有著不可或缺的作用。本研究發現，隨著溫度的上升，二化螟幼蟲體內的3種抗氧化酶的活性均呈現先上升后下降的趨勢，其中的關鍵溫度為36 ℃，當溫度高于36 ℃時，3種抗氧化酶活性均開始呈現下降趨勢，這說明二化螟幼蟲對高溫環境脅迫的耐受性有一定的范圍，在一定的范圍內，3種抗氧化酶的活性將提高以清除ROS造成的危害，但超過這一范圍后，3種抗氧化酶的活性將受到抑制。李志明等研究發現，椰心葉甲嚙小蜂體內CAT、POD活性與溫度呈現先上升后下降的趨勢[26]，本研究結果與之一致。SOD、CAT及POD在生物抵抗外界脅迫時通常表現為協同作用，正如本研究的結果表明，同一齡期幼蟲處于同一高溫脅迫時，SOD的活性表現為最高，其次為POD，CAT的活性最低，說明在抵抗環境高溫所造成的氧化脅迫時，3種抗氧化酶的貢獻率為SOD>POD>CAT。

本研究中，二化螟幼蟲通過調節自身含水量、脂肪含量、總糖含量以及3種抗氧化酶的活性來應對熱脅迫所產生的危害，進而對環境高溫產生一定的適應性。從研究結果來看，高溫對二化螟低齡幼蟲會產生一定的不利影響，但對中高齡幼蟲的不利影響有限。