微光環境下草地貪夜蛾的顏色視覺行為反應

蔣月麗, 楊小凡, 黃求應, 李 彤, 梅詩瓊, 魯傳濤*, 武予清*

(1.河南省農業科學院植物保護研究所, 河南省農作物病蟲害防治重點實驗室, 農業農村部華北南部有害生物治理重點實驗室, 鄭州 450002; 2.河北省農林科學院植物保護研究所, 保定 071000; 3.華中農業大學植物科學技術學院, 武漢 430070)

昆蟲在尋找寄主、定位、取食、求偶及產卵等行為過程中,視覺發揮著巨大作用[1-6]。大多數昆蟲種類尤其日出型昆蟲具有良好的顏色視覺辨別能力。比如,蜜蜂、蝴蝶等能夠利用顏色信號快速、準確地定位到不同顏色的花朵,取食、采集花粉和花蜜[7-8];一些日出型昆蟲種類對不同顏色粘蟲板的趨性存在差異,且對不同顏色表現出不同程度偏好性的行為反應[9-14]。Bullas-Appleton等[15]發現馬鈴薯小綠葉蟬Empoascafabae對化學氣味的刺激反應不明顯,在寄主尋找過程中視覺作用遠大于嗅覺,對光譜上綠光波段刺激有明顯的偏好,對藍色和黃色波譜刺激有避光反應。

一般認為,由于夜間微光環境的限制,多數夜出型昆蟲與人類一樣只能看到目標物的灰色影子,無法識別顏色。事實上,夜間自然環境中的顏色信息和白天一樣豐富多彩,差異明顯,可以強烈刺激某些夜出型昆蟲的顏色視覺[16]。比如,夜出型蛾類昆蟲可以感知特定光譜范圍的光刺激,表現出不同程度的趨性[17-18];在產卵過程中其對特定顏色表現出強烈偏好性[19-21],但是夜出型昆蟲微光視覺的概念并未明確定義。Kelber等[22]首次提出夜出型昆蟲和日出型昆蟲一樣具有強大的顏色視覺能力,在其取食、產卵等行為活動中起著至關重要的作用。研究發現紅天蛾Deilephilaelpenor能在昏暗的夜晚準確分辨花朵顏色,經過訓練、學習,即使星光條件下(0.000 1 cd/m2)仍能在一系列灰色中識別出藍色和黃色,進而覓食,其選擇準確率高達80%以上。同等條件下,人類則無微光識別顏色能力。目前,利用昆蟲顏色視覺的光反應特性,研發的燈光和色板誘驅技術,已成為農林害蟲綠色防控的重要措施之一,深入研究昆蟲光色視覺及其行為特別是夜間微光環境下的顏色視覺反應具有重要的理論意義和應用價值。

草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda隸屬鱗翅目Lepidoptera夜蛾科Noctuidae灰翅夜蛾屬Spodoptera,是聯合國糧農組織全球預警的重大遷飛性農業害蟲之一,尤其近幾年來在全球各國迅速蔓延,已成為熱點害蟲之一。目前,對草地貪夜蛾的研究,主要涉及生物學習性、預警技術、遷飛規律、化學生態學及分子生物學等方面，而關于顏色視覺的研究甚少,草地貪夜蛾屬夜出型昆蟲,是否與大多數夜出型蛾類昆蟲一樣,能夠在微光環境下識別顏色、定位寄主、取食、交配和產卵等生物學活動,這些尚不清楚。因此,本研究通過室內行為學測試,研究了微光環境下(光亮度為0.004 3 cd/m2)草地貪夜蛾對5種顏色卡紙的行為響應,試圖為進一步揭示草地貪夜蛾微光視覺的行為機理提供理論基礎,也為利用其顏色視覺進行物理防控提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試昆蟲

草地貪夜蛾蟲源采自河南省信陽市(114.09°E, 32.15°N)玉米田(品種為‘鄭單958’,常規管理),在溫度(25±1)℃、相對濕度(70±10)%,光周期L∥D=14 h∥10 h條件下飼養至第5代。幼蟲用玉米葉在養蟲籠(長×寬×高=30 cm ×30 cm ×30 cm)內飼養至老熟幼蟲,將老熟幼蟲放入裝有蛭石的保鮮盒(20 cm×10 cm×10 cm)內。蛹期鑒定雌雄后,分別于養蟲籠內羽化(產卵試驗的雌雄試蟲混養),成蟲每天飼喂10%蔗糖水。選擇健壯活潑的3～5日齡雌雄成蟲供試。

1.2 主要試驗器材

光照培養箱(RXM-358B),寧波江南儀器廠;光纖光譜儀(Avantes AvaSpec-ULS3648),購于北京愛萬提斯科技有限公司;監控攝像設備(螢石EZVIZ),購于杭州?？低晹底旨夹g股份有限公司;輻照計(FZ-A),北京師范大學光電儀器廠生產;5種顏色的彩色卡紙:紫色、藍色、綠色、黃色和紅色(包括了長波和短波的常規顏色,光譜值如表1所示),得力集團有限公司生產;養蟲籠(100目塑料網紗,長×寬×高=90 cm×90 cm×90 cm),塑料杯(直徑10 cm,高6 cm),亞克力長方形透明盒(長×寬×高=30 cm×30 cm×40 cm),亞克力圓管(直徑20 cm,長度20 cm,兩端未封口),一次性培養皿(直徑6 cm)。

表1 不同顏色卡紙的波長峰值

1.3 試驗方法

1.3.1不同顏色卡紙對草地貪夜蛾成蟲的引誘效果

試驗在暗室中進行,溫度(25±1)℃,相對濕度(70±10)%,光亮度為0.004 3 cd/m2。養蟲籠放入暗室內,塑料杯分別用5種顏色卡紙包裹嚴實,杯內裝入半杯水(用于捕捉趨色落入杯中的試蟲),隨機放入養蟲籠的4個角和中間,每日隨機調換位置。每日18:00將3～5日齡草地貪夜蛾雌雄成蟲各30頭放入養蟲籠,次日早上8:00統計每個杯中的草地貪夜蛾雌雄成蟲數量。連續測試7 d,用過的試蟲不重復使用。

誘集率 = 某種顏色杯子中的成蟲數量/試蟲總數×100%。

1.3.2顏色對草地貪夜蛾成蟲取食行為的影響

試驗條件同上。5個培養皿(直徑6 cm)均充滿瓊脂,上面分別覆蓋等徑的5種顏色圓形卡紙,將盛有10%蔗糖水的離心管插入皿中央。此后,將5個培養皿同樣放入亞克力透明盒中的4個角和正中心位置,每日隨機調換位置。每日18:00 將3～5日齡草地貪夜蛾雌雄成蟲各5頭放入盒中,用監控錄像設備記錄草地貪夜蛾成蟲取食蔗糖水的情況(1頭成蟲每取食1次記為1蟲次),至次日6:00止。連續測試7 d,統計其在不同顏色卡紙中取食蔗糖水的蟲次。

1.3.3顏色對草地貪夜蛾成蟲產卵選擇性的影響

試驗條件同上。以白色卡紙為參比色,將1種彩色卡紙和白色卡紙(長×寬=20 cm×10.47 cm)各3塊等面積間隔貼在亞克力圓管(直徑20 cm,長20 cm)內壁上,管內放入健壯3日齡成蟲10對,飼以浸透10%蔗糖水的脫脂棉,圓管兩開口端內用塑料膜(塑料膜上扎數個小孔以透氣)外用紗網罩封。每處理各4次重復,每天調查產卵情況,直到產卵結束。產卵選擇率 = 某種顏色卡紙上的落卵量/總落卵量×100%。

1.4 數據統計與分析

利用Excel進行數據整理分析,作圖。百分比數據經反正弦轉換,用SPSS 19.0軟件進行統計分析。不同顏色處理間進行單因素方差分析(one-way ANOVA),并采用Tukey法檢驗處理間差異顯著性;雌雄成蟲之間的差異顯著性采用t測驗。

2 結果與分析

2.1 5種顏色卡紙對草地貪夜蛾成蟲的引誘效果

不同顏色卡紙對草地貪夜蛾成蟲的誘集效果存在差異(雌:df=4,F=10.028,P<0.001;雄:df=4,F=6.851,P<0.001)其中,藍色和紫色對草地貪夜蛾雌雄成蟲誘集效果最佳,雌雄蟲對不同顏色的選擇率分別為:藍色21.43%和18.57%,紫色17.13%和15.70%,顯著高于綠色、黃色和紅色(P<0.05),而藍色和紫色之間差異不顯著。每種顏色對雌雄成蟲的誘集量無顯著差異(P>0.05)。

圖1 5種顏色卡紙對草地貪夜蛾成蟲的誘集效果

2.2 5種顏色卡紙對草地貪夜蛾成蟲取食偏好性的影響

紫色、紅色、藍色、綠色、黃色處理組草地貪夜蛾取食選擇蟲次依次為12、9.4、8.87、8.73蟲次和8.4蟲次(圖2)。5種顏色處理之間無顯著差異(P>0.05),表明5種顏色對草地貪夜蛾雌雄成蟲取食無顯著影響。

圖2 5種顏色處理下草地貪夜蛾成蟲取食選擇蟲次

2.3 5種顏色卡紙對草地貪夜蛾產卵選擇性的影響

2.3.1草地貪夜蛾對5種顏色卡紙的產卵選擇率

5種顏色對草地貪夜蛾產卵選擇性存在顯著影響(df=4,F=4.844,P<0.05),以白色作為參比色,各顏色卡紙的產卵選擇率依次為黃色(40.27%)>綠色(40.17%)>紫色(26.10%)>藍色(24.51%)>紅色(17.38%),其中對黃色和綠色卡紙的選擇率顯著高于紫色、藍色和紅色,而黃色和綠色之間差異不顯著(P>0.05)。表明草地貪夜蛾產卵偏嗜黃色和綠色。

2.3.25種顏色環境下各介質的落卵量及卵總量差異性分析

不同顏色處理組,各介質上的草地貪夜蛾落卵量及總落卵量結果(圖4)顯示,以白色作為參比時,5種顏色卡紙上的落卵量存在顯著差異(df=4,F=4.017,P<0.05);各顏色卡紙的落卵量依次為:黃色(1 411.33粒)>綠色(1 101.33粒)>紫色(917.67粒)>藍色(780.83粒)>紅色(681粒),在黃色卡紙上的落卵總量顯著高于紫色、紅色和藍色(P<0.05),紅色紙上落卵量最少。白紙、塑料膜上的落卵量以及落卵總量在不同處理間無顯著差異(P>0.05)。

圖3 草地貪夜蛾對5種顏色卡紙的產卵選擇率

圖4 5種顏色處理中草地貪夜蛾在各介質上的落卵量及卵總量

對同種顏色處理組中不同介質上的落卵量進行的差異顯著性分析,結果發現,除黃色處理中黃色卡紙、白紙和塑料膜3種介質之間的落卵量無顯著差異外,其他4種顏色處理組中不同介質上的落卵量均存在顯著差異(紫色:df=2,F=4.224,P<0.05;藍色:df=2,F=5.006,P<0.05;綠色:df=2,F=13.203,P<0.05;紅色:df=2,F=13.203,P<0.05);其中,綠色處理組中綠色卡紙和白紙上的落卵量顯著高于塑料膜的,但綠色卡紙和白紙二者之間無顯著差異(P>0.05);在紫色、藍色和紅色處理組,白紙上的落卵量顯著高于色卡紙和塑料膜上的,而色卡紙與塑料膜上落卵量之間無顯著差異。

3 結論與討論

眾所周知,夜晚微弱光線下人類不能識別顏色,但是昆蟲有著強大的微光視覺(dim-light vision)能力[22]。研究發現,蛾類和蜣螂等夜出型昆蟲的微光視覺能力卓越,能在夜間或低光照強度下清晰、準確地獲取顏色、大小、偏振光和運動狀態等有效的視覺信息,呈現和日出型昆蟲相似的視覺行為活動[9,22-25]。楊小凡等[19]認為,微光視覺是指光照強度低于0.3 lx(0.020 7 cd/m2)的微光條件下能夠保持良好或較好視覺的能力。本研究測試了光照強度0.004 3 cd/m2的條件下,草地貪夜蛾對不同顏色刺激的行為響應,結果表明,與大多數夜行性動物一樣,草地貪夜蛾具有較強的微光顏色視覺能力。

本研究顯示,微光環境下草地貪夜蛾成蟲能夠辨別不同的顏色,對紫色和藍色表現出明顯的趨向性,其對紫色的偏好特性與Mitchell等[26]的研究結論一致。目前,利用顏色誘捕日出型昆蟲的研究報道較多,但微光環境下利用顏色誘捕夜出型蛾類害蟲的研究甚少(或未見報道)。蔣月麗[13]研究發現,藍色誘盆與性信息素結合對梨小食心蟲Grapholitamolesta引誘作用略高于其他顏色;李傳仁等[27]研究了無化學誘劑的條件下,粉紅、藍和綠色3種誘盆對棉田昆蟲的誘集效果,結果發現藍色誘盆對棉鈴蟲Helicoverpaarmigera和銀紋夜蛾Plusiaagnatastaudinger具有較好的誘集效果,與本研究草地貪夜蛾對藍色趨性明顯的結論類似。這些結論至少部分說明夜蛾類害蟲在夜間微光活動過程中對藍色刺激較敏感,由此可利用此特性提高蛾類害蟲的監測和防控效率,亦可將自發光的燈具和信息素結合,最大程度地提升誘集效果。

胡璞[28]研究發現棉鈴蟲夜間訪花時明顯偏好藍色和黃色的花;煙草天蛾Manducasexta在夜間訪花過程中也先天偏好藍色,但是訓練后其偏好顏色會改變[29]。本研究發現,在5種顏色的趨向試驗中,草地貪夜蛾明顯偏好藍色和紫色,但在取食測試中卻無明顯的顏色偏好,表明在該蛾取食過程中嗅覺信號可能占主導地位,具體原因有待進一步深入研究。

視覺線索在昆蟲尋找產卵場所的過程中起著重要的作用[30]。夜蛾類昆蟲在產卵過程中對不同顏色的基質表現出不同程度的偏好性,如黏蟲Mythimnaseparata雌蛾偏好在黃褐色紙張上產卵,其產卵量和產卵次數明顯高于綠色紙張上[20];梨小食心蟲在產卵過程中明顯偏好黃色和綠色基質[32];蘋果蠹蛾Cydiapomonella明顯偏嗜粉紅色,其產卵選擇率和產卵量明顯高于其他顏色[21]。本研究發現,以白色作為參比色,在5種顏色中,草地貪夜蛾成蟲在產卵過程中明顯偏好黃色和綠色,其產卵選擇率顯著高于紫色、藍色和紅色,該結論與楊小凡等[19]對梨小食心蟲的研究結論一致。顏色對不同介(基)質落卵量和落卵總量的影響分析發現,5種不同顏色環境下的白紙、塑料膜上的產卵量及產卵總量之間無顯著性差異,說明不同顏色的刺激不會引起該環境下某種介質上產卵量和產卵總量的變化。但在同種顏色不同介質之間的落卵量不盡相同,黃色組,3種介質之間落卵量無顯著差異;綠色處理組,綠色卡紙和白紙上的落卵量明顯高于塑料膜上的;在紫色、藍色和紅色處理組,均是白紙上落卵量顯著高于色卡紙和塑料膜上的,色卡紙和塑料膜之間無顯著差異。這些結果進一步說明,草地貪夜蛾成蟲產卵偏嗜黃色和綠色。關于參比色(白紙)介入上述5種顏色環境后草地貪夜蛾產卵介質選擇性發生變化的影響因素,還有待更深入的研究。

綜上所述,微光環境下,5種不同顏色的卡紙對草地貪夜蛾成蟲趨向、取食及產卵活動各有不同的影響,在趨向過程中明顯趨向藍色和紫色,在產卵過程中明顯偏好黃色和綠色,而在取食過程中沒有明顯的顏色偏好,這些不同的影響特性,說明草地貪夜蛾成蟲的微光視覺行為響應可能存在復雜的環境誘因及內在的行為動機,甚至兩者兼而有之,具體原因有待于更深層次的系統研究。該研究在理論上豐富了昆蟲微光視覺生態學理論,也為深入研究草地貪夜蛾顏色視覺行為機理提供了基礎,應用上為利用昆蟲顏色視覺研發草地貪夜蛾物理防控措施提供了科學依據。