光周期和溫度誘導美國白蛾滯育*

王少博 周 洲 陳怡萌 王玉珠 張永安 曲良建

(1.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所 國家林業(yè)和草原局森林保護學重點實驗室 北京 100091；2.河南科技大學林學院 洛陽 471003)

生物界中存在2種晝夜節(jié)律，一種是晝夜的每日循環(huán)，另一種是以晝夜長度(光周期)變化為特征的年度季節(jié)循環(huán)，二者之間的相互協(xié)調(diào)在生物體生長發(fā)育中起著至關重要的作用(Bradshawetal.，2010a；2010b；Ikenoetal.，2010)。對光周期信號的敏感性使得昆蟲能夠感知季節(jié)變化，并相應地調(diào)整其生活方式和發(fā)育周期。昆蟲通過長期的生態(tài)進化，生命發(fā)育周期與季節(jié)變化相適應，從而能夠在不適合其生長發(fā)育的季節(jié)到來之前，通過感知周圍環(huán)境因子的變化形成一種發(fā)育或繁殖停滯狀態(tài)，即滯育，以保證種群避開不利環(huán)境，維持種群的生存和繁衍(Denlinger，2002；王滿囷等，2004；徐衛(wèi)華，2008；Saundersetal.，2013)。自然界中，光周期和溫度是影響昆蟲滯育最為重要的2個環(huán)境因子，二者既可協(xié)同作用，也可單獨影響昆蟲滯育(Jackson，2011；王力剛等，2011；Englert，2018)。

美國白蛾(Hyphantriacunea)屬鱗翅目(Lepidoptera)燈蛾科(Arctiinae)，是一種外來入侵有害生物，因具有食性雜、繁殖量大、適應性強、危害嚴重等特點，被列為重大林業(yè)有害生物(Sullivanetal.，2011；李娟等，2019)。根據(jù)國家林業(yè)和草原局2019年美國白蛾疫區(qū)的公告，美國白蛾已入侵至湖北省、陜西省和上海市等12個地區(qū)，對當?shù)氐闹参镔Y源和生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞，亦成為全社會高度關注的重大事件。

美國白蛾是以蛹越冬的兼性滯育昆蟲，目前關于其滯育的研究主要集中在臨界光周期的地理變異(Gomi，1997)、越冬滯育蛹抗寒性(Lietal.，2001)、滯育解除方式(Chenetal.，2014)以及滯育相關基因篩選(Yuetal.，2018)等方面。光周期作為誘導美國白蛾滯育的主要環(huán)境因子雖已被廣泛證實(Gomietal.，1991；Gomi，1997；2007；Chenetal.，2014)，但因?qū)ζ淙狈ο到y(tǒng)研究，致使關于光周期誘導美國白蛾滯育的敏感齡期仍存在爭議(Masaki，1975；潘洪勝等，1992)；此外，溫度和光周期如何協(xié)同影響美國白蛾滯育尚不清楚。鑒于此，本研究探究光周期和溫度對美國白蛾滯育的影響，明確誘導美國白蛾滯育的主控因子和幼蟲敏感齡期，以期為預測美國白蛾的分布、發(fā)生和防治提供參考，為深入研究光周期誘導美國白蛾滯育的分子機制和開發(fā)新型防治技術奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

供試昆蟲美國白蛾采自天津市漢沽林場(39.24°N，117.81°E)，帶回中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所昆蟲病原微生物研究室，置于智能光照培養(yǎng)箱(天津市泰斯特儀器有限公司)以人工飼料法進行續(xù)代飼養(yǎng)。飼養(yǎng)條件：溫度(25±1)℃，光周期L16∶D8，相對濕度70%～80%，室內(nèi)飼養(yǎng)6～7代后作為試驗用蟲。羽化的成蟲飼喂10%蔗糖水以補充營養(yǎng)。

1.2 方法

1.2.1 滯育誘導的光周期反應 美國白蛾滯育誘導的光周期反應試驗在光照培養(yǎng)箱中進行，分別設置4個溫度(21、23、25、27 ℃)和7個光周期(L8∶D16、L10∶D14、L12∶D12、L13∶D11、L14∶D10、L15∶D9、L16∶D8)，共28個處理。將初孵幼蟲分別置于不同處理的培養(yǎng)箱內(nèi)，每處理試蟲100頭，重復3次，試蟲在昆蟲飼養(yǎng)盒(Φ6.3 cm×5.3 cm)中飼養(yǎng)，每天定時觀察并及時更換人工飼料，統(tǒng)計不同處理下幼蟲的發(fā)育、化蛹和滯育情況，臨界光周期計算參考李文香等(2008)和劉月英等(2015)的方法。

1.2.2 光周期誘導滯育敏感齡期的測定 參照上述試驗結果，選擇23 ℃及光周期L16∶D8和L10∶D14作為敏感齡期測定的條件，在美國白蛾幼蟲不同生長發(fā)育階段分別給予長光照L16∶D8(以“L”表示)和短光照L10∶D14(以“S”表示)交替飼養(yǎng)處理。

第1部分試驗分為2組。第1組：初孵幼蟲先給予短光照(S)處理，之后再給予長光照(L)處理，短光處理從第1齡開始依次增加1個齡期，直至整個幼蟲階段都接受短光照處理；第2組：初孵幼蟲先給予長光照(L)處理，之后再給予短光照(S)處理，長光照處理從第1齡開始直至整個幼蟲階段。

第2部分試驗分為5組。第1組：幼蟲階段單個發(fā)育齡期給予短光照(S)處理；第2組：幼蟲階段相鄰2個發(fā)育齡期給予短光照(S)處理；第3組：幼蟲階段相鄰3個發(fā)育齡期給予短光照(S)處理；第4組：幼蟲階段相鄰4個發(fā)育齡期給予短光照(S)處理；第5組：幼蟲階段相鄰5個發(fā)育齡期給予短光照(S)處理。

每組處理試蟲100頭，重復4次。每天定時觀察并及時更換人工飼料，統(tǒng)計不同處理下幼蟲的發(fā)育、化蛹和滯育情況。

1.3 滯育蛹的判定標準

美國白蛾蛹是否滯育參照Gomi(1997)和魏曉棠等(2006)的判別標準，蛹超過30天不羽化即判定為滯育蛹。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 24.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，利用Duncan氏新復極差法進行不同處理組間的顯著性檢驗，臨界光周期回歸方程利用最小二乘法擬合。

2 結果與分析

2.1 滯育誘導的光周期反應

在不同溫度處理下，美國白蛾滯育率隨光照時間(8～16 h)延長逐漸下降(圖1)。光照時間在8～13 h范圍內(nèi)，21和23 ℃條件下美國白蛾滯育率為100%，25和27 ℃條件下滯育率變化不明顯，均保持在92%以上。光照時間為14和15 h時，隨光照時間延長滯育率明顯下降，21 ℃時的滯育率分別為100%和46%，23 ℃時的滯育率分別為90%和23%，25 ℃時的滯育率分別為85.33%和7.67%，27 ℃時的滯育率分別為72%和0(表1)。光照時間為14和15 h時，不同溫度條件下美國白蛾滯育率均呈顯著性差異；光照時間達到16 h，各溫度處理下均無滯育發(fā)生，滯育發(fā)生與否不再受溫度調(diào)控。這表明美國白蛾屬長光照發(fā)育-短光照滯育型昆蟲，且光周期是誘導美國白蛾滯育的主導因素。

圖1 不同溫度下美國白蛾滯育誘導的光周期反應

雖然光周期在美國白蛾滯育誘導中發(fā)揮主導作用，但溫度在滯育誘導過程中亦發(fā)揮重要作用。日光照時間小于13 h或大于16 h，滯育受溫度調(diào)控程度較小，甚至不受溫度調(diào)控，但光照時間在13～16 h之間，滯育率隨溫度降低逐漸升高。光照時間為14 h時，21、23、25和27 ℃條件下的滯育率分別為100%、90%、85.33%和72%，不同溫度處理之間差異顯著(表1)。光照時間為15 h時，4種不同溫度(21、23、25、27 ℃)條件下滯育率依次為46%、23%、7.67%和0，處理間差異達顯著水平(表1)。這表明，低溫可促進美國白蛾滯育發(fā)生，而高溫對滯育具有一定抑制作用。

2.2 臨界光周期

日光照時間在12～16 h范圍內(nèi)時，美國白蛾滯育率與光照時間呈現(xiàn)出顯著相關關系。21、23、25和27 ℃條件下，根據(jù)光照時間12～16 h范圍內(nèi)的滯育率，利用SPSS軟件獲得美國白蛾滯育率與光周期的最佳擬合曲線方程，并計算不同溫度下美國白蛾的臨界光周期。21、23、25和27 ℃條件下的臨界光周期(L∶D)分別為14 h 58 min∶ 9 h 02 min、14 h 45 min∶ 9 h 15 min、14 h 35 min∶ 9 h 25 min、14 h 24 min∶ 9 h 36 min(表2)。這表明，隨著溫度升高，臨界光周期逐漸縮短。

2.3 美國白蛾滯育的敏感齡期

由表3、4可知，美國白蛾幼蟲階段對短光照誘導滯育具有累積效應，僅單一齡期接受短光照并不能誘導其滯育，且不同發(fā)育階段的幼蟲對短光照誘導滯育的敏感性存在差異。

表3中處理1—6表明，美國白蛾滯育率與幼蟲發(fā)育階段連續(xù)接受短光照誘導的時長呈正相關關系，即幼蟲發(fā)育齡期越大，接受短光照誘導的時間越長，其種群滯育率越高。1～2齡幼蟲經(jīng)連續(xù)短光照處理，其滯育率僅為5.70%，1～3齡、1～4齡和1～5齡幼蟲經(jīng)連續(xù)短光照誘導，其種群滯育率依次為28.50%、63.40%和100%。由此可見，美國白蛾幼蟲發(fā)育階段對短光照誘導滯育具有累積效應，該階段接受短光照誘導時間越長(幼蟲發(fā)育齡期越大)，其種群滯育率越高。表3中處理7—12從另一方面進一步證實了該結論，即隨著幼蟲發(fā)育階段接受長光照處理時間增加，其種群從全部滯育(滯育率為100%)逐漸降低到不滯育(滯育率為0)。

表1 光周期和溫度對美國白蛾滯育的影響①

①表中數(shù)據(jù)為滯育率(平均數(shù)±標準誤差)Data are diapause rate(mean ±SE).同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母、同行數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示經(jīng)Duncan 氏新復極差法檢驗后差異顯著(P≤0.05)Different lowercase letters in the same column or different uppercase letters in the same row indicate significant difference atP≤0.05 level by Duncan’s new multiple range test.

表2 美國白蛾在不同溫度下的臨界光周期

表3 美國白蛾幼蟲不同發(fā)育階段感受長光照和短光照的滯育率①

①L：長光照處理(L16∶D8)；S：短光照處理(L10∶D14)。數(shù)據(jù)后不同字母表示經(jīng)Duncan 氏新復極差法檢驗后差異顯著(P≤0.05)，下同。L∶ Long photoperiod treatment(L16∶D8); S∶ Short photoperiod treatment(L10∶D14).Those in the column followed by different letters is significantly different by Duncan’s multiple range test(P≤0.05)，the same below.

表4中處理1—6證實，美國白蛾幼蟲僅單一發(fā)育齡期給予短光照處理不能誘導其滯育，處理7—11、處理12—15、處理16—18和處理19—20表明，美國白蛾幼蟲任意2個及以上連續(xù)發(fā)育齡期給予短光照誘導均能引起滯育發(fā)生，且處理內(nèi)和不同處理間存在顯著性差異。在幼蟲連續(xù)2個發(fā)育齡期接受短光照處理中，處理9(3～4齡)的滯育率最高，為43.11%，處理10(2～3齡)和處理8(4～5齡)的次之，分別為19.70%和18.00%，處理7(1～2齡)和處理11(5～6齡)的滯育率最低。在幼蟲連續(xù)3個發(fā)育齡期接受短光照處理中，處理14(3～5齡)的滯育率最高，為89.67%，處理12(1～3齡)的滯育率最低，為28.50%。在幼蟲連續(xù)4個發(fā)育齡期接受短光照處理中，處理17(2～5齡)種群全部發(fā)生滯育(滯育率為100%)，處理16(1～4齡)的滯育率為63.40%。美國白蛾幼蟲1～5齡或2～6齡連續(xù)5個發(fā)育齡期給予短光照處理，其種群均全部滯育。上述研究結果進一步證實，美國白蛾幼蟲階段對光周期誘導滯育具有累積效應，且不同齡期對光周期的敏感性存在顯著差異，其中以3～5齡發(fā)育階段的幼蟲對光周期誘導滯育最為敏感。

表4 美國白蛾幼蟲不同齡期對光周期誘導滯育的敏感性

3 討論

美國白蛾作為世界性檢疫害蟲，主要分布在冷熱變換明顯的北半球溫帶地區(qū)，滯育是其適應這種季節(jié)性氣候變化的主要機制。同時，美國白蛾作為一種典型的兼性滯育昆蟲，其滯育發(fā)生主要受環(huán)境因子調(diào)控，光周期作為誘導其滯育的主要環(huán)境因子雖已被前人證實，但幼蟲不同發(fā)育階段對光周期誘導滯育是如何反應的、溫度在其滯育誘導過程中是否同樣發(fā)揮重要作用等科學問題至今缺乏系統(tǒng)研究和報道。本研究通過在室內(nèi)建立美國白蛾滯育誘導體系，系統(tǒng)研究不同光周期和溫度組合處理對美國白蛾滯育的影響，結果表明，美國白蛾是典型的長日照發(fā)育-短日照滯育型昆蟲，幼蟲不同發(fā)育階段對光周期的敏感性不同，溫度在美國白蛾滯育誘導過程中協(xié)同光周期發(fā)揮重要作用，但作用程度受光周期影響。

光周期雖是誘導昆蟲滯育的主要因子，但溫度的調(diào)控作用不可忽視。郭建青等(2013)在對亞洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)滯育誘導研究中發(fā)現(xiàn)，光周期對玉米螟滯育誘導作用與溫度有關，而溫度對滯育的影響受光周期調(diào)控；劉月英等(2015)研究得出溫度和光周期共同影響蘋果蠹蛾(Cydiapomonella)滯育；而綠盲蝽(Apolyguslucorum)只有在短光照條件下低溫才有利于滯育(卓德干等，2011)。本研究發(fā)現(xiàn)，光照時間小于13 h或大于16 h，溫度對滯育的影響并不明顯，滯育主要受光周期調(diào)控；光照時間在13～16 h之間，滯育受光周期和溫度協(xié)同調(diào)控，隨溫度的升高和光周期增長，其滯育率呈下降趨勢，表明溫度伴隨光周期在美國白蛾的滯育誘導過程中發(fā)揮作用，其對滯育的影響會受到光周期調(diào)控。劉慧慧(2012)亦通過試驗證實光周期是誘導美國白蛾滯育的主要因子，但其認為光照時間在12～15 h范圍內(nèi)，美國白蛾滯育率隨溫度(20～32 ℃)升高逐漸上升，臨界光周期亦隨溫度升高而延長，此結論與本研究及已有研究結果存在偏差(Gomi，1997；Chenetal.，2014)，其具體原因有待進一步考證。

對光周期誘導滯育的昆蟲而言，滯育蟲態(tài)和滯育敏感蟲態(tài)因昆蟲種類不同存在較大差異，但其感受光周期的敏感階段在很大程度上都被限制在一個發(fā)育階段(Ko?tál，2006；孫守慧等，2009)。以胚胎滯育的昆蟲，敏感階段多在母性階段，如東亞飛蝗(Locustamigratoria)二化性種群中，成蟲在長日照下飼養(yǎng)，子代卵正常發(fā)育，但若成蟲在短光照下飼養(yǎng)，則會誘導其產(chǎn)下滯育卵(Tanaka，1992)；以幼蟲或蛹滯育的昆蟲，多在幼蟲階段對光周期敏感，如以老熟幼蟲越冬滯育的亞洲玉米螟，其敏感階段為1～3齡(樊永亮等，1994)，以蛹滯育的棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)，其敏感階段為幼蟲的后2個齡期(Tianetal.，2013)；以成蟲滯育的昆蟲，其敏感齡期多出現(xiàn)在成蟲階段(薛芳森等，2002)。美國白蛾以蛹滯育越冬，感受光周期的敏感蟲態(tài)為幼蟲期，Masaki 等(1975)推測美國白蛾幼蟲的前半期為光周期的敏感期，但并未開展系統(tǒng)研究進行驗證，亦沒有明確其具體的敏感齡期。潘洪勝等(1992)通過光周期試驗證實，美國白蛾幼蟲2齡—化蛹、3齡—化蛹階段連續(xù)給予短光照處理可誘導其種群滯育，而幼蟲4齡—化蛹、5齡—化蛹階段連續(xù)給予短光照處理則不能引起其種群滯育，與本研究的部分結果一致(表3 處理7—10)。潘洪勝等(1992)基于上述結果，認為美國白蛾幼蟲光照敏感期為2～3齡蟲期，但并沒有開展短光照誘導試驗對該結論進行反向驗證，亦沒有對不同連續(xù)發(fā)育階段的美國白蛾幼蟲開展系統(tǒng)的光周期誘導滯育試驗研究。本研究基于以往研究成果，發(fā)現(xiàn)美國白蛾對光周期誘導滯育具有明顯的累積效應，且不同發(fā)育階段的美國白蛾對光周期的敏感性存在差異，其中以3～5齡幼蟲最為敏感(表4)，該結論對于揭示美國白蛾滯育生物學特性和深入研究其滯育形成機制具有積極意義。

4 結論

1)美國白蛾屬長光照發(fā)育-短光照滯育型昆蟲，光周期是誘導美國白蛾滯育的主導因素，溫度伴隨光周期發(fā)揮作用，低溫和短光照利于滯育發(fā)生。

2)臨界光周期受溫度調(diào)控，在21～27 ℃范圍內(nèi)，臨界光周期隨溫度的升高逐漸縮短。

3)美國白蛾幼蟲階段對短光照誘導滯育具有累積效應，幼蟲3～5齡對光周期誘導滯育最為敏感。