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)林科技大學植物保護學院,旱區(qū)作物逆境生物學國家重點實驗室,楊凌 712100

UV-B波長在290—315 nm之間,是到達生物圈的很重要的太陽光譜[1]。隨著20世紀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%,過量的紫外線進入生物圈,勢必對生物產(chǎn)生強大的選擇壓力[5]。有研究證實中緯度地區(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、接收并轉變成特定行為反應而影響昆蟲的定位、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、微生物介導的UV-B對昆蟲的影響。UV-B增強對植物的形態(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,從而間接影響昆蟲種群[16],UV-B增強和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,導致千粒重下降,同時傳播病毒病,每年造成小麥產(chǎn)量損失15%—30%,嚴重時達60%,特別是蚜蟲為典型的R對策特征：個體小、生命周期短、繁殖快、繁殖量大、能短時間適應新的不利環(huán)境。當全球氣候變暖、紫外線增強時蚜蟲能很快適應這種環(huán)境而進化。然而,多大的紫外線強度、多長照射時間、經(jīng)歷多少世代蚜蟲適應這種紫外線的增強而進化目前還不清楚。本研究團隊前期進行了不同紫外線強度、不同照射時間、照射強度與照射時間交互作用等研究,確立了0.2,0.75 mW/cm2代表當今全球紫外線平均強度和未來全球溫度上升3℃時的紫外線前度試驗條件,在這個條件下團隊已經(jīng)研究了17個世代蚜蟲的適應性[17-18]。后續(xù)世代蚜蟲是否已經(jīng)適應了這種環(huán)境條件,正是本研究的科學問題。

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,以期提前預測在全球氣候變化導致的紫外輻射強度升高的情況下麥長管蚜是如何適應變異及遺傳進化的規(guī)律,從而為逆境脅迫下蚜蟲的生態(tài)遺傳與進化機理提供理論依據(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)林科技大學昆蟲生態(tài)學實驗室提供的單克隆種群,經(jīng)過不同紫外強度(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條件、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)林科技大學農(nóng)學院提供。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,低強度輻射組(0.50 mW/cm2)(全球溫度上升2度時的紫外線強度)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 輻射強度采用 UV-B測量儀(VLX- 3W,Vilber Lourmat Inc.,法國托爾西)測量。試驗麥長管蚜置于培養(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度和高強度紫外光下輻照48 h(每天16 h),待紫外處理后,將培養(yǎng)皿轉移到普通日光燈對照組下進行飼養(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 生物技術有限公司) 中,挑取新鮮小麥葉片于濾紙上,將不同紫外強度處理48 h(每天16 h)下的麥長管蚜成蟲取出,當天所產(chǎn)1齡若蚜于小麥葉片上進行單頭飼養(yǎng),每個處理設置3個重復,每個重復20頭蚜蟲。每天定時記錄其蛻皮、生長及產(chǎn)仔情況,待麥蚜發(fā)育至成蟲產(chǎn)仔時,將每天所產(chǎn)仔蚜計數(shù)后移出培養(yǎng)皿,定時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)計存活率、生殖價值(vxj)(表示年齡x階段j的個體對未來種群的貢獻)、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分別對不同紫外強度和世代進行單因素方差分析,單因素方差分析 (One-way ANOVA) 采用 Student-Newman-Keuls(SNK) 多重比較檢驗法進行多重比較,各處理間的顯著性差異均設為P< 0.05水平,用Sigma Plot 12.5、Mathematica作圖。

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

2 結果與分析

2.1 不同輻射強度下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條件下,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,適應性增強。分析不同世代的b值發(fā)現(xiàn)：低強度處理下不同世代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代達到最大值且與第32代、第37代間差異不顯著；高強度處理下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,適應性增加(表1)。

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

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

2.2 UV-B輻射對麥長管蚜各階段生殖價值的影響

不同強度UV-B輻射下,麥長管蚜各階段生殖價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成蚜期生殖價值高強度處理組大于低強度處理組大于對照組。同一處理不同世代條件下,低強度處理組成蚜期生殖價值先升高后下降再升高的馬鞍形規(guī)律,在G37時值最大為11頭/成蚜,高強度處理組成蚜期生殖價值先降低再升高,在G37時值最大為12頭/成蚜。同一處理不同世代,隨世代的升高,成蚜貢獻期間先升高后下降(圖1)。

2.3 不同強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輻射強度下,麥長管蚜種群生態(tài)學參數(shù)內(nèi)稟增長率(rm)和周限增長率(λ)受不同強度UV-B處理第27代處理組顯著

表2 不同輻射強度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代低強度處理組顯著低于對照組,高強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輻射強度下,低強度處理組內(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達到最大值,凈增殖率(R0)在G27達到最大值。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達到最大值。高強度處理組內(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,高強度處理組rm在G36代達到最大值,在G37代rm高于其他各統(tǒng)計世代,低強度處理組在G37達到最大值(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 結論與討論

本研究中,運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代這個長期的脅迫過程中,存活率反應了種群消長趨勢,在紫外處理條件下均隨時間的延長而降低。生殖價值反應各階段對未來種群的貢獻,各紫外處理條件下成蚜期貢獻明顯高于若蚜期,低強度處理組和高強度處理組的貢獻時間分別在G27和G32達到最大值,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,麥長管蚜適應了紫外環(huán)境,高、低紫外處理均促進了麥長管蚜的生長發(fā)育,本研究認為在本實驗處理條件下,麥長管蚜在G37對紫外的適應能力最強,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)進行飼養(yǎng)。不同世代,低強度處理組,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]研究的結果相一致,說明麥長管蚜對紫外環(huán)境的適應能力。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)境脅迫增強麥長管蚜的適應能力,隨著蚜蟲自身的調(diào)節(jié),親代麥長管蚜的毒害效應會逐漸減弱,但隨著脅迫代數(shù)的累加,UV-B的劑量累計超過了麥長管蚜的適應范圍,其毒害效應再次傳遞給子代,影響子代的各項生長發(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)酶作用的結果還是基因突變后新的適應需要我們做進一步深入研究。

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)桿菌介導法轉化擬南芥,使其在擬南芥中得到大量表達,證實了該GST的過量表達可明顯增強擬南芥對紫外輻射損傷作用的耐受性。姚建秀等[25]用RAPD技術對紫外線連續(xù)輻射誘導一代麥長管蚜產(chǎn)生的DNA多態(tài)性進行了分析,證實紫外線是誘導蚜蟲變異的條件之一。都二霞等[26]利用SSR技術分析了不同劑量紫外線誘導下桃蚜的DNA變異,結果表明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長期的生命表參數(shù)進行了研究,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一步探索。本研究結果表明,隨著紫外處理條件下麥長管蚜世代的延續(xù),麥長管蚜對紫外的適應能力增強,應加強對麥長管蚜的防治,如果這種適應性的增強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關系及麥長管蚜的適應性提供實驗基礎和理論依據(jù)。

致謝：趙惠燕老師及西北農(nóng)林科技大學生態(tài)學實驗室對實驗支持，特此致謝。