意大利蝗越冬卵抗寒性初步研究

何 嵐，張永軍，葉小芳，季 榮

(新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，中亞區(qū)域跨境有害生物聯(lián)合控制國際研究中心，新疆特殊環(huán)境物種保護(hù)與調(diào)控生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054)

昆蟲是地球上分布最為廣泛的動物類群，冬季低溫是自然界中造成昆蟲死亡的重要原因，成為影響昆蟲種群動態(tài)和數(shù)量波動的關(guān)鍵因素之一(Bale, 1996)。昆蟲抗寒能力的強(qiáng)弱是其種群存在和發(fā)展的重要前提，影響其生殖、擴(kuò)散、分布及在下一季節(jié)的發(fā)生動態(tài)(McDonaldetal., 2000; 景曉紅和康樂, 2002, 2004)。因此，昆蟲抗寒性及其生理響應(yīng)機(jī)制研究一直是昆蟲生理生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。

過冷卻現(xiàn)象是指體液溫度下降到零度以下而不結(jié)冰的現(xiàn)象，可通過過冷卻點(diǎn)(Supercooling point, SCP)來量化反映，過冷卻點(diǎn)是衡量昆蟲抗寒性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)(Somme,1996; Renaultetal., 2002; Hao and Kang, 2004; 李娜等, 2014a, 2014b)。

意大利蝗Calliptamusitalicus是歐洲大陸的代表蝗蟲，廣泛分布在北疆沿天山，東起巴里坤盆地、昌吉州，西至博爾塔拉州、伊犁州、塔城盆地、阿勒泰山區(qū)以及南疆的巴音郭楞州、阿克蘇地區(qū)和喀什等地，是危害新疆農(nóng)田和草原的重要害蟲，每年造成重大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)損失(洪軍等, 2014)。意大利蝗以卵越冬，越冬卵能否安全越冬與翌年種群數(shù)量關(guān)系密切。了解蝗卵對低溫的適應(yīng)能力，對于蝗災(zāi)的預(yù)測預(yù)報以及防治均具有重要意義(景曉紅和康樂, 2003)。目前意大利蝗卵越冬不同階段抗寒性的比較研究未見報道。本研究通過測定不同越冬階段意大利蝗卵的過冷卻點(diǎn)、結(jié)冰點(diǎn)、卵含水量等的變化規(guī)律及相互關(guān)系，為揭示意大利蝗越冬卵的抗寒性規(guī)律提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

意大利蝗蝗卵于2015年夏季采自新疆伊犁察布查爾縣荒漠草原，為方便測定過冷卻點(diǎn)，將卵塊連同土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，模擬野外越冬環(huán)境，將采集的蝗卵埋在烏魯木齊實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)地下3～5 cm。

1.2 方法

當(dāng)年9月至次年5月，每月相同時間分別取所需數(shù)量的蟲卵，進(jìn)行蟲卵抗寒性測定。在土壤相同深度處埋置自動溫度濕度記錄儀(A-volt，Tp-2200)，設(shè)置為每2 h測定一次，記錄土壤環(huán)境溫度變化趨勢。

1.3 過冷卻點(diǎn)和結(jié)冰點(diǎn)的測定

從卵塊中選取健康、飽滿完整無傷的卵粒1枚，稱鮮重。將稱重后的卵置于0.5 mL的離心管底部，將與溫度記錄儀連接的測溫探頭插入到離心管底部，與卵體充分接觸后用脫脂棉及膠帶固定，放在塑料盒中，一起放入高低溫交變試驗(yàn)箱(JOOWAY，JW2000)。測試時，使箱內(nèi)溫度以1℃/min的速率下降至-40℃。卵體溫度隨箱體環(huán)境溫度的下降而降低，蟲體溫度變化由溫度自動記錄儀器(TOPRIE，TP700)采集，通過計(jì)算機(jī)及其配套軟件進(jìn)行記錄分析。卵體溫度降低到某一點(diǎn)時，產(chǎn)生冰晶，卵釋放潛熱，溫度會發(fā)生跳躍式升高，在溫度曲線圖上顯示為跳躍值，即為過冷卻點(diǎn)(如圖1所示)。當(dāng)溫度曲線圖上再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)時，即為結(jié)冰點(diǎn)(圖1)。每個階段測定30～60枚卵。

圖1 過冷卻點(diǎn)與結(jié)冰點(diǎn)示意圖Fig.1 Diagram of supercooling point and freezing point

1.3 蝗卵鮮重和含水量測定

選取新鮮完整的卵粒10枚，稱鮮重(W1)，置于烘箱65℃烘干至恒重，再次稱重(W2)，(W1-W2)*100%/W1為蝗卵的游離水含量。每個階段測定10次重復(fù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用單因素方差分析比較各月蝗卵過冷卻點(diǎn)、結(jié)冰點(diǎn)、鮮重、含水量之間的差異，采用Pearson相關(guān)性分析法分析蟲卵含水量與過冷卻點(diǎn)及結(jié)冰點(diǎn)的關(guān)系(SPSS 19.0，顯著性a=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度的變化

地下5 cm土溫監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年10月至次年3月，土壤溫度依次降低，1月開始降至零下，2月溫度達(dá)到最低，最低值為-3.3℃。4月溫度開始急劇上升(圖2)。根據(jù)土壤溫度的變化可將蝗卵越冬階段分為為越冬前(9月-12月，>0℃)，越冬期(1月-3月，<0℃)、越冬后(4月-5月，>0℃)。

圖2 地下5 cm土壤溫度變化Fig.2 Changes in soil temperature

2.2 意大利蝗卵鮮重和含水量的變化

對意大利蝗越冬卵鮮重和含水量分析發(fā)現(xiàn)，越冬前后蝗卵鮮重發(fā)生顯著變化(F8，81=12975.12，P=0.000)。9月卵鮮重最低，平均為(0.00303±0.00005)g，10月-次年3月顯著增加，平均為(0.00576±0.00007)g～(0.00613±0.00007)g，到4月和5月劇烈增加至(0.03899±0.00025)g和(0.03958±0.00017)g，分別是9月的12.9倍和13.1倍(圖3A)。蝗卵含水量在越冬前后也發(fā)生了顯著變化(F8，81=146.75，P=0.000)。整體上，9月-次年3月蝗卵含水量較低，平均為(55.2±0.5)%～(59.1±0.2)%，期間11月-12月含水量增加，1月降低后迅速回升，并在4月和5月劇烈增加，較9月分別增加了37.1%和40.1%(圖3B)。

圖3 蝗卵鮮重與含水量隨月份的變化Fig.3 Changes of fresh weight and water content in the eggs during different months

2.3 意大利蝗卵過冷卻點(diǎn)和結(jié)冰點(diǎn)的變化

對意大利蝗卵越冬前后過冷卻點(diǎn)和結(jié)冰點(diǎn)的變化分析顯示，蝗卵過冷卻點(diǎn)在越冬期間發(fā)生了顯著變化(F8，401=20.190，P=0.000)。當(dāng)年 9月-次年3月期間，過冷卻點(diǎn)均值低于-24.0℃，次年4月和5月顯著上升至-22.7±0.7℃和-21.0±0.7℃(圖4A)。分析各月蝗卵過冷卻點(diǎn)的分布頻率可知(表1)，當(dāng)年9月-次年3月，80%以上的蝗卵過冷卻點(diǎn)低于-24.0℃。而次年4月和5月，蝗卵過冷卻點(diǎn)普遍升高，蝗卵過冷卻點(diǎn)低于-24.0℃的比例顯著降低，而過冷卻點(diǎn)在-23.9℃～-20.0℃的蝗卵比例高達(dá)77.1%和52.1%，且有一定比例的蝗卵過冷卻點(diǎn)上升至-20.0～-12.0℃，甚至有4.2%和6.3%蝗卵過冷卻點(diǎn)高于-12.0℃(表1)。研究證明，意大利蝗卵越冬期間結(jié)冰點(diǎn)亦發(fā)生顯著變化(F8，401= 41.620，P=0.000)。與過冷卻點(diǎn)變化趨勢相似，9月-次年3月，蝗卵結(jié)冰點(diǎn)均低于-21.0℃，4月開始，蝗卵結(jié)冰點(diǎn)上升至-15.0±0.7℃，5月結(jié)冰點(diǎn)繼續(xù)上升至-13.5±0.7℃ (P<0.05)(圖4B)。

Pearson相關(guān)性分析表明，蝗卵含水量與過冷卻點(diǎn)和結(jié)冰點(diǎn)之間存在顯著正相關(guān)(Pearson為0.420和0.576，P<0.01，圖5 A, B)。

圖4 意大利蝗越冬卵過冷卻點(diǎn)和結(jié)冰點(diǎn)隨月份的變化Fig.4 Changes of supercooling point and freezing point in the eggs during different months

表1 意大利蝗越冬卵過冷卻點(diǎn)分布頻次隨月份的變化(%)

圖5 蝗卵含水量與過冷卻點(diǎn)及結(jié)冰點(diǎn)的相關(guān)性Fig. 5 Correlation of water content and supercooling point/freezing point in the eggs

3 結(jié)論與討論

長期進(jìn)化過程中，蝗卵發(fā)展了多種生態(tài)和生理特性以便增強(qiáng)其耐寒性，使其能在低溫下存活。報道發(fā)現(xiàn)飛蝗Locustamigratoria蝗卵過冷卻點(diǎn)主要分布在兩個部分，一部分在-25℃左右，一部分在-10℃左右，蝗卵過冷卻點(diǎn)的分布與季節(jié)性氣溫的差異有密切關(guān)系，氣溫較低的月份，蝗卵過冷卻點(diǎn)均值和最小值均降低，反之，氣溫較高的月份，蝗卵過冷卻點(diǎn)均值和最高值升高(景曉紅和康樂, 2003)。本研究發(fā)現(xiàn)80%以上的意大利蝗蝗卵過冷卻點(diǎn)低于-24.0℃，可能與新疆蝗區(qū)氣溫普遍較低有關(guān)，顯示了蝗卵對冬季低溫變化趨勢的一種生態(tài)適應(yīng)。另一方面，自然環(huán)境下蝗卵的埋藏深度在3～5 cm，本研究測定的地下5 cm土壤溫度在冬季的變化趨勢顯示，土壤溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣溫度且較穩(wěn)定，土壤溫度較穩(wěn)定也可能是蝗卵過冷卻能力穩(wěn)定的另外一個原因。任金龍等(2015)曾比較過不同蟲齡意大利蝗蝗蝻與越冬卵的過冷卻點(diǎn)，越冬卵的過冷卻點(diǎn)最低，為-8.3℃，與本研究得到的意大利蝗越冬卵過冷卻點(diǎn)-21.0±0.7℃相差較大。任金龍等(2015)的研究主要比較不同齡期蝗蝻與蝗卵對溫度耐受性的差異，該研究選擇的蝗卵可能即將孵化。而本研究側(cè)重于探究意大利蝗卵在整個越冬過程中的抗寒能力的變化，5月中旬蝗卵尚未孵化，發(fā)育狀態(tài)會強(qiáng)烈影響蝗卵的過冷卻能力。

蝗卵含水量與過冷卻點(diǎn)之間有顯著相關(guān)。劉延超等(2017)報道了中華稻蝗Oxyachinensis和長額負(fù)蝗Atractomorphalata越冬卵的過冷卻點(diǎn)和蝗卵含水量，兩種蝗卵的過冷卻點(diǎn)分別為-15.9±1.4℃和-25.1±0.2℃，含水量分別為58.8%和71.0%，但是該文比較的是兩種不同蝗蟲的過冷卻點(diǎn)和含水量，并未對同種蝗蟲不同階段的含水量與過冷卻點(diǎn)進(jìn)行比較。不同蝗蟲種類發(fā)育時間不同，其含水量和過冷卻點(diǎn)也不同。本研究發(fā)現(xiàn)意大利蝗蝗卵含水量與過冷卻點(diǎn)呈顯著正相關(guān)，即含水量越低，過冷卻點(diǎn)越低，過冷卻能力越強(qiáng)。本研究結(jié)果與寬翅曲背蝗Pararcypleramicropterameridionalis和輪紋異痂蝗Bryodemellatuberculatumdilutum蝗卵，以及二點(diǎn)委夜蛾Athetislepigone過冷卻點(diǎn)的研究結(jié)果一致，即蝗卵含水量或者幼蟲含水量降低導(dǎo)致過冷卻點(diǎn)降低(李娜等, 2014a, 2014b; 劉玉娟等, 2014)。部分昆蟲在越冬前會降低體內(nèi)含水量或提高結(jié)合水與自由水的比例來增強(qiáng)耐寒性(Wolfeetal., 2002; Block and Zettel, 2003)。趙靜等(2008)對異色瓢蟲Harmoniaaxyridis的研究顯示，瓢蟲在越冬期間體內(nèi)水分含量顯著低于其他時期，中華通草蛉Chrysoperlasinica成蟲含水量在越冬前后呈現(xiàn)先降后升的趨勢(郭海波等, 2006)，認(rèn)為越冬期水分含量的降低有利于蟲體降低過冷卻點(diǎn)，從而增強(qiáng)其耐寒性。本研究發(fā)現(xiàn)，意大利蝗卵在越冬過程中并未持續(xù)降低蟲卵含水量，盡管1月蝗卵含水量顯著下降，但隨后即迅速回升，土壤溫度在1月開始降至零下，蝗卵含水量下降可能與蝗卵適應(yīng)低溫環(huán)境有關(guān)，蝗卵含水量迅速回升表明蝗卵能快速適應(yīng)土壤環(huán)境溫度的變化。在整個越冬過程中，土壤溫度僅在1月-3月低于零度，較高且穩(wěn)定的溫度條件下，蝗卵并不需要通過持續(xù)降低含水量增強(qiáng)其抗寒性。同時，人工孵化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蝗卵發(fā)育后期，蟲卵變軟，體液變多，4月-5月蝗卵含水量顯著增加是蝗卵自身發(fā)育所需。意大利蝗蝗卵含水量的顯著變化與蝗卵自身的發(fā)育更為密切?；嚷氧r重呈現(xiàn)與蝗卵水分含量相似的變化趨勢，鮮重的變化趨勢可能與蝗卵的發(fā)育階段有關(guān)，其與蝗卵過冷卻能力的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

本研究結(jié)果表明，冬季土壤溫度較高且穩(wěn)定，意大利蝗卵過冷卻點(diǎn)穩(wěn)定在極低水平，意大利蝗卵較強(qiáng)的抗寒能力提示在氣候變暖背景下新疆草原蝗災(zāi)仍然存在暴發(fā)的可能性。