基于銣元素標記技術分析多異瓢蟲在甘草帶與棉田間的遷移范圍

薛正軒,蔡志平,張智健,彭天祥,黃志偉,黃恩澤,王佩玲,陸宴輝

(1.石河子大學農學院/新疆綠洲農業病蟲害治理與植保資源利用重點實驗室,新疆石河子 832003;2.中國農業科學院植物保護研究所/植物病蟲害綜合治理國家重點實驗室,北京 100193)

0 引 言

【研究意義】棲息地管理是害蟲管理的重要策略[1,2],通常選擇一些特定非農作物功能植物種在田地的邊緣。由于田邊植物條帶是相對受干擾較小的區域,能提供對天敵種群至關重要的資源[3,4],并能增強天敵種群的數量[4,5]。明確天敵在半自然棲息地與作物之間轉移行為[6,7],對保護和利用自然天敵、調控棉田控害的防治策略有重要意義。【前人研究進展】研究昆蟲轉移擴散的方法有很多,包括DNA標記技術[8-10]、熒光標記[11]、花粉標記[12]、同位素標記和微量元素標記技術[13,14]等。其中銣(Rb)元素標記技術逐漸成為廣泛應用的一種標記方式[15]。銣元素在自然環境中含量極低,化學性質和鉀元素相似,在植物體內易吸收傳導,可通過食物鏈轉移到植食性害蟲和天敵昆蟲體內[16,17]。目前,銣元素標記技術在研究昆蟲遷移擴散和半自然棲息地的選擇[18,19]以及取食[20]等行為方面變得尤為重要[21,22]。【本研究切入點】多異瓢蟲Hippodamiavariegate作為新疆棉田中棉蚜Aphisgossypii的主要捕食性天敵,對棉蚜控制起到主要作用[23]。作物周邊種植功能植物帶可以增加作物中天敵的豐度[24,25],呂昭智等[26]發現在甘草Glycyrrhizauralensis上寄生的棉黑蚜Aphisatrata能為許多天敵提供替代獵物。課題組前期研究時在棉花苗期發現甘草上涵養了大量的多異瓢蟲,可能作為多異瓢蟲主要的源庫為棉田輸送天敵,從而抑制棉蚜的危害。需采用銣元素標記技術,探索多異瓢蟲在甘草與棉田之間的轉移范圍。【擬解決的關鍵問題】研究銣元素標記獵物后在多異瓢蟲成蟲體內的滯留期,分析其在甘草帶和棉田中的銣元素檢出率,以及多異瓢蟲在甘草與棉田之間的轉移范圍,為豐富銣元素標記技術在昆蟲生態學研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

室內試驗:多異瓢蟲成蟲來源于中國農科院廊坊科研中試基地,取1日齡成蟲試驗,棉蚜以棉花為寄主單獨飼養。多異瓢蟲和棉蚜均于石河子大學人工氣候室進行飼養,溫度為(28±2)℃, 光照L∶ D=14∶ 10、濕度 (65±5)%。

田間試驗:多異瓢蟲的成蟲均采自石河子大學試驗場樣地。

試劑:99.9%氯化銣(Rubidium chloride, RbCl)、1 000 μg/mL 銣標液(Rubidium, Rb)、65%硝酸(Nitric acid, HNO3)、30%過氧化氫(Hydrogen peroxide, H2O2)。

儀器:電子分析天平(JA2003N)、消解儀(EHD-24)、電熱鼓風干燥箱(WGL-230B)、全自動微波消解萃取儀(型號CEM MARS X)、等離子體發射光譜儀(型號ICAP6300)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

田間試驗于在2021年6～8月在新疆石河子市石河子大學試驗場(E 85°57′24″,N 44°19′39″)3個樣地進行。供試區是我國棉花主產區,屬暖溫帶大陸季風性氣候,年平均氣溫7℃,年平均降雨量211 mm。采用隨機完全區組設計,各地塊相距1～3 km。棉田面積平均為7 hm2(范圍在5.3～8 hm2)。供試棉花品系為早熟陸地棉新陸早系列,種植模式為1膜6行(行距 60 cm,株距 12 cm,膜寬為 205 cm)。試驗地面積為600 m2(20 m × 30 m),3次重復。常規管理,不使用任何殺蟲劑。

甘草帶均為棉田邊處于花期天然甘草帶,與試驗棉田相距約1 m。通過人為處理,保留長約20 m,寬約1.5 m,面積為(30 ± 2) m2,重復3次。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 自然背景下的銣元素含量

每次采集試驗片區內多異瓢蟲成蟲檢測銣元素,如含有則取單只含量最大值為基準值,反之,則取0為基準值。在噴施RbCl溶液前1 d取成蟲20頭(1只/1.5 mL離心管)保存作為對照,編號并置于-20℃冰箱中保存待測。

1.2.2.2 取食標記獵物后多異瓢蟲成蟲體內銣元素含量變化

取盆栽棉株2盆放在規格為80目60 cm × 60 cm × 60 cm(長×寬×高)的罩籠內并分別接入(200±20)頭棉蚜,以噴霧方式將 2 000 μg/mL 的 RbCl 溶液均勻地噴灑于罩籠內棉花及棉蚜蟲體上,1 h后每個籠子分別接入饑餓48 h的多異瓢蟲40頭。取食48 h后清除所有棉蚜并替換新棉株,補充新棉蚜接到棉株上(每天補充棉蚜(200±20)頭/棉株,不噴施 RbCl 溶液)。于噴施后第1、3、5、7、9、11、13、15 d取樣。每次取10頭成蟲單頭放入 1.5 mL 離心管中,編號并置于-20℃冰箱中保存待測。

1.2.2.3 成蟲在棉蚜發生不同時期不同距離下的銣元素標記

2021年6～8月,在棉蚜發生早期(6月23日)和棉蚜快速生長期(7月8日)利用銣元素標記技術標記處理。采用噴霧方式將 2 000 μg/mL 的 RbCl 溶液均勻地噴灑在有蚜蟲和瓢蟲活動的甘草植株上,用水量為1L/15m2;噴施后第 3 d分別在甘草上和距甘草條 0～15 m、16～30 m、31～50 m、51～100 m 處棉田中隨機采集多異瓢蟲成蟲10 頭;單頭放入 1.5 mL 離心管中,編號并置于-20℃冰箱中保存待測,3次重復。

1.2.2.4 銣元素

將多異瓢蟲成蟲單頭放入 20 mL 坩堝中在酒精噴燈上進行炭化;將炭化的蟲體放入消解罐,加入HNO34 mL 和H2O20.5 mL,放入微波消解儀中進行消解,設置消解溫度和時間為130℃ 10 min、150℃ 5 min 和180℃ 15 min,待消解罐內溫度降至室溫時,取出消解罐并打開放入消解儀操作臺進行趕酸;待剩余2～3 mL時取出消解罐待冷卻至室溫,再加入部分去離子水以防止蒸發。最后將其移至 5 mL 容量瓶,用去離子水定容至 5 mL 待測。將 1 000 μg/mL 的RbCl 標準溶液用去離子水逐級稀釋配制成 0.5、1、2、4 μg/mL 的標準樣品,制作不同濃度標準曲線(相關系數R>0.995)。將處理好的樣品利用原子吸收分光光度計測定Rb含量,每個樣品重復測3次。

1.3 數據處理

檢出率(%)= (檢測出Rb個體數/樣本總個體數)×100%。

采用 Excel 2010 和 SPSS20 軟件處理數據,Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 自然背景下多異瓢蟲體內的銣元素含量

研究表明,自然背景下未噴施RbCl溶液的多異瓢蟲成蟲和幼蟲,Rb含量均大于去離子水,且不同時期測得不同。表1

表1 多異瓢蟲自然背景下銣(Rb)含量

2.2 銣元素在多異瓢蟲成蟲體內隨時間的變化

研究表明,RbCl 溶液噴到棉株及蚜蟲上,瓢蟲由于取食棉蚜從而使體內獲得銣元素。多異瓢蟲取食標記棉蚜后的第1 d已檢測出被標記的銣元素含量并快速升高,在第3 d達到峰值。隨著時間推移,多異成蟲體內的 銣元素 含量逐漸下降。到第15 d,多異瓢蟲成蟲體內的銣元素含量已經接近第1 d檢測時的含量,并且趨于背景下的水平值。銣元素在多異瓢蟲體內滯留期一般在15 d左右。圖1

圖1 標記銣元素在多異瓢蟲

注:數據為平均值 ± 標準誤差

2.3 棉蚜發生不同時期甘草上多異瓢蟲的銣元素檢出率

研究表明,處于花期的甘草上成蟲的銣元素檢出率在棉蚜發生早期(6月23日)均高于棉蚜快速生長期(7月8日)。6月23日苗期棉花還未出現大量棉蚜,密度約為13頭/百株,而在7月8日棉蚜密度達到1 250頭/百株,棉花進入花鈴期使得更多的多異瓢蟲向棉田遷移尋覓獵物。圖2

2.4 棉蚜發生不同時期棉田中多異瓢蟲的銣元素檢出率

研究表明,棉蚜發生早期(6月23日)和快速生長期(7月8日)中成蟲銣元素檢出率沒有表現規律性的距離效應,其在50～100 m銣元素檢出率最低,而棉田中距離甘草條0～5 m和31～50m相對較高于16～30 m和51～100 m,且31～100 m中棉田銣元素檢出率水平保持相對穩定。在整個棉田中,棉蚜快速生長期(7月8日)的成蟲銣元素檢出率是棉蚜發生早期(6月23日)的1.2倍。圖3

注:數據為平均值 ± 標準誤差,成蟲的銣元素檢出率

3 討 論

3.1 自然界中昆蟲體內銣元素含量

目前,銣元素標記法作為研究昆蟲遷移和擴散的一種有效手段已經被廣泛應用[27]。雖然銣元素在自然界含量極低[28],但不能忽略其在自然背景中的水平值。應用銣元素標記技術之前,先測試試驗區域內昆蟲體內銣元素的自然背景水平,確保標記含量超出其自然水平,防止由于背景昆蟲體內銣元素含量與銣元素標記后的含量相似而引起誤差[29]。蔡志平等[16]在自然背景區中對異色瓢蟲和中華通草蛉檢測均未檢出。通過對試驗區域和人工飼養的多異瓢蟲的銣元素含量的測試,發現含量要比去離子水中的銣元素含量高。進行下一步試驗時,需將自然背景昆蟲體內銣元素含量減去,才能得到標記后的真實水平值。研究發現,來自不同地點的多異瓢蟲體內均含有微量的銣元素。

3.2 銣元素在多異瓢蟲體內的滯留

銣元素標記可以由生產者經初級消費者傳遞到次級消費者再到天敵昆蟲得到標記[27]。研究發現多異瓢蟲第3 d時體內銣元素含量較高,與蔡志平[18]等利用銣元素標記異色瓢蟲后第3 d測量銣元素含量處于高水平相符。銣元素含量在多異瓢蟲體內隨著時間而降低,可能是由于一系列的生理行為有關,不僅包括取食、排泄和產卵[30],并且有研究發現未標記的棉鈴蟲雌蛾與銣元素標記的棉鈴蟲雄蛾交配后,雄蛾也能將銣元素標記傳遞給雌蛾[31]。多異瓢蟲體內的銣元素含量的減少會受到多種因素的影響。

3.3 多異瓢蟲在甘草與棉田間的轉移

由于銣元素可以被植物的葉片或者根部所吸收[28],在田間將RbCl溶液噴到有蚜蟲的葉片上。一般利用微量元素進行標記,應選擇使用不影響昆蟲生長發育和繁殖的種類及濃度[32]。李國平等[31]研究發現高于10 000 μg/mL RbCl使棉鈴蟲幼蟲存活率顯著降低,標記濃度不應大于 4 000 μg/mL。宋國晶等[33]標記在田間標記兩種盲蝽最適合的濃度為 2 000和 4 000 μg/mL,與蔡志平等[16]采用2 000 μg/mL RbCl溶液標記異色瓢蟲相似。根據蟲體大小及狀態選擇2 000 μg/mL標記,沒有發現對多異瓢蟲產生不良影響。

在棉蚜發生早期和快速生長期時,由于甘草上的棉黑蚜的種群逐漸減少,甘草上的多異瓢蟲會轉向棉田中的蚜蟲進行捕食。一般捕食性天敵異色瓢蟲在6～7月高溫天氣,平均1 d可遷移 1～2 km[34]。與研究結果相似,成蟲在百米距離尺度上不存在明顯的差異。而多異瓢蟲的幼蟲由于不像成蟲具有飛行能力,所以遷移的距離有限,始終保持在5 m。在大田應用時,一般需要大量待標記昆蟲,標記后田間釋放,再回捕研究其遷移情況而試驗沒有人為大量釋放被標記瓢蟲,由此被標記及回捕蟲體的數量很少,因此在明確自然條件下多異瓢蟲在棉田與甘草間的轉移規律上有一定欠缺。

4 結 論

銣元素在多異瓢蟲體內滯留期一般在15 d左右,銣元素標記技術可以在田間有效的跟蹤多異瓢蟲成蟲和幼蟲的遷移。棉田邊甘草草帶上的多異瓢蟲會轉移到棉田中。成蟲的遷移范圍主要集中在0～50 m的區域。