麥長管蚜的低溫適應(yīng)性及陜西楊凌小麥田春季蟲源分析

許向利, 何樂樂, 俞曉婷, 仵均祥

(西北農(nóng)林科技大學(xué), 農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物有害生物綜合治理重點實驗室,植保資源與害蟲治理教育部重點實驗室, 陜西楊凌 712100)

溫度是制約昆蟲種群發(fā)生、分布以及擴散的重要因素(景曉紅和康樂, 2002; 岳雷等, 2013)。在亞熱帶、溫帶或寒帶地區(qū)，冬季持續(xù)性低溫和春季突發(fā)性低溫通常會達到冰點以下，為躲避低溫不良環(huán)境，昆蟲形成一系列應(yīng)對低溫脅迫的行為和生理策略(張飛萍等, 2009; 崔雙雙和賀一原, 2011; 郭婷婷等, 2016)。

極端低溫對昆蟲致死作用的研究中，過冷卻點作為界定耐寒性強弱的指標(biāo)不容忽視(歐陽芳和戈峰, 2014)。昆蟲的過冷卻點與蟲態(tài)密切相關(guān)，在長期進化過程中會形成固定的越冬蟲態(tài)，滯育狀態(tài)下的過冷卻點通常低于同齡期發(fā)育狀態(tài)的過冷卻點(McCornacketal., 2005; 崔雙雙和賀一原, 2011; 岳雷等, 2013)。

極端低溫條件下，由于絕大多數(shù)昆蟲的死亡通常發(fā)生在過冷卻點以上(Andreadis and Athanassiou, 2017)。因此，在過冷卻點測定的基礎(chǔ)上，分析低溫存活率是評價昆蟲耐寒能力的最直觀指標(biāo)，其中低溫致死溫度可在一定程度上評估昆蟲對極端不良低溫的耐受能力，并用于預(yù)測冬季昆蟲存活的低溫下限(景曉紅和康樂, 2004)。

麥長管蚜Sitobionavenae是小麥生產(chǎn)上重要的世界性害蟲，我國小麥產(chǎn)區(qū)麥蚜的優(yōu)勢種，該蟲主要在小麥穗部危害，因此又稱穗蚜(李克斌等, 2014)。麥長管蚜具有遷飛習(xí)性，通常認為孤雌生殖蚜在1月份0℃等溫線(33～34°N)以北地區(qū)不能越冬，我國北方麥區(qū)春季蟲源主要依靠外來遷入(張向才等, 1985; 羅瑞梧, 1988; 李克斌等, 2014)。陜西楊凌位于108.1°E，34.3°N，麥長管蚜能否以孤雌生殖蚜在該地越冬有待研究。明確麥長管蚜的耐寒性，不僅有助于了解該蟲的越冬存活狀況，而且可用于預(yù)測春季小麥田蚜蟲的來源與發(fā)生發(fā)展動態(tài)，對其早中期防治措施的制訂具有重要意義。Knight和Bale(1986)測定麥長管蚜實驗室種群的過冷卻點在-20.5～-27.0℃；Powell和Bale(2004)研究表明麥長管蚜在-9℃條件下其存活率達到20%左右。但國內(nèi)對麥長管蚜耐寒性研究方面的信息極少，麥長管蚜的過冷卻點和低溫存活率與當(dāng)?shù)販囟鹊年P(guān)系尚不明確。由于昆蟲不同地理種群耐寒能力可能是表型可塑性結(jié)果，蚜蟲的低溫致死溫度在區(qū)域間存在差異(Hazelletal., 2010)，國外關(guān)于麥長管蚜過冷卻點和低溫存活率的研究結(jié)果是否適合我國實際尚需研究。鑒于此，本研究在測定麥長管蚜實驗室種群過冷卻點并分析其低溫存活率的基礎(chǔ)上，調(diào)查自然條件下陜西楊凌小麥田整個生育期田間種群動態(tài)，估計當(dāng)?shù)囟钧滈L管蚜存活的可能性，以期為該蟲耐寒性研究和準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試蟲來源和收集

2018年10月，在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)科技園小麥田(108.08°E, 34.29°N)采集麥長管蚜蟲源，采用水培小麥苗法(魯艷輝和高希武， 2007)在人工氣候箱(溫度15℃±1℃，光周期16L∶8D，相對濕度65%±10%)飼養(yǎng)。 室內(nèi)繼代飼養(yǎng)3代后供試。

1.2 麥長管蚜實驗室種群過冷卻點和結(jié)冰點的測定

收集孤雌生殖麥長管蚜的1齡若蚜，2齡若蚜，有翅型和無翅型3齡、4齡若蚜，以及未產(chǎn)仔蚜的成蚜各40頭，采用熱電阻型過冷卻點測定儀測定麥長管蚜過冷卻點。具體方法為：將蚜蟲用微量膠固定于測溫微探頭上，脫脂棉包裹蟲體和探頭，快速置于-40℃低溫槽。蟲體溫度變化通過數(shù)據(jù)采集器直接輸入計算機，軟件自動記錄，繪制溫度變化圖，讀取蚜蟲過冷卻點和結(jié)冰點的數(shù)值(歐陽芳和戈峰, 2014)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最低溫度設(shè)置為-40℃，系統(tǒng)每隔1 s采集并記錄數(shù)據(jù)2次。

1.3 麥長管蚜實驗室種群低溫存活率測定

1.3.1致死溫度確定：在預(yù)實驗確定供試溫度的基礎(chǔ)上，參考Powell和Bale(2004)方法將孤雌生殖麥長管蚜1齡若蚜以及未產(chǎn)仔蚜的無翅成蚜各10頭分別置于15 mL玻璃試管，從15℃培養(yǎng)溫度直接轉(zhuǎn)移至-7℃, -8℃, -9℃, -10℃和-11℃酒精浴中暴露3 h，然后分別接于單株小麥苗上在15℃的人工氣候箱中飼養(yǎng)，72 h后統(tǒng)計死亡蚜蟲(無法協(xié)調(diào)運動，后同)的數(shù)量，計算存活率。將導(dǎo)致約80%死亡率的暴露溫度定義為致死溫度。以15℃正常飼養(yǎng)蚜蟲為對照。每個處理重復(fù)5次。

1.3.2快速冷馴化反應(yīng)：參考Powell和Bale(2004)方法將孤雌生殖麥長管蚜1齡若蚜和未產(chǎn)仔蚜的無翅成蚜各10頭分別置于15 mL玻璃試管，在0℃分別保持1, 2, 3, 4和5 h進行冷馴化，后置于酒精浴(處于致死溫度)3 h，然后分別接于單株小麥苗上在15℃的人工氣候箱中飼養(yǎng)，72 h后統(tǒng)計死亡蚜蟲的數(shù)量，計算存活率。以15℃直接轉(zhuǎn)移到致死溫度的蚜蟲為對照。每個處理重復(fù)5次。

1.4 自然條件下麥長管蚜種群動態(tài)調(diào)查

在陜西楊凌(108.08°E, 34.29°N)選擇2018年9月底播種的小麥田3塊，調(diào)查整個生育期(2018年10月至2019年6月)麥長管蚜個體數(shù)量。從小麥出苗后第10天開始，隨機選取10個樣點，每個樣點隨機調(diào)查100莖小麥，每月3次定期調(diào)查并記錄麥長管蚜個體數(shù)量。調(diào)查田的小麥品種為小偃22，播種量為7.5 kg/667 m2，常規(guī)管理，未施用過任何殺蟲劑、殺菌劑或除草劑。

1.5 氣象資料的獲取

氣象資料來自西北農(nóng)林科技大學(xué)科技園的氣象采集系統(tǒng)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0進行分析。采用Kolmogorov-Smirnov檢驗麥長管蚜過冷卻點和結(jié)冰點數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。不同發(fā)育階段的過冷卻點和結(jié)冰點采用單因素方差分析差異顯著性；同一齡期不同翅型之間采用Mann-WhitneyU檢驗分析差異顯著性。1齡若蚜和無翅成蚜的存活率數(shù)據(jù)進行反正弦和平方根轉(zhuǎn)換，不同溫度處理之間低溫存活率采用單因素方差分析差異顯著性；零下低溫與存活率的相關(guān)性分析采用Spearman相關(guān)系數(shù)，顯著性分析采用雙尾T檢驗；回歸分析采用線性回歸法。

2 結(jié)果

2.1 麥長管蚜實驗室種群的過冷卻點和結(jié)冰點

頻次分布表明，麥長管蚜1齡和2齡若蚜的過冷卻點波動范圍較小，分別為-27.4～-19.2℃和-27.3～-18.3℃，3齡若蚜、4齡若蚜和成蚜的過冷卻點波動范圍較大，分別為-27.4～-10.7℃, -26.7～-12.5℃和-26.7～-11.2℃(圖1)。麥長管蚜的過冷卻點和結(jié)冰點隨齡期增加均顯著升高(過冷卻點:F7,312=3.610,P=0.001; 結(jié)冰點:F7,312=23.863,P<0.001)，其中成蚜的過冷卻點顯著高于1齡和2齡若蚜(P<0.05)(表1)；3齡若蚜、4齡若蚜和成蚜的過冷卻點在不同翅型之間不存在顯著性差異(3齡若蚜:Z=-0.077,P=0.939; 4齡若蚜:Z=-0.082,P=0.935; 成蚜:Z=-1.863,P=0.063)(表1)。

2.2 麥長管蚜實驗室種群的低溫存活率

麥長管蚜1齡若蚜經(jīng)低溫處理的存活率隨溫度降低而顯著降低(F5,24=63.467,P<0.001)，-7～-10℃處理3 h后轉(zhuǎn)移至15℃飼養(yǎng)72 h， 存活率顯著低于未處理對照，-11℃處理的所有個體全部死亡。無翅成蚜經(jīng)低溫處理的存活率也隨溫度降低而顯著降低(F4,20=35.007,P<0.001)，-10℃低溫處理后無翅成蚜全部死亡。 Spearman相關(guān)性分析表明，1齡若蚜和無翅成蚜的處理溫度與其存活率之間均存在顯著相關(guān)性(1齡若蚜:r=0.936,P<0.01; 無翅成蚜:r=0.855,P<0.01)。線性回歸分析表明，1齡若蚜和無翅成蚜處理溫度與其存活率的回歸方程分別為y=21.6x+226.8(R2=0.869,P<0.01)和y=12.2x+119.2(R2=0.658,P<0.01)；致死溫度(80%死亡率)分別在-10.5℃和-8.1℃左右(圖2)。

圖1 麥長管蚜不同發(fā)育階段過冷卻點的頻次分布Fig. 1 Frequency distribution of supercooling points of different developmental stages of Sitobion avenaeA: 1齡若蚜1st instar nymph; B: 2齡若蚜2nd instar nymph; C: 3齡無翅若蚜3rd instar apterous nymph; D: 3齡有翅若蚜3rd instar alate nymph; E: 4齡無翅若蚜4th instar apterous nymph; F: 4齡有翅若蚜4th instar alate nymph; G: 無翅成蚜Apterous adult; H: 有翅成蚜Alate adult.

表1 麥長管蚜不同發(fā)育階段的過冷卻點和結(jié)冰點Table 1 Supercooling point and freezing point of different developmental stages of Sitobion avenae

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng)過Duncan氏多重比較差異顯著(P<0.05)。Data in the table are means±SE. Different small letters following the data in the same column indicate significant differences (P<0.05) by Duncan’s multiple range test.

圖2 低溫對麥長管蚜1齡若蚜和無翅成蚜存活率的影響Fig. 2 Effect of low temperature on the survival rate of the 1st instar nymphs and apterous adults of Sitobion avenae將蚜蟲從15℃培養(yǎng)溫度直接轉(zhuǎn)移至-7℃, -8℃, -9℃, -10℃和-11℃暴露3 h，然后分別接于單株小麥苗上在15℃的人工氣候箱中飼養(yǎng)，72 h后統(tǒng)計死亡蚜蟲的數(shù)量，計算存活率。圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，圖柱上不同大寫和小寫字母分別表示1齡若蚜和無翅成蚜存活率經(jīng)過Duncan氏多重比較差異顯著(P<0.05)。Aphids were transferred directly from culture temperature (15℃) to -7℃, -8℃, -9℃, -10℃, and -11℃ for 3 h, respectively. They were then placed on wheat seedlings in an artificial climatic chamber at 15℃, and dead aphids were counted and the survival rates calculated 72 h later. Data in the figure are means±SE. Different uppercase and lowercase letters above bars indicate significant difference in the survival rate for the 1st instar nymph and apterous adult, respectively, by Duncan’s multiple range test (P<0.05). 圖3同The same for Fig. 3.

麥長管蚜1齡若蚜和無翅成蚜0℃快速冷馴化不同時間后，分別在-9℃和-8℃暴露3 h，隨后15℃飼養(yǎng)72 h，存活率在不同時間處理之間均存在顯著差異(1齡若蚜:F5,24=3.426,P=0.018; 無翅成蚜:F5,24=2.663,P=0.047)。1齡若蟲和無翅成蚜快速冷馴化組存活率均顯著高于不進行快速冷馴化的對照(0 h)(P<0.05)，其中0℃快速馴化2 h的存活率最高(圖3)。

圖3 快速冷馴化對麥長管蚜1齡若蚜和無翅成蚜存活率的影響Fig. 3 Effect of rapid cold acclimation on the survival rate of the 1st instar nymphs and apterous adults of Sitobion avenae將蚜蟲在0℃分別保持1, 2， 3, 4和5 h進行冷馴化后置于致死溫度(1齡若蚜暴露于-9℃, 無翅成蚜暴露于-8℃)3 h，然后分別接于單株小麥苗上在15℃的人工氣候箱中飼養(yǎng)，72 h后統(tǒng)計死亡蚜蟲的數(shù)量，計算存活率。Aphids were transferred to lethal temperature (-9℃ for the 1st instar nymph and -8℃ for apterous adult) for 3 h after cold acclimation at 0℃ for 1, 2, 3, 4, and 5 h, respectively. They were then placed on wheat seedlings in an artificial climatic chamber at 15℃, and dead aphids were counted and the survival rates calculated 72 h later.

2.3 自然條件下麥長管蚜的種群動態(tài)

氣象資料數(shù)據(jù)顯示， 2009-2019年陜西楊凌1月份單日最低氣溫分別為-11.0℃, -8.2℃, -9.7℃, -13.1℃, -10.2℃, -8.6℃, -8.3℃, -14.2℃, -6.9℃, -13.1℃和-7.3℃，其中2019年1月份月平均溫度最低為-4.0℃，最高為4.8℃，單日平均最低溫度為-7.3℃，最高溫度為8.0℃(表2)。自然條件下麥長管蚜田間種群動態(tài)調(diào)查表明，從2018年10月份小麥播種至2019年6月份收獲，麥長管蚜田間種群個體數(shù)量存在2個高峰期，分別為11月份和次年5月份；1月份種群個體數(shù)量處于最低水平，百莖蚜蟲數(shù)量僅為0.067頭，均為孤雌生殖蚜(圖4)。結(jié)果說明2018-2019年冬季麥長管蚜在陜西楊凌麥田可以順利越冬。

表2 2009-2019年陜西楊凌1月份氣溫變化Table 2 Change in temperature in January from 2009 to 2019 in Yangling, Shaanxi

圖4 陜西楊凌2018年10月至2019年6月氣溫變化和麥長管蚜種群動態(tài)Fig. 4 Changes in temperature from October 2018 to June 2019 and population dynamics ofSitobion avenae in Yangling, Shaanxi

3 討論

過冷卻現(xiàn)象是許多昆蟲在低溫不良條件下為了存活可能利用的普遍方式之一(Andreadis and Athanassiou, 2017)，并且過冷卻點高低與蟲態(tài)有關(guān)(岳雷等, 2013)。本研究中陜西楊凌麥長管蚜實驗室種群的過冷卻點隨齡期增加呈顯著上升趨勢(表1)，該結(jié)果與麥長管蚜(Knight and Bale, 1986)、豌豆蚜Acyrthosiphonpisum、茄溝無網(wǎng)蚜Aulacorthumsolani和瘤突修尾蚜Megouracrassicauda(Asaietal., 2002)、大豆蚜Aphisglycines(McCornacketal., 2005)、旋幽夜蛾Scotogrammatrifolii(趙琦等, 2011)、亞洲柑橘木虱Diaphorinacitri和柚喀木虱Cacopsyllacitrisuga(黃治軼等, 2015)以及美國白蛾Hyphantriacunea(鄧煜等, 2016)等昆蟲過冷卻點隨幼(若)蟲齡期增加而逐漸升高的結(jié)果相一致。昆蟲過冷卻點隨幼(若)蟲齡增加而升高可能與其體內(nèi)含水量、能量儲備物質(zhì)以及抗凍耐寒物質(zhì)變化有關(guān)(歐陽芳和戈峰, 2014)。

相比于有翅型個體，麥長管蚜無翅型個體最后一次蛻皮后卵巢小管中基部胚胎已經(jīng)完全成熟，可在短時間內(nèi)大量產(chǎn)仔，而且所產(chǎn)1齡若蚜的存活對其種群延續(xù)具有重要意義。因此，本研究通過1齡若蚜和未產(chǎn)仔的無翅成蚜來評價零下低溫條件對麥長管蚜存活的影響。結(jié)果表明，1齡若蚜和無翅成蚜的致死溫度分別在-10.5℃和-8.1℃左右(圖2)，快速冷馴化可以提高其存活率(圖3)。該研究結(jié)果與Powell和Bale(2004)麥長管蚜的研究結(jié)果相似，說明短時間的快速冷馴化可能是蚜蟲躲避不良低溫環(huán)境的一種有效途徑。溫帶地區(qū)桃蚜Myzuspersicae和北極地區(qū)蚜蟲Myzuspolaris的致死溫度在-12.7～-13.9℃范圍，但亞熱帶地區(qū)蚜蟲Myzusornatus的顯著較高(-6.6℃)(Hazelletal., 2010)。豌豆蚜、茄溝無網(wǎng)蚜和瘤突修尾蚜3種蚜蟲在-10℃的存活率存在差異，其中豌豆蚜的存活率最高，而瘤突修尾蚜的存活率最低，出現(xiàn)了大量死亡，但不同種類蚜蟲的過冷卻點在相同發(fā)育階段之間并不存在顯著性差異(Asaietal., 2002)。這些結(jié)果說明,蚜蟲盡管有很低的過冷卻點，但大量死亡通常發(fā)生在過冷卻點以上的亞致死低溫區(qū)，這種體液結(jié)冰前的大量死亡現(xiàn)象可能是冷休克對蚜蟲造成的致命傷害，而與冰凍無關(guān)(Asaietal., 2002; Bale and Hayward, 2010)。

自然條件下，2009-2019年陜西楊凌1月份單日最低氣溫在-14.2～-6.9℃。麥長管蚜的致死溫度和對短時間快速冷馴化反應(yīng)的研究結(jié)果結(jié)合2019年1月份單日最低氣溫，佐證了陜西楊凌小麥田2019年1月份仍然發(fā)現(xiàn)孤雌生殖麥長管蚜繼續(xù)存活的現(xiàn)象(圖2～4)。該結(jié)果與麥長管蚜在渭北非極端年份以成、若蚜越冬的調(diào)查結(jié)果(相建業(yè)等, 1994)相一致。陜西楊凌(108.1°E, 34.3°N)與河南許昌地區(qū)(113.8°E, 34.0°N)緯度基本相同，連續(xù)10年的田間調(diào)查表明，麥蚜能以孤雌胎生雌蚜在許昌地區(qū)小麥田越冬(李梅花等, 2008)。這些結(jié)果說明在1月份平均氣溫0℃等溫線附近的秦嶺和淮河以北部分地區(qū)麥長管蚜能以孤雌生殖蚜越冬。

麥長管蚜具有遠距離遷飛習(xí)性(張向才等, 1985; 李克斌等, 2014)，其捕獲日期和夏季種群大小受冬季氣溫的強烈影響(Walters and Dewar, 1986)。我們在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)2019年1月陜西楊凌冬季小麥田存在孤雌生殖麥長管蚜，成蚜和若蚜同時存在，但以若蚜為主，這種現(xiàn)象說明麥長管蚜在北方溫帶部分地區(qū)可以越冬，當(dāng)?shù)卦蕉婊顐€體應(yīng)該是春季早期蟲源之一，是否有遷飛蟲源還需進一步的直接證據(jù)。