紫外長期脅迫對高世代麥長管蚜生命表參數(shù)的影響

梁 霞,趙 貝,李 媛,胡祖慶,趙惠燕

西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100

UV-B波長在290—315 nm之間,是到達(dá)生物圈的很重要的太陽光譜[1]。隨著20世紀(jì)80年代中期南極地區(qū)臭氧層空洞和平流層臭氧層損耗的出現(xiàn),人們對UV-B輻射水平的變化趨勢以及UV-B對生物和生態(tài)系統(tǒng)的影響越來越關(guān)注[2- 4]。由于工業(yè)廢氣的污染,大氣中的臭氧層逐漸變薄,試驗(yàn)證明大氣中臭氧每減少1%,照射到地面的UV-B就增加2%,過量的紫外線進(jìn)入生物圈,勢必對生物產(chǎn)生強(qiáng)大的選擇壓力[5]。有研究證實(shí)中緯度地區(qū)的日常UV-B輻射水平可以影響浮游植物的能動性[6]、浮游植物和大型海藻的產(chǎn)量[7- 8],以及植物和植食性動物之間的互作[9]。UV-B輻射減少了曼陀羅植物白天幼苗的出現(xiàn)、抑制了莖的伸長,增加了DNA損傷[10]。有關(guān)UV-B對昆蟲的影響研究并不多見：研究表明,UV-B對昆蟲具有直接影響和間接影響兩方面[11]:直接影響表現(xiàn)為紫外輻射可被昆蟲識別、接收并轉(zhuǎn)變成特定行為反應(yīng)而影響昆蟲的定位、飛行、取食及兩性間的交互作用[5,12-13];UV-B對昆蟲的間接影響表現(xiàn)為寄主植物、微生物介導(dǎo)的UV-B對昆蟲的影響。UV-B增強(qiáng)對植物的形態(tài)建成、生長發(fā)育及生理生化有著深刻的影響[14-15],植物的這種變化必然影響到昆蟲的生存環(huán)境和食物的供應(yīng),從而間接影響昆蟲種群[16],UV-B增強(qiáng)和O3濃度升高共同作用也可能提高植物的抗蟲害能力[14]。

麥長管蚜,Sitobionavenae(Fabricius)是小麥生產(chǎn)中最重要害蟲之一,不僅在穗部直接刺吸汁液,導(dǎo)致千粒重下降,同時(shí)傳播病毒病,每年造成小麥產(chǎn)量損失15%—30%,嚴(yán)重時(shí)達(dá)60%,特別是蚜蟲為典型的R對策特征：個(gè)體小、生命周期短、繁殖快、繁殖量大、能短時(shí)間適應(yīng)新的不利環(huán)境。當(dāng)全球氣候變暖、紫外線增強(qiáng)時(shí)蚜蟲能很快適應(yīng)這種環(huán)境而進(jìn)化。然而,多大的紫外線強(qiáng)度、多長照射時(shí)間、經(jīng)歷多少世代蚜蟲適應(yīng)這種紫外線的增強(qiáng)而進(jìn)化目前還不清楚。本研究團(tuán)隊(duì)前期進(jìn)行了不同紫外線強(qiáng)度、不同照射時(shí)間、照射強(qiáng)度與照射時(shí)間交互作用等研究,確立了0.2,0.75 mW/cm2代表當(dāng)今全球紫外線平均強(qiáng)度和未來全球溫度上升3℃時(shí)的紫外線前度試驗(yàn)條件,在這個(gè)條件下團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研究了17個(gè)世代蚜蟲的適應(yīng)性[17-18]。后續(xù)世代蚜蟲是否已經(jīng)適應(yīng)了這種環(huán)境條件,正是本研究的科學(xué)問題。

為了探明紫外連續(xù)脅迫20代以后對麥長管蚜的影響,本研究從第17代麥長管蚜1齡若蚜開始,用生命表的方法繼續(xù)探索紫外線對麥長管蚜的影響,以期提前預(yù)測在全球氣候變化導(dǎo)致的紫外輻射強(qiáng)度升高的情況下麥長管蚜是如何適應(yīng)變異及遺傳進(jìn)化的規(guī)律,從而為逆境脅迫下蚜蟲的生態(tài)遺傳與進(jìn)化機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試蟲源

供試麥長管蚜為西北農(nóng)林科技大學(xué)昆蟲生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供的單克隆種群,經(jīng)過不同紫外強(qiáng)度(0,0.50 mW/cm2和0.70 mW/cm2)連續(xù)處理3 d的第16代麥長管蚜成蚜所產(chǎn)1齡若蟲(1—37代麥長管蚜成蚜均經(jīng)相同紫外處理),飼養(yǎng)條件：溫度為21℃；光周期為16 L∶8 D；濕度(60±5)%。17代以后麥長管蚜的處理?xiàng)l件、飼養(yǎng)環(huán)境與前16代相同[19]。

1.1.2 供試小麥品種

小麥品種為矮抗58,由西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。剪取14日齡的未經(jīng)紫外處理的小麥葉片(二葉期至三葉期)用于飼喂麥長管蚜,小麥生長條件同麥長管蚜。

1.2 紫外輻射處理

試驗(yàn)處理選用普通日光燈管及紫外燈管(YZ10- 58W 313 nm,中國上海榮波有限公司) 作為光源,高強(qiáng)度輻射組(0.70 mW/cm2)采用3支同樣規(guī)格的紫外燈管及普通日光燈,低強(qiáng)度輻射組(0.50 mW/cm2)(全球溫度上升2度時(shí)的紫外線強(qiáng)度)則采用2支紫外燈管和普通日光燈,對照組采用普通日光燈管作為光源,其中紫外燈管都均勻分布在普通燈管中間,普通日光燈管用濾光器UVILEXTM 390 Z(SCHOTT Inc,中國上海) 去除燈光中的紫外線,且對紫外燈使用Schott N-WG280濾光膜罩上使其所發(fā)光線中只有UV-B波段的光可以透過。各處理中白光強(qiáng)度均為 75 μmol光量子 m-2·s-1[光合有效輻射 (photosynthetically active radiation,PAR)],UV-B 輻射強(qiáng)度采用 UV-B測量儀(VLX- 3W,Vilber Lourmat Inc.,法國托爾西)測量。試驗(yàn)麥長管蚜置于培養(yǎng)皿中,培養(yǎng)皿置于燈管下方30 cm處,每代成蟲分別在低強(qiáng)度和高強(qiáng)度紫外光下輻照48 h(每天16 h),待紫外處理后,將培養(yǎng)皿轉(zhuǎn)移到普通日光燈對照組下進(jìn)行飼養(yǎng)。

1.3 生命表研究

放置一層沾濕濾紙于培養(yǎng)皿(直徑60 mm,NEST 生物技術(shù)有限公司) 中,挑取新鮮小麥葉片于濾紙上,將不同紫外強(qiáng)度處理48 h(每天16 h)下的麥長管蚜成蟲取出,當(dāng)天所產(chǎn)1齡若蚜于小麥葉片上進(jìn)行單頭飼養(yǎng),每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)20頭蚜蟲。每天定時(shí)記錄其蛻皮、生長及產(chǎn)仔情況,待麥蚜發(fā)育至成蟲產(chǎn)仔時(shí),將每天所產(chǎn)仔蚜計(jì)數(shù)后移出培養(yǎng)皿,定時(shí)更換新鮮的小麥葉片。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用TWOSEX-MSChart[20]的方法統(tǒng)計(jì)存活率、生殖價(jià)值(vxj)(表示年齡x階段j的個(gè)體對未來種群的貢獻(xiàn))、平均世代周期(T)、內(nèi)稟增長率(rm)、凈增殖率(R0)、周限增長率(λ),將所得的生命表數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 20分別對不同紫外強(qiáng)度和世代進(jìn)行單因素方差分析,單因素方差分析 (One-way ANOVA) 采用 Student-Newman-Keuls(SNK) 多重比較檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較,各處理間的顯著性差異均設(shè)為P< 0.05水平,用Sigma Plot 12.5、Mathematica作圖。

存活曲線應(yīng)用威布爾(Weibull)模型[21]進(jìn)行擬合,公式為：Spt=exp-t/bc,式中t表示存活時(shí)間,b為尺度參數(shù),c為形狀參數(shù)。當(dāng)c>1時(shí),存活曲線為I型；當(dāng)c=1時(shí),存活曲線為Ⅱ型;當(dāng)c<1時(shí),存活曲線為Ⅲ型。如果c值相同,b值越大,存活率越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輻射強(qiáng)度下UV-B對麥長管蚜存活的影響

麥長管蚜存活曲線形狀參數(shù)(c)均大于1,說明在此紫外脅迫條件下死亡主要發(fā)生在生長發(fā)育后期。同一世代不同紫外處理?xiàng)l件下,除第22代處理組的尺度參數(shù)(b)顯著小于對照組外,其余各世代處理組的尺度參數(shù)(b)均大于對照組,表明：長期紫外照射后,蚜蟲的抗性提高,存活率增大,適應(yīng)性增強(qiáng)。分析不同世代的b值發(fā)現(xiàn)：低強(qiáng)度處理下不同世代b值先增大后減小,說明存活率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,在第27代達(dá)到最大值且與第32代、第37代間差異不顯著；高強(qiáng)度處理下b值一直呈現(xiàn)增大趨勢,說明隨著世代的延續(xù)存活率呈遞增趨勢,適應(yīng)性增加(表1)。

表1 不同世代及輻射強(qiáng)度下蚜蟲生存曲線Weibull模型Spt=exp-t/bc的參數(shù)估計(jì)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n為3次重復(fù)。數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示同一UV-B輻射強(qiáng)度下,不同世代間的顯著性差異,不同小寫字母表示不同UV-B 輻射強(qiáng)度下,同一世代間的顯著性差異(Student-Newman-Keuls 檢驗(yàn),P<0.05,one-way ANOVA)

2.2 UV-B輻射對麥長管蚜各階段生殖價(jià)值的影響

不同強(qiáng)度UV-B輻射下,麥長管蚜各階段生殖價(jià)值隨齡期增加而增大,且在成蚜期為最大值,即成蚜期對未來種群的貢獻(xiàn)最大。不同處理同一世代條件下,隨著世代的升高,在G32、G37成蚜期生殖價(jià)值高強(qiáng)度處理組大于低強(qiáng)度處理組大于對照組。同一處理不同世代條件下,低強(qiáng)度處理組成蚜期生殖價(jià)值先升高后下降再升高的馬鞍形規(guī)律,在G37時(shí)值最大為11頭/成蚜,高強(qiáng)度處理組成蚜期生殖價(jià)值先降低再升高,在G37時(shí)值最大為12頭/成蚜。同一處理不同世代,隨世代的升高,成蚜貢獻(xiàn)期間先升高后下降(圖1)。

2.3 不同強(qiáng)度紫外處理后麥長管蚜不同世代種群參數(shù)變化

從表2不同輻射強(qiáng)度UV-B脅迫后麥長管蚜子代種群參數(shù)的比較可以看出：同一世代,不同UV-B輻射強(qiáng)度下,麥長管蚜種群生態(tài)學(xué)參數(shù)內(nèi)稟增長率(rm)和周限增長率(λ)受不同強(qiáng)度UV-B處理第27代處理組顯著

表2 不同輻射強(qiáng)度UV-B脅迫后麥長管蚜子代種群參數(shù)的比較

G22: 第22代,the 22ndgeneration; G27: 第27代,the 27thgeneration; G32: 第32代,the 32ndgeneration; G37: 第37代,the 37thgeneration

低于對照組,第22代、第32代低強(qiáng)度處理組顯著低于對照組,高強(qiáng)度處理組與對照相比差異不顯著,第37代處理組顯著高于對照組。對于R0第22代、第27代、第32代、第37代處理組與對照組間差異顯著。平均世代周期(T)第22代各組之間差異不顯著,第27代和第32代處理組與對照組之間差異顯著且顯著高于對照,第37代處理組顯著低于對照。

在不同世代之間,同一UV-B輻射強(qiáng)度下,低強(qiáng)度處理組內(nèi)稟增長率(rm)、凈增殖率(R0)、周限增長率(λ)呈先升高后下降又升高的的趨勢,且內(nèi)稟增長率(rm)、周限增長率(λ)在G37達(dá)到最大值,凈增殖率(R0)在G27達(dá)到最大值。平均世代周期(T)從G22到G37呈現(xiàn)先顯著升高后顯著下降的趨勢且在G32達(dá)到最大值。高強(qiáng)度處理組內(nèi)稟增長率(rm)、凈增殖率(R0)、周限增長率(λ)呈先下降后顯著升高的的趨勢,且均在G37達(dá)到最大值,平均世代周期(T)呈先顯著升高后下降的趨勢且在G27達(dá)到最大值。處理組種群參數(shù)只有T的變化規(guī)律與其他各參數(shù)變化規(guī)律不同,這可能是由于紫外處理影響了麥長管蚜各齡期的蛻皮或胚胎發(fā)育所致。

2.4 不同強(qiáng)度紫外處理1—37代麥長管蚜內(nèi)稟增長率變化規(guī)律

不同世代,1—37代麥長管蚜處理組rm呈先顯著增高后下降又升高又下降又顯著升高的變化規(guī)律,高強(qiáng)度處理組rm在G36代達(dá)到最大值,在G37代rm高于其他各統(tǒng)計(jì)世代,低強(qiáng)度處理組在G37達(dá)到最大值(圖2)。

圖2 麥長管蚜在不同紫外處理下的內(nèi)稟增長率變化規(guī)律(rm) Fig.2 Change rule of 1th to 37thgeneration Sitobion avenae exposed to different intensities of UV-B radiation

3 結(jié)論與討論

本研究中,運(yùn)用特定年齡生命表的方法探究不同UV-B處理對第22代以后麥長管蚜發(fā)育情況和種群動態(tài)影響。在22—37代這個(gè)長期的脅迫過程中,存活率反應(yīng)了種群消長趨勢,在紫外處理?xiàng)l件下均隨時(shí)間的延長而降低。生殖價(jià)值反應(yīng)各階段對未來種群的貢獻(xiàn),各紫外處理?xiàng)l件下成蚜期貢獻(xiàn)明顯高于若蚜期,低強(qiáng)度處理組和高強(qiáng)度處理組的貢獻(xiàn)時(shí)間分別在G27和G32達(dá)到最大值,呈先升高后下降的趨勢。

處理組種群參數(shù)平均世代周期(T)的變化規(guī)律呈先顯著升高后下降的趨勢,與其他各參數(shù)變化不同,這可能是由于紫外處理影響了麥長管蚜各齡期的蛻皮或胚胎發(fā)育所致,具體是什么原因需要我們做進(jìn)一步的研究,這與朱國平[22]的UV-B處理使麥長管蚜若蟲發(fā)育歷期延長的結(jié)果相似。在G37,處理組麥長管蚜平均世代周期(T)縮短,內(nèi)稟增長率(rm)、凈增殖率(R0)、周限增長率(λ)均達(dá)到最大值,且處理組與對照組間差異顯著,可能是由于長期UV-B輻射后,麥長管蚜適應(yīng)了紫外環(huán)境,高、低紫外處理均促進(jìn)了麥長管蚜的生長發(fā)育,本研究認(rèn)為在本實(shí)驗(yàn)處理?xiàng)l件下,麥長管蚜在G37對紫外的適應(yīng)能力最強(qiáng),至于后續(xù)麥長管蚜的生命表參數(shù)如何變化,還需要我們繼續(xù)進(jìn)行飼養(yǎng)。不同世代,低強(qiáng)度處理組,內(nèi)稟增長率(rm)、凈增殖率(R0)、周限增長率(λ)均呈先升高后下降又升高的趨勢,高強(qiáng)度處理組內(nèi)稟增長率(rm)、凈增殖率(R0)、周限增長率(λ)呈先下降后顯著升高的的趨勢,本結(jié)果所表現(xiàn)出的先下降后升高的趨勢,與朱國平等[22]研究的結(jié)果相一致,說明麥長管蚜對紫外環(huán)境的適應(yīng)能力。1—37代麥長管蚜處理組rm呈現(xiàn)先顯著增高后下降又升高又下降又顯著升高的變化規(guī)律。這種規(guī)律產(chǎn)生的原因可能是由于前期環(huán)境脅迫增強(qiáng)麥長管蚜的適應(yīng)能力,隨著蚜蟲自身的調(diào)節(jié),親代麥長管蚜的毒害效應(yīng)會逐漸減弱,但隨著脅迫代數(shù)的累加,UV-B的劑量累計(jì)超過了麥長管蚜的適應(yīng)范圍,其毒害效應(yīng)再次傳遞給子代,影響子代的各項(xiàng)生長發(fā)育,麥長管蚜需要再次啟動自身的防御體系,呈現(xiàn)一個(gè)循環(huán)的調(diào)節(jié)過程。到底是麥長管蚜體內(nèi)酶作用的結(jié)果還是基因突變后新的適應(yīng)需要我們做進(jìn)一步深入研究。

李軍等[23]用紫外線處理桃蚜4 h后得出超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)的活力水平均高于正常蟲休,證明了3種酶可能參與了抗輻射過程。劉新仿等[24]通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法轉(zhuǎn)化擬南芥,使其在擬南芥中得到大量表達(dá),證實(shí)了該GST的過量表達(dá)可明顯增強(qiáng)擬南芥對紫外輻射損傷作用的耐受性。姚建秀等[25]用RAPD技術(shù)對紫外線連續(xù)輻射誘導(dǎo)一代麥長管蚜產(chǎn)生的DNA多態(tài)性進(jìn)行了分析,證實(shí)紫外線是誘導(dǎo)蚜蟲變異的條件之一。都二霞等[26]利用SSR技術(shù)分析了不同劑量紫外線誘導(dǎo)下桃蚜的DNA變異,結(jié)果表明F1代桃蚜產(chǎn)生可遺傳的變異致使F2代的DNA發(fā)生變異。前人的研究結(jié)果表明,紫外條件下會對蚜蟲體內(nèi)的酶和DNA產(chǎn)生一定影響,而本研究僅是就UV-B脅迫下麥長管蚜的一個(gè)長期的生命表參數(shù)進(jìn)行了研究,對于長期的脅迫過程中生命表參數(shù)發(fā)生變化的內(nèi)在原因比如基因表達(dá)量的變化、基因突變、呼吸代謝等一系列變化是否和初期脅迫一樣還有待于進(jìn)一步探索。本研究結(jié)果表明,隨著紫外處理?xiàng)l件下麥長管蚜世代的延續(xù),麥長管蚜對紫外的適應(yīng)能力增強(qiáng),應(yīng)加強(qiáng)對麥長管蚜的防治,如果這種適應(yīng)性的增強(qiáng)是由基因突變引起的,可以采用RNA干擾的方法對麥長管蚜進(jìn)行防治。此外,本研究為全面深度的闡述紫外脅迫對麥長管蚜生長繁殖的影響規(guī)律,掌握不同紫外脅迫下的劑量效應(yīng)關(guān)系及麥長管蚜的適應(yīng)性提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

致謝：趙惠燕老師及西北農(nóng)林科技大學(xué)生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室對實(shí)驗(yàn)支持，特此致謝。