馴化對始紅蝽(Pyrrhocoris apterus)耐寒能力的影響及越冬適應(yīng)策略

曹凱麗,王芳艷,胡 敏,吾爾買提·達(dá)吾提,Roman Jashenko,季 榮,*

1 新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆特殊環(huán)境物種多樣性保護(hù)與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中亞區(qū)域跨境有害生物聯(lián)合控制國際研究中心,烏魯木齊 830054 2 新疆于田縣草原站,和田 848400 3 哈薩克斯坦共和國教育科學(xué)部動物研究所,阿拉木圖 050060

昆蟲的耐寒性是指其長期或短期暴露于低溫條件下的存活能力[1],耐寒能力可以通過過冷卻點(diǎn)(supercooling point,SCP)、低溫存活率和半致死溫(LT50)度等指標(biāo)評價[2- 3]。研究表明,昆蟲的耐寒能力存在可塑性,馴化作為一種有效提高昆蟲耐寒能力的途徑,是昆蟲應(yīng)對不良環(huán)境的一種過程和表現(xiàn),短時或持續(xù)低溫馴化可明顯降低昆蟲的過冷卻點(diǎn),提高低溫存活率,降低半致死溫度,是昆蟲耐寒性理論研究與應(yīng)用研究的熱點(diǎn)[4-6]。

始紅蝽(PyrrhocorisapterusL.),屬于半翅目紅蝽科,廣泛分布于地中海沿岸、東亞和中亞地區(qū),具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[7]。始紅蝽以滯育成蟲在植被覆蓋下的地表越冬,越冬前聚集行為明顯,呼吸速率和能量代謝減慢,呼吸代謝水平降低[8-9]；研究報(bào)道,越冬期間始紅蝽的過冷卻點(diǎn)為-14.5℃[10]。新疆冬季寒冷,平均溫度為-8.93℃,極端溫度達(dá)到-30℃以下[11-12],廣泛分布于新疆的始紅蝽種群如何應(yīng)對低溫脅迫及其越冬策略值得探討。本研究通過逐月測定低溫馴化后越冬期始紅蝽過冷卻點(diǎn)和低溫存活率,分析自然種群體內(nèi)耐寒物質(zhì)含量,旨在闡明其耐寒能力變化及越冬適應(yīng)策略。

1 材料與方法

1.1 試蟲采集與處理

根據(jù)季節(jié)變化和新疆氣候變化特征,當(dāng)年12月至翌年3月從室外(43°51′N,87°34′E)采集始紅蝽個體,室內(nèi)靜置30min,待其恢復(fù)爬行能力后挑選健康成蟲測試。室外采集時現(xiàn)場測量地表溫度。

1.2 馴化對始紅蝽過冷卻點(diǎn)的影響

基于新疆冬季平均氣溫,設(shè)置-5、-10、-15℃ 3個馴化溫度(因-15℃下,始紅蝽存活率最高僅為10%,有的為零,不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,故未分析其數(shù)據(jù))。將試蟲放入錐形瓶中,置于已調(diào)至所需溫度的節(jié)能型智能恒溫槽(DC- 2015,寧波新芝)中馴化30min,25℃(±3℃)恢復(fù)30min后將過冷卻點(diǎn)儀(MS6501,東莞華儀)的熱電偶探頭置于試蟲前翅下,以1℃/min速率降溫,放入-80℃冰箱(MDF-C8,日本三洋)中逐只測試。每個馴化溫度每次測定30只,重復(fù)3次。以同月未經(jīng)馴化的始紅蝽為對照組。

1.3 馴化對始紅蝽低溫存活率及LT50的影響

將試蟲于0℃下30min馴化后分別置于-5、-10、-15℃下1h,25℃(±3℃)恢復(fù)30min后檢查存活個體,以能夠正常爬行視為存活,統(tǒng)計(jì)低溫存活率,并根據(jù)邏輯斯蒂曲線方程計(jì)算0℃馴化前后始紅蝽的半致死溫度(LT50)。每個溫度測試30只,重復(fù)3次,以同月未經(jīng)馴化的始紅蝽為對照組。

1.4 越冬期間始紅蝽耐寒物質(zhì)含量測定

越冬期間逐月采集始紅蝽自然種群,分別采用張徐等[13]和李爽等[14]方法測定自由水/結(jié)合水比值、脂肪、甘油、海藻糖和游離蛋白質(zhì)的含量,根據(jù)測定指標(biāo)分別取始紅蝽雌雄蟲粉不少于0.1g或成蟲不少于20只(♀∶♂=1∶1),重復(fù)3次。

1.5 數(shù)據(jù)分析

分別用單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著差數(shù)法(LSD)多重比較分析不同馴化溫度始紅蝽過冷卻點(diǎn)與低溫存活率的差異顯著性(P<0.05)；不同月份同一性別采用ANOVA、LSD和多范圍檢驗(yàn)(Duncan′s)分析耐寒物質(zhì)差異顯著性(P<0.05)；相同月份不同性別采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析耐寒物質(zhì)差異顯著性(P<0.05),數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 馴化對始紅蝽過冷卻點(diǎn)的影響

圖1結(jié)果表明,低溫馴化能明顯降低始紅蝽的過冷卻點(diǎn),且降低程度與馴化溫度有關(guān)。12月至3月均以-10℃馴化效果最明顯,其中1月過冷卻點(diǎn)最低,對照組與馴化組過冷卻點(diǎn)平均分別為(-13.93±1.35)℃、(-25.56±1.09)℃,差異顯著(P<0.05)；12月馴化效果最不明顯,馴化前后過冷卻點(diǎn)平均分別為(-14.01±0.53)℃、(-17.19±1.28)℃,且差異顯著(P<0.05)。

-5℃馴化以2月馴化效果最明顯,馴化前后過冷卻點(diǎn)平均分別為(-11.47±0.58)℃、(-17.66±0.77)℃,差異顯著(P<0.05)；12月馴化效果最不明顯,馴化前后過冷卻點(diǎn)平均分別為(-14.01±0.53)℃、(-16.97±1.01)℃,差異顯著(P<0.05)。

圖1 越冬期間馴化對始紅蝽過冷卻點(diǎn)的影響 Fig.1 The effect of cold acclimation on the supercooling point of Pyrrhocoris apterus over winter period

未經(jīng)馴化的對照組以3月過冷卻點(diǎn)最低,平均為(-14.47±0.76)℃,-5、-10℃馴化后分別下降至(-19.32±0.86)℃、(-21.31±0.85)℃,馴化前后差異顯著(P<0.05)。

從圖1看出,越冬期間馴化組及自然種群始紅蝽的過冷卻點(diǎn)均低于地表溫度,其中1月地表溫度最低,為(-7.08±0.05)℃。

2.2 馴化對始紅蝽低溫存活率和半致死溫度的影響

由表1可知,低溫馴化能明顯提高始紅蝽的低溫存活能力。越冬期間12月至3月馴化組的存活率均大于對照組,0℃馴化置于-5℃暴露1h,12月的平均存活率為89.70%±3.69%,與對照組56.67%±3.33%之間差異顯著(P<0.05)；1月和2月的平均存活率分別由馴化前的96.67%±3.33%、98.89%±1.11%提高到100.00%,馴化前后存活率無顯著差異(P>0.05)；3月平均存活率由馴化前43.75%±3.33%上升至100.00%,馴化前后存活率差異顯著(P<0.05)。

0℃馴化后置于-10℃暴露1h,12月的平均存活率最低,為31.06%±1.33%,與對照組13.64%±2.82%之間差異顯著(P<0.05)；1月的平均存活率最高,為39.06%±1.11%,與對照組8.89%±1.11%之間差異顯著(P<0.05)；0℃馴化-15℃后暴露1h,始紅蝽自然種群及12月馴化組的存活率均為零,2月馴化組平均存活率最高,僅為10.00%。

由表2可知,低溫馴化可降低始紅蝽的LT50。越冬階段12月至3月,0℃馴化后始紅蝽的LT50均低于自然種群,其中馴化前2月LT50最低,為-8.53℃,馴化后降至為-9.12℃。

2.3 越冬期間始紅蝽耐寒物質(zhì)含量的變化

由表3可知,越冬期間雌雄始紅蝽體內(nèi)自由水/結(jié)合水比值和游離蛋白質(zhì)含量先下降后上升,12月達(dá)到最大,雌雄分別為144.50±26.22和140.32±21.92,(15.81±0.10)mg/g和(15.47±0.01)mg/g,2月降至最低,雌雄分別為90.55±16.90和90.14±1.64,(15.46±0.20)mg/g和(14.96±0.02)mg/g,之后開始上升。不同月份相同性別自由水/結(jié)合水比值和游離蛋白質(zhì)含量均無顯著差異(P>0.05),相同月份雌雄之間自由水/結(jié)合水比值無顯著差異(P>0.05),2月雌雄之間游離蛋白質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)。

表1 越冬期間馴化對始紅蝽低溫存活率的影響

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示相同月份對照組與馴化組差異顯著(P<0.05);數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示相同處理下不同月份差異顯著性(P<0.05, 最小顯著差數(shù)法LSD和Duncan氏檢驗(yàn))

表2 越冬期間馴化對始紅蝽半致死溫度的影響

雌雄始紅蝽體內(nèi)脂肪、海藻糖和甘油含量先上升后下降,2月達(dá)到最大,雌雄脂肪含量分別為(16.33±0.48)mg/g和(13.15±1.31)mg/g,海藻糖含量分別為(11.98±0.01)mg/g和(10.88±0.02)mg/g,甘油含量分別為(14.73±0.01)mg/g和(15.06±0.03)mg/g,各月之間雌雄體內(nèi)海藻糖和甘油含量差異均顯著(P<0.05)。雌雄脂肪含量最小值分別在12月和3月,依次為(9.97±0.03)mg/g和(9.52±1.74)mg/g,雌雄海藻糖和甘油含量最小值均在3月,分別為(7.82±0.01)mg/g和(8.42±0.05)mg/g,(15.98±0.09)mg/g和(15.34±0.02)mg/g。雌蟲脂肪含量2月與其他月之間差異顯著(P<0.05),2月雄蟲脂肪含量與3月差異顯著(P<0.05),與其他月份之間無顯著差異(P>0.05)。

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同小寫字母表示同一性別不同月份差異顯著(P<0.05,最小顯著差數(shù)法LSD和Duncan氏檢驗(yàn))；數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示相同月份雌雄差異顯著(P<0.05,獨(dú)立樣本T檢驗(yàn))

3 結(jié)論與討論

3.1 馴化對始紅蝽耐寒能力的影響

根據(jù)過冷卻點(diǎn)可將昆蟲的耐寒性對策分為不耐結(jié)冰型(freezing intolerant)和耐結(jié)冰型(freezing tolerant),前者通過降低過冷卻點(diǎn)適應(yīng)低溫環(huán)境,后者則在一定范圍內(nèi)能夠忍受細(xì)胞外液結(jié)冰造成的傷害[15],本研究得出始紅蝽屬于不耐結(jié)冰型,并且同許多不耐結(jié)冰型昆蟲一樣在高于過冷卻點(diǎn)的溫度下迅速死亡[4,16-17]。如3月份始紅蝽自然種群的過冷卻點(diǎn)最低為(-14.47±0.76)℃,但將其置于-10℃下的存活率僅為28.89%±12.81%,因此,同樣不能將過冷卻點(diǎn)作為衡量始紅蝽耐寒性的唯一指標(biāo)。

馴化可明顯降低始紅蝽的過冷卻點(diǎn),提高其低溫存活率和耐寒能力。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),3月始紅蝽自然種群經(jīng)過-5、-10℃馴化后,其過冷卻點(diǎn)分別由馴化前的(-14.01±0.53)℃下降為(-16.97±1.01)℃、(-17.19±1.28)℃,-5℃暴露下存活率由43.75%±3.33%上升到100.00%。這與西花薊馬(Frankliniellaoccidentalis)、椰心葉甲 (Brontispalongissima)等昆蟲研究結(jié)果一致[5- 6,13]。因此,自然界中始紅蝽經(jīng)過秋季到冬季的低溫馴化過程后,其耐寒能力大幅度增強(qiáng)以確保其安全越冬。

根據(jù)過冷卻點(diǎn)、低溫存活率和LT50綜合判斷,越冬期間始紅蝽自然種群以3月耐寒能力最強(qiáng),低溫馴化后則以1月最強(qiáng)。分析原因與新疆氣候特征有關(guān)系,3月易發(fā)生“倒春寒”天氣[18],自然種群須有較強(qiáng)的耐寒能力才能安全度過異常氣候以維持種群數(shù)量,但1月氣溫和地表溫度最低,始紅蝽經(jīng)過秋季和初冬的自然馴化后獲得較強(qiáng)的耐寒能力有助于其安全越冬,這亦是始紅蝽長期適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果。

3.2 始紅蝽耐寒策略及其適應(yīng)變化

為適應(yīng)低溫環(huán)境,寒帶和溫帶的昆蟲在長期進(jìn)化過程中主要形成了兩類耐寒策略,即生態(tài)適應(yīng)策略和生理適應(yīng)策略[19-20]。為安全越冬,始紅蝽越冬多選擇在背風(fēng)、陽面或錦葵(MalvasinensisC.)的根部[7-8],聚集行為明顯,越冬過程中通過累積小分子糖醇,調(diào)整呼吸代謝的強(qiáng)度及底物類型以提高蟲體耐寒能力[9-10]。與亞洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)、赤松毛蟲(Dendrolimusspectabilis)越冬幼蟲和桑尺蠖(Phthonandriaatrilineata)越冬幼蟲等研究結(jié)果類似[21- 23],本研究得出,越冬期間始紅蝽體內(nèi)自由水/結(jié)合水比值降低,自由水被排出體外或轉(zhuǎn)化為結(jié)合水,這有助于提高蟲體血淋巴的溶質(zhì)濃度,降低過冷卻點(diǎn)[24-25]。越冬期間始紅蝽體內(nèi)蛋白質(zhì)含量減少,可能與其轉(zhuǎn)化為抗凍保護(hù)劑有關(guān)[26],這與蒲氏鉤蝠蛾(Thitarodespui)、大草蛉(Chrysopapallens)預(yù)蛹和綠盲蝽(Apolyguslucorum)卵的研究結(jié)果一致[27- 29],但與赤松毛蟲和桑尺蠖越冬幼蟲研究結(jié)果不一致[22- 23],具體原因還有待進(jìn)一步分析。甘油含量增加可以降低過冷卻點(diǎn)[30],海藻糖和脂肪作為蟲體重要的抗逆保護(hù)物質(zhì),其含量增加對維持細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,增加蟲體耐寒能力和保證蟲體正常生理功能等方面具有重要作用[20,31-32],這亦與大多數(shù)昆蟲的研究結(jié)果一致[21- 22,27- 30]。

昆蟲體內(nèi)耐寒物質(zhì)變化可能滯后于其所處環(huán)境溫度的變化,這是因?yàn)橄嚓P(guān)酶活性恢復(fù)可能需要一段時間[33]。本研究亦發(fā)現(xiàn)同樣現(xiàn)象,1月份地表溫度最低,但其體內(nèi)自由水/結(jié)合水比值、脂肪、海藻糖、甘油和游離蛋白質(zhì)等含量均在2月份達(dá)到峰值,表現(xiàn)出一定的滯后性,這是否與蟲體內(nèi)酶活性有關(guān)還需進(jìn)一步研究。

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