溫度變化對家蟋蟀卵孵化率的影響

劉安然，胥婷婷，宋麗美，郝錫聯(lián)，朱慧*，任炳忠

(1.吉林師范大學生命科學學院，吉林四平136000；2.東北師范大學生命科學學院，植被生態(tài)科學教育部重點實驗室，長春130024)

昆蟲在自然界中占有重要地位，是動物界中種類最多的類群，數(shù)量龐大，棲息地遍布全球(宋大祥，2006)。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，昆蟲是食物鏈中必不可少的重要環(huán)節(jié)，它們使自然界不同物種之間通過取食或被取食產(chǎn)生了相互依存、相互制約的關系，對維持生物多樣性、促進生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動有重要作用。昆蟲在自然界中有豐富的種類和數(shù)量主要與其復雜的生活史有著密切關系。一般情況下，完全變態(tài)發(fā)育的昆蟲經(jīng)歷卵、幼蟲、蛹和成蟲階段，不完全變態(tài)發(fā)育的昆蟲則經(jīng)歷卵、幼蟲和成蟲階段。卵是昆蟲生活史的第一個階段，也是昆蟲個體發(fā)育非常重要的階段(丁武龍，2009)，卵自母體產(chǎn)下在卵殼內(nèi)完成胚胎發(fā)育后，變?yōu)橛紫x破殼而出，進入適應環(huán)境條件的獨立生活階段，這2個從胚胎發(fā)育階段轉(zhuǎn)化為胚后發(fā)育階段的分界線就是卵的孵化(朱弘復，王林瑤，1983)。所以，卵孵化是昆蟲生活史中重要的一步，對于昆蟲種群，甚至昆蟲群落的穩(wěn)定都具有重要的意義。

昆蟲卵的孵化率受多種因素影響，已有研究關注影響卵孵化的內(nèi)在因素和外在因素(Kight，1997；Amirietal.，2020)。內(nèi)在因素包括成蟲產(chǎn)卵質(zhì)量(與成蟲的營養(yǎng)狀況有關)、卵胚胎發(fā)育情況等自身條件：成蟲產(chǎn)卵質(zhì)量越好，卵孵化率越高；卵胚胎發(fā)育越好，卵孵化率越高(Donoughe &Extavour，2016)。外在因素包括昆蟲卵孵化時所需的環(huán)境條件，例如溫度、濕度、光照(丁武龍，2009)和海拔等(Macleanetal.，2016)。有研究發(fā)現(xiàn)，在不同溫度條件下銅綠麗金龜Anomalacorpulenta卵的孵化率無顯著差異，但卵的孵化天數(shù)隨著溫度的升高逐漸縮短，且濕度過大能顯著延長卵的孵化時間，降低卵的孵化率(段愛菊等，2019)；蟲草蝠蛾Cordycepssinensis卵的發(fā)育速度會隨著溫濕度的升高而加快，卵的孵化率也隨之升高，在低溫或極端低溫情況下，卵的發(fā)育速度會降低，過低的濕度也會導致卵孵化失敗、孵化率降低(鄭方毅等，2018)。溫度是影響卵孵化的重要生態(tài)因子之一(新野孝男，1983)。丁武龍(2009)發(fā)現(xiàn)，溫度過低或過高都會使昆蟲卵孵化率下降。袁盛勇等(2005)對桔小實蠅Bactroceradorsalis在不同溫度條件下的未成熟期各蟲態(tài)的發(fā)育歷期等方面進行了研究，發(fā)現(xiàn)溫度過高或過低均對卵的存活有明顯的抑制作用。在自然環(huán)境中，昆蟲卵孵化過程中一般要經(jīng)過低溫萌動和高溫孵化2個溫度的影響(Ross-Gillespieetal.，2018)，特別是在有明顯季節(jié)性變化的北方地區(qū)，萌動溫度和孵化溫度都將顯著影響昆蟲卵的孵化。昆蟲卵孵化過程中所需的熱能基本上由周圍環(huán)境的溫度所提供，外界溫度的變化影響著昆蟲卵的孵化率。因此，溫度對昆蟲卵的孵化非常重要。探究昆蟲卵孵化過程中萌動溫度和孵化溫度的變化對昆蟲卵孵化率的影響，不但可為昆蟲的人工養(yǎng)殖提供理論依據(jù)，而且對深入探究昆蟲繁殖與溫度之間的動態(tài)關系也有重要的參考價值。

家蟋蟀Achetadomesticus隸屬昆蟲綱Arthropoda直翅目Orthoptera蟋蟀科Gryllidea，是卵生的不完全變態(tài)昆蟲，是一種世界性分布的、雜食性的、容易飼養(yǎng)的昆蟲(劉競澤，安瑞勇，1999)。家蟋蟀的味道好、蛋白質(zhì)含量高、食物轉(zhuǎn)換效能強(Nakagaki &Defoliart，1991)。因而，家蟋蟀是有前景的、候選的、并推廣的一種食物和動物飼料(Defoliart，1989)。目前關于家蟋蟀室內(nèi)研究主要集中在飼料配方優(yōu)化方面(馬俊等，2019)，而對于家蟋蟀卵孵化的環(huán)境條件研究還存在著一定的不足，特別是溫度變化對家蟋蟀卵孵化影響還缺乏一定的認識。因此，本研究通過室內(nèi)控制條件，研究不同的低溫萌動溫度和高溫孵化溫度對家蟋蟀卵孵化率的影響，從而為深入理解環(huán)境中溫度變化對家蟋蟀卵孵化的影響提供有利的理論證據(jù)，同時也為家蟋蟀飼養(yǎng)提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 實驗蟲源

卵源為東北師范大學昆蟲研究室提供的家蟋蟀實驗種群成蟲繁殖的同一批卵，實驗前4 ℃保存。

1.2 實驗方法

1.2.1 溫度處理設置低溫萌動溫度和高溫孵化溫度，每個溫度處理2個水平，即低溫萌動溫度為4 ℃和7 ℃、高溫孵化溫度為25 ℃和29.5 ℃。采用2×2因子實驗設計，得到4種實驗處理：(1)4 ℃低溫萌動和25 ℃高溫孵化(4 ℃/25 ℃)，(2)7 ℃低溫萌動和25 ℃高溫孵化(7 ℃/25 ℃)，(3)4 ℃低溫萌動和29.5 ℃高溫孵化(4 ℃/29.5 ℃)，(4)7 ℃低溫萌動和29.5 ℃高溫孵化(7 ℃/29.5 ℃)。低溫萌動溫度通過冰箱(型號：LSC-236C，浙江星星冷鏈集成股份有限公司)設置實現(xiàn)；高溫孵化溫度通過人工氣候箱(型號：BIC-300，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠)設置實現(xiàn)。每個實驗處理為5個重復，每個處理為500個蟲卵。蟲卵被放置在裝有細沙的盒中，先進行低溫萌動處理，即蟲卵放置在設置好的冰箱中7 d，然后拿出放置在人工氣候箱中，溫度分別調(diào)至高溫孵化溫度處理，直至昆蟲卵孵化完成。在實驗過程中相對濕度范圍為75%±5%。每天早上噴水1次，以保持產(chǎn)卵土的濕度。

1.2.2 孵化計數(shù)每天進行觀察，從每盒第一個卵孵出時開始計數(shù)，每天計數(shù)2次(10∶00和15∶00)，直到卵無孵化為止(連續(xù)3 d沒有記錄孵化的個體)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2 結(jié)果

2.1 不同溫度處理對家蟋蟀卵孵化率的作用

低溫萌動溫度顯著影響家蟋蟀卵的孵化率(F1，13=23.737，P<0.000 1)。當?shù)蜏孛葎訙囟葹? ℃時，卵孵化率顯著低于7 ℃(圖1)。但是，高溫孵化溫度對卵孵化率無顯著作用(F1，13=0.000 1，P=0.984)，高溫與低溫的交互作用對卵孵化率無顯著作用(F1，13=0.008，P=0.930)。當?shù)蜏孛葎訙囟忍幚矸謩e為4 ℃和7 ℃時，卵孵化率在高溫萌動溫度為25 ℃和29.5 ℃之間的差異無統(tǒng)計學意義。

圖1 不同溫度處理對家蟋蟀卵累計孵化率的影響Fig.1 Effects of different temperature treatments on the cumulative hatchability rate of Acheta domesticus eggs

2.2 相同孵化天數(shù)下不同溫度處理對家蟋蟀卵孵化率的作用

第1天各溫度處理下的卵孵化率無差異。第2天，4 ℃/29.5 ℃的卵孵化率最大；第3天至第5天，7 ℃/29.5 ℃的卵孵化率最大。第6天開始，7 ℃/25 ℃的卵孵化率最大，并持續(xù)7 d。第8天，7 ℃/29.5 ℃的卵停止孵化。第13天，4 ℃/29.5 ℃的卵停止孵化，其余2個溫度處理的卵孵化率之間的差異無統(tǒng)計學意義。第14天和第15天，4 ℃/25 ℃和7 ℃/25 ℃的卵也分別停止孵化(圖2)。

圖2 相同孵化天數(shù)不同溫度對家蟋蟀卵孵化率的影響Fig.2 Effects of different temperature treatments on the hatchability rate of Acheta domesticus eggs at the same time

2.3 同一溫度處理下家蟋蟀卵孵化率的時間動態(tài)

在同一溫度處理下，卵每天的孵化率會發(fā)生顯著波動：隨孵化時間的增加，孵化率先上升再下降，最后逐漸趨于平緩，孵化率為0。不同溫度處理下卵達到最大孵化率的時間存在差異。

4 ℃/25 ℃時，卵在第7天達到單日的最大孵化率(4.870%)(圖3：A)；4 ℃/29.5 ℃時，第3天達到單日的最大孵化率(7.225%)(圖3：B)。而7 ℃/25 ℃時，達到最大孵化率的時間是第6天和第7天(圖3：C)；7 ℃/29.5 ℃時，第4天達到單日的最大孵化率(23.390%)(圖3：D)。

圖3 不同溫度處理下家蟋蟀卵孵化率的時間動態(tài)Fig.3 Temporal dynamics of the hatchability rate of Acheta domesticus eggs treated at different temperatures

3 討論

本實驗采用控制低溫萌動溫度和高溫孵化溫度的方法，研究了不同溫度變化對家蟋蟀卵孵化率的影響，發(fā)現(xiàn)低溫萌動溫度處理使卵孵化率降低；高溫孵化溫度處理使卵提前了達到最大孵化率的時間。本研究對深入分析溫度對家蟋蟀個體發(fā)育的作用效應提供重要的理論基礎，對人工飼養(yǎng)家蟋蟀具有關鍵的指導意義。

低溫對昆蟲生活史的影響是顯著的，極端的低溫甚至可以直接殺死昆蟲。卵是昆蟲生活史的重要階段，低溫對卵孵化尤為重要(陳麗芳等，2015)。本研究發(fā)現(xiàn)低溫萌動溫度處理對家蟋蟀卵孵化率有顯著影響，使家蟋蟀卵孵化率降低；低溫處理時間越長，對家蟋蟀卵孵化率的影響越大，說明低溫萌動溫度對家蟋蟀卵孵化率起到更重要的作用。這與張翠平(2007)研究低溫對中華蜜蜂Apisceranacerana和意大利蜜蜂Apismelliferaligustica卵孵化率的影響的結(jié)論基本吻合。這種影響也在對甜菜夜蛾Spodopteraexigua、油葫蘆Telegryllusemma低溫處理下卵孵化率變化的研究中得到證實(王竑晟，2003；熊仁次，2003)。家蟋蟀卵在孵化過程中需要物質(zhì)代謝和熱能供應，持續(xù)低溫刺激下，卵孵化率會出現(xiàn)下降趨勢，不利于卵的孵化，這可能是由于家蟋蟀卵一經(jīng)產(chǎn)出就暴露在外界環(huán)境中，過低的溫度不能為卵孵化提供充足的熱能。昆蟲卵含有糖、脂肪、蛋白質(zhì)等，這些物質(zhì)同原生質(zhì)形成一定的有機結(jié)構(gòu)可以對抗低溫，這一般是可忍耐0 ℃以下低溫生存的昆蟲越冬卵面對低溫的應對策略，例如東亞飛蝗Locustamigratoriamanilensis(王潔，2014)。由于不同昆蟲胚胎發(fā)育的差異性，家蟋蟀卵在低溫處理的影響下，物質(zhì)代謝速率下降，并不能形成抵御低溫的結(jié)構(gòu)，從而不能完成胚胎發(fā)育，表現(xiàn)為卵孵化率降低，不同溫度影響卵孵化率和孵化時間。

本研究表明，在有效溫度范圍內(nèi)，家蟋蟀卵的發(fā)育速度與溫度成正比，卵的發(fā)育速度隨溫度升高而加快，發(fā)育所需的天數(shù)越少。因此，可以認為當?shù)蜏孛葎訙囟认嗤?、高溫孵化溫度不同時，家蟋蟀卵達到最高孵化率的時間不同，29.5 ℃時達到最大孵化率的時間比25 ℃短。然而，高溫孵化溫度相同時，達到最大孵化率的時間并不依賴于低溫萌動溫度，即當高溫孵化溫度同為25 ℃時，4 ℃和7 ℃低溫萌動溫度下的卵孵化率達到最大的時間都在第6天至第7天；當高溫孵化溫度為29.5 ℃時，4 ℃和7 ℃低溫萌動溫度下的卵孵化率達到最大的時間在第3天和第4天。這表明，高溫孵化溫度使家蟋蟀卵達到最大孵化率的時間提前。這與魏春艷(2002)在溫度對黃褐油葫蘆Teleogryllusderelictus卵孵化率影響的結(jié)論相吻合。昆蟲的胚胎發(fā)育自卵裂、胚盤、胚帶、胚層及胚膜的形成，至胚胎的分節(jié)、附肢的形成、體壁形成及背合等，可劃分為若干階段(崔雙雙，朱道弘，2011)。在高溫有利條件下，胚胎能迅速啟動正常的細胞反應和代謝功能，并調(diào)整和加快特定生理機制的發(fā)生，表現(xiàn)為卵孵化率提高，卵達到最大孵化率的時間提前。由于范蘭芬等(2011)證明在家蠶Bombyxmori胚期進行高溫處理保育，所產(chǎn)下的子代滯育卵中的酶類活性變化：過氧化氫酶的活性隨發(fā)育上升，而乳酸脫氫酶的活性隨發(fā)育下降。由此推測，高溫處理可能通過促進卵中酶類活性的上升使卵完成胚胎發(fā)育，對家蟋蟀卵孵化起到一定的促進作用。從促進卵完成胚胎發(fā)育這個層面上講，高溫孵化溫度對維持昆蟲生活史的完整性具有重要的生態(tài)意義。然而，江天寶(2004)研究溫度對蜜蜂卵發(fā)育影響的結(jié)論與本實驗不一致，其研究認為中華蜜蜂與意大利蜜蜂的卵對高溫更敏感，高溫對蜜蜂卵孵化率有顯著影響，隨著高溫處理時間延長，蜜蜂卵孵化率顯著下降。出現(xiàn)不一致的結(jié)論可能是由于昆蟲種類的不同，每一種昆蟲卵的孵化對溫度都有不同的適應范圍，在高溫脅迫下，昆蟲為了延續(xù)生命而選擇減少潛在生殖力而增加存活率，表現(xiàn)出卵孵化率降低。對蓮草直胸跳甲Agasicleshygrophila不同發(fā)育階段進行高溫處理后的存活率變化的研究發(fā)現(xiàn)，卵的耐熱性較差，可能是夏季高溫蓮草直胸跳甲種群數(shù)量驟減的主要原因(Jiaetal.，2020)。

本研究針對溫度變化對家蟋蟀卵孵化率的影響進行了探討，發(fā)現(xiàn)低溫萌動和高溫孵化都是家蟋蟀卵孵化的重要影響因素。溫度變化與生殖力的關系能夠指導有益昆蟲和經(jīng)濟昆蟲的飼養(yǎng)，提高飼養(yǎng)質(zhì)量和數(shù)量。研究溫度對昆蟲卵孵化率的影響可以預測昆蟲種群密度的變化和分布情況。此外，除了溫度，其他環(huán)境因子如濕度、光周期、地理差異等因素對家蟋蟀卵孵化也可能有著不同程度的影響，特別是可能與溫度之間有著互作作用。因此，需要加強對影響家蟋蟀卵孵化的這些因子之間的交互研究，全面地研究多種環(huán)境影響因子的綜合作用，從而為家蟋蟀的人工大量繁殖提供理論基礎，提高家蟋蟀資源的開發(fā)與利用。