異色瓢蟲越冬聚集行為對其能量代謝的影響

趙 靜，李曉莉，許永玉，王 甦

(1.濰坊科技學(xué)院，山東壽光 262700;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院，山東泰安 271018;3.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物保護環(huán)境保護研究所，北京 100089)

在很多種類的昆蟲中，聚集行為的發(fā)生是一種很常見的現(xiàn)象。有文獻報道的具有聚集行為的非社會性節(jié)肢動物達124個屬(Wertheim et al.，2005)，其中昆蟲115 屬，例如瓢蟲和蝴蝶等以成蟲越冬的昆蟲在越冬期間會發(fā)生聚集行為。每年秋天成千上萬的君主斑蝶Danaus plexippus 群集性遷飛至其固定地點越冬。越冬期間有的瓢蟲呈小規(guī)模的聚集，如幾只到幾十只;而有些瓢蟲聚集規(guī)模很大，如美國的會聚長足瓢蟲Hippodamia convergens 最大的聚集群體可達幾千萬只。昆蟲的聚集行為能夠?qū)θ后w中的許多動態(tài)過程產(chǎn)生影響，如增強抵御天敵的效果(Hatle ＆ Salazar，2001)、減少水分損失(Yoder et al.，2002)、增強繁殖力(Wells et al.，1990)等。對于昆蟲來說，這種行為所產(chǎn)生的群體效應(yīng)(Group effect)，具有極其重要的意義(Glass et al.，1998)，是昆蟲抵御逆境、提高生存能力的一種生態(tài)對策(Clark ＆ Faeth，1997)。

異色瓢蟲Harmonia axyridis(Pallas)屬鞘翅目瓢蟲科，對蚜蟲、葉螨、介殼蟲等重要害蟲具有很強的捕食能力，是一種重要的生防天敵(Koch，2003;王甦等，2007)。自然界中，異色瓢蟲以成蟲滯育越冬，越冬期間聚集行為尤為顯著，一般幾百甚至上千頭聚集在向陽山洞的枯枝落葉或者屋檐下越冬。越冬期間異色瓢蟲為什么要大量聚集在一起?有什么適應(yīng)意義?目前對這些問題尚沒有滿意的答案。本文以異色瓢蟲不同聚集群體(1 頭、2 頭、5 頭、10 頭、20 頭和50 頭)為對象，研究越冬成蟲聚集行為對呼吸速率(rate of respiration，Rr)及能量代謝速率(rate of metabolism，Rm)的影響;此外，采用“Y”形嗅覺儀測定了異色瓢蟲越冬種群與實驗種群成蟲的趨性選擇，初步探討異色瓢蟲越冬聚集的原因。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源

實驗種群的飼養(yǎng):異色瓢蟲采集自山東省泰安市郊區(qū)桃園內(nèi)(36°15' N，116°59'E)，采回后挑選健康成蟲引入到人工氣候室內(nèi)飼養(yǎng)。具體飼養(yǎng)流程如下:將成蟲置入養(yǎng)蟲籠(金屬框架+尼龍網(wǎng)(100 目);(50cm×50cm×50cm;30 頭/籠)內(nèi)集中飼養(yǎng)，每籠內(nèi)放置60-80 頭成蟲，提供有足量豆蚜Aphis curviness Koch 的蠶豆苗，且每48 h更換一次。待雌雄成蟲交配產(chǎn)卵后，取出帶有卵塊的蠶豆葉片移入潔凈的玻璃培養(yǎng)皿(D=9.0 cm)中，卵孵化后轉(zhuǎn)移至另一養(yǎng)蟲籠內(nèi)繼續(xù)飼養(yǎng)豆蚜至成蟲，羽化成蟲在養(yǎng)蟲籠內(nèi)單獨飼養(yǎng)(25 頭/籠)。飼養(yǎng)期間為降低幼蟲自殘行為的發(fā)生，每籠內(nèi)飼養(yǎng)80-100 頭幼蟲，且每48 h 更換一次蠶豆苗以提供充足的蚜蟲。人工氣候室環(huán)境條件為溫度T=25±1℃，濕度RH=70±5%，光周期L∶D=16 h∶8 h。室內(nèi)異色瓢蟲種群均飼養(yǎng)2 代以上，且隨機選取羽化10 d 左右的成蟲(♀∶♂=1∶1)進行試驗。

自然種群的采集:異色瓢蟲越冬成蟲于2009年10月末(平均溫度為15℃左右)在晴朗的天氣10∶00-13∶00 采集自泰安市天外村山(36°12'N，117°06'E)的向陽屋檐下，將采集到的成蟲置于玻璃瓶中加入枯枝落葉并用紗布封口保存在室外。

1.2 越冬成蟲呼吸量測定

實驗共設(shè)置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ6個聚集度(分別用1 頭、2 頭、5 頭、10 頭、20 頭和50 頭表示)，每個聚集度各設(shè)5個重復(fù)。隨機選用個體大小一致的健康越冬成蟲(自然種群)，且不重復(fù)使用。

根據(jù)沈衛(wèi)德等(1989)方法并加以改進，采用紅外線CO2分析儀(GXH-3051，北京均方理化科技研究所)測定呼吸量。分別稱取待測群體成蟲的體重，然后將其轉(zhuǎn)移至分析儀的暗室(4 cm×3 cm×2 cm)中測定。間隔30 s 記錄1 次數(shù)據(jù)，共記錄10 min。在整個測定過程中，CO2分析儀置于光照培養(yǎng)箱中(T=15±1℃)。

呼吸速率和能量代謝的計算(蘇延樂等，2007):選擇穩(wěn)定的數(shù)據(jù)段N=N2-N1，計算出所選時間段樣品呼吸釋放CO2的量V(μL)。

呼吸速率Rr 用單位時間內(nèi)單位重量試蟲釋放CO2的體積數(shù)(μL/g/s)表示，Rr=V/T M，式中V 為試蟲釋放CO2總體積(μL)，T 為時間(s)，M 為試蟲體重(g)。

新陳代謝速率Rm 用能量單位W/g 計量，昆蟲的能量消耗與呼吸釋放CO2的關(guān)系系數(shù)一般為0.0245 J/μL CO2(Schmidt-Nielsen，1980)，又由1 W=1 J/s，因此新陳代謝速率的計算公式:Rm=0.0245V/T M=0.0245 Rr。

1.3 異色瓢蟲越冬種群與實驗種群的趨性選擇

用“Y”形嗅覺儀測定異色瓢蟲實驗種群與越冬種群成蟲對不同味源的選擇趨性，“Y”形管的兩臂管長21 cm，兩臂夾角60，直管長15 cm，內(nèi)直徑4 cm，接口均為標(biāo)準(zhǔn)磨口。“Y”形嗅覺儀的直管是試驗瓢蟲的入口，“Y”形管兩臂管分別與兩個味源瓶相連，在味源瓶前連接活性炭過濾器(以凈化空氣)。然后將活性炭過濾器的進氣口與大氣采樣儀連接，由大氣采樣儀控制進氣的流量和速度。上述裝置除了磨口直接連接外，其余均用Teflon 管連接。兩個味源瓶中分別放入50 頭異色瓢蟲實驗種群或者越冬種群或者空氣。每臂氣體流量用大氣采樣儀控制在200 mL/min。試驗前先行通氣10 min，然后將異色瓢蟲逐頭引入嗅覺儀的直管內(nèi)，觀察瓢蟲在15 min 內(nèi)的行為反應(yīng)。瓢蟲爬過氣味源臂的1/2 處并持續(xù)停留5 min 以上記為有趨性;如果瓢蟲在15 min 內(nèi)仍未到達臂的1/2 處，記為無趨性反應(yīng)。試驗中供試瓢蟲每次測定30 頭，測定結(jié)束后將整個裝置先用去污粉清洗，再用95%酒精清洗熱風(fēng)吹干，以消除原有的味源殘留，同時將嗅覺儀的兩個味源瓶左右調(diào)換，以消除瓢蟲對方位和味源的習(xí)慣性趨向。每次重復(fù)都用不同的瓢蟲個體，共重復(fù)5 次。

行為指標(biāo):聚集指數(shù)(Aggregation index，AI)根據(jù)發(fā)生反應(yīng)的個體在不同氣味區(qū)內(nèi)的分布比例來說明試蟲在氣味區(qū)內(nèi)的聚集程度(Ishii，1967)。AI=(RN-CN/TN)×100，RN 為反應(yīng)區(qū)的蟲數(shù)，CN 為對照區(qū)的蟲數(shù)，TN 為測試用的總蟲數(shù)。引誘率(Attractant percent，AP)根據(jù)被引誘到味源區(qū)內(nèi)的個體數(shù)占總試蟲的比率來反映味源物質(zhì)對試蟲的引誘效果(Carlson，1973)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用統(tǒng)計軟件SPSS17.0 for windows 對各實驗內(nèi)容所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，獲得平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤。對不同處理間的差異進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和Duncan 氏多重比較(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

不同聚集度間異色瓢蟲越冬成蟲的呼吸速率Rr 和新陳代謝速率Rm 均存在顯著性差異(F=32.034;df=5;P＜0.01)。聚集度Ⅱ和Ⅲ、Ⅲ和Ⅳ、Ⅲ和Ⅴ、Ⅳ和Ⅴ的Rr 和Rm 值間沒有顯著差異，其他聚集度之間均有顯著性差異。

異色瓢蟲越冬成蟲的Rr 值(R2=0.8096)與聚集度之間呈現(xiàn)著負相關(guān)。即隨著聚集度的增加，越冬成蟲的呼吸速率Rr 呈逐漸降低的趨勢(圖1)。Rm 值的分析結(jié)果同Rr(圖2)。

圖1 異色瓢蟲越冬成蟲在不同聚集度下的呼吸速率Fig.1 The respiration rates of over-wintering adults in Harmonia axyridis in different group size

圖2 異色瓢蟲越冬成蟲在不同聚集度下的能量代謝速率Fig.2 The metabolism rates of over-wintering adults in Harmonia axyridis in different group size

試驗開始時異色瓢蟲成蟲絕大多數(shù)在“Y”型管內(nèi)沿管壁環(huán)形前進，在其爬行過程中表現(xiàn)出對氣味的探索行為。當(dāng)進入某一味源所在的臂后，一部分便會停留，一部分會在兩壁之間往返后作出選擇，另有少數(shù)一直逗留在直管部分。由測定的行為指標(biāo)可以看出(表1):異色瓢蟲越冬種群與實驗種群成蟲均對各自的群體表現(xiàn)出趨性，但是當(dāng)兩種氣味源分別為越冬種群和實驗種群時，越冬成蟲的這種趨性降低，而飼養(yǎng)成蟲的趨性卻無明顯變化。

表1 異色瓢蟲越冬種群和實驗種群成蟲的趨性選擇Table 1 Tropism selection of overwintering population and experimental population of Harmonia axyridis adults

3 結(jié)論與討論

異色瓢蟲越冬期間聚集行為尤為顯著，一般幾百甚至上千頭聚集在向陽山洞的枯枝落葉或者屋檐下越冬。本研究表明異色瓢蟲越冬成蟲的呼吸速率和新陳代謝速率隨群體聚集度的增加而顯著降低，這說明聚集行為會造成異色瓢蟲呼吸量減少和生理活動減慢。這與Sakurai 等(1992)研究日本異色瓢蟲越冬聚集現(xiàn)象時的結(jié)論相一致。聚集個體之間的相互撫慰作用使聚集個體較單獨個體的活動量減少，進而降低個體的呼吸及新陳代謝速率(Tojy et al.，2005)。此外，聚集群體中特殊的微環(huán)境，例如低氧、高CO2等對呼吸的抑制作用也能導(dǎo)致能量代謝速率的降低。

聚集群體的大小對昆蟲種群的很多生態(tài)過程都有顯著影響(Costa et al.，2007)。本研究中不同聚集度下異色瓢蟲越冬成蟲的呼吸和新陳代謝速率存在顯著差異也說明了這一問題。但是，昆蟲的新陳代謝速率不會隨著群體的逐漸增加一直減慢，其與昆蟲群體大小間應(yīng)該存在一個最適的臨界點。當(dāng)群體達到較大規(guī)模時，昆蟲是否因為擁擠而活動量增加，進而導(dǎo)致新陳代謝速率的提高?另外，Clarke(2006)認為環(huán)境溫度對生物體的新陳代謝影響顯著，那么昆蟲是如何在自然狀態(tài)下調(diào)整其種群大小的?這些都是有待解決的問題。

瓢蟲是如何聚集在一起的呢?有的認為是信息素的存在，或是先行者釋放的氣味。異色瓢蟲的越冬聚集無方位性，Nalepa 等(2000)通過野外試驗認為不存在揮發(fā)性的信息素，可能是基于接觸交流信息或以往殘留的氣味來識別。本試驗結(jié)果表明:異色瓢蟲越冬種群與實驗種群成蟲均對各自的群體表現(xiàn)出趨性，但是當(dāng)兩種氣味源分別為越冬種群和實驗種群時，越冬成蟲的這種趨性降低，而飼養(yǎng)成蟲的趨性卻無明顯變化。這說明兩種味源對異色瓢蟲越冬成蟲的趨性具有干擾作用，其越冬聚集行為的發(fā)生需要一種特殊的氣味物質(zhì)。異色瓢蟲的越冬聚集的石洞內(nèi)有一股特殊的氣味，這是識別異色瓢蟲越冬地的一個標(biāo)志。進一步找到異色瓢蟲越冬個體間通訊的物質(zhì)基礎(chǔ)和響應(yīng)機制，這也是將要進行深入研究的。

聚集行為能夠降低異色瓢蟲越冬成蟲的新陳代謝速率，減少能量消耗，提高存活率，這對其越冬來說具有非常重要的意義。研究昆蟲的越冬聚集行為，找到個體間通訊的物質(zhì)基礎(chǔ)和響應(yīng)機制，確定種群發(fā)生聚集現(xiàn)象的時間、地點、規(guī)模及其與各種環(huán)境因子的關(guān)系，監(jiān)測聚集昆蟲的行為及生理等，這可以為昆蟲生物多樣性保護、農(nóng)林病蟲害防治等提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持(蘇巖樂等，2007)。如果一些害蟲有這些習(xí)性，我們可利用來防治。北方的馬鈴薯瓢蟲Henosepilachna vigintioctomaculata 有時會大量聚集在一起，找到其越冬地可集中進行防治。對于天敵瓢蟲來說，應(yīng)該好好保護這些越冬地點。但是，在美國很多地區(qū)，秋季異色瓢蟲會選擇民居或建筑物作為聚集地，而這種聚集行為會使人們產(chǎn)生厭惡感，人們會使用合成除蟲菊酯和薄荷醇來驅(qū)趕異色瓢蟲(Heulsman et al.，2002)。

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