短時(shí)高溫暴露對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)存活和生殖特性的影響

蔡 沖，潘穎佳，姚露晨，李若南，崔旭紅

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/浙江省生物計(jì)量及檢驗(yàn)檢疫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

菊方翅網(wǎng)蝽CorythuchamarmorataUhler原產(chǎn)于北美，后傳入歐洲，21世紀(jì)初先后在日本和韓國(guó)被發(fā)現(xiàn)報(bào)道，并迅速擴(kuò)散。2012年在中國(guó)上海首次發(fā)現(xiàn)了菊方翅網(wǎng)蝽(黨凱等，2012)，隨后在浙江、臺(tái)灣、湖北、江蘇、江西、河南等地發(fā)現(xiàn)了該蟲(chóng)的蹤跡(虞國(guó)躍，2014；董立坤等，2015；盧和平等，2018；)。菊方翅網(wǎng)蝽喜食菊科植物，除了危害加拿大一枝黃花、野塘蒿、小蓬草、紫苑等野生雜草外，還可以對(duì)菊科的菊花、向日葵、菊芋、紫背天葵以及旋花科的甘薯等多種園藝植物、經(jīng)濟(jì)作物和蔬菜造成危害或威脅(Kato and Ohbayashi, 2009; Hoshino, 2011；黨凱等，2012；Yoonetal., 2013; Kim and Kil, 2014)。昆蟲(chóng)是變溫動(dòng)物，對(duì)溫度變化，尤其是極端溫度的出現(xiàn)反應(yīng)敏感。目前氣候變化的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是氣溫上升、極端氣溫出現(xiàn)頻繁，這難免會(huì)對(duì)昆蟲(chóng)種群的發(fā)生產(chǎn)生影響。根據(jù)報(bào)道，在韓國(guó)部分地區(qū)7月上旬至8月下旬是菊方翅網(wǎng)蝽的發(fā)生盛期；在日本大阪地區(qū)菊方翅網(wǎng)蝽在6月中旬至8月中旬發(fā)生量最大(Mamoruetal., 2006; Kim and Kil., 2014)。沈佳思等(2016)通過(guò)對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽生物學(xué)特性的研究推測(cè)8月-10月是該網(wǎng)蝽在我國(guó)華中以及華東地區(qū)的發(fā)生盛期，這與我們?cè)诤贾莸貐^(qū)的田間觀察結(jié)果基本一致。以上地區(qū)的7月-8月份正是盛夏時(shí)節(jié)，部分地區(qū)日最高溫度可持續(xù)多天達(dá)到35℃，甚至超過(guò)40℃(張立生等，2014)，在這種環(huán)境條件下，活動(dòng)性不強(qiáng)的菊方翅網(wǎng)蝽很容易暴露在高溫環(huán)境下受到脅迫。根據(jù)報(bào)道，短時(shí)的高溫暴露可以對(duì)昆蟲(chóng)造成直接或間接的傷害，從而影響昆蟲(chóng)種群的發(fā)展與分布。例如短時(shí)高溫暴露能造成昆蟲(chóng)個(gè)體死亡、發(fā)育異常缺陷、生殖力降低、行為改變等(趙鑫等，2009；叢林等，2010；Piyaphongkuletal., 2012; Ma and Ma, 2012; Zhangetal., 2013)。為了明確菊方翅網(wǎng)蝽對(duì)高溫的耐受性，了解菊方翅網(wǎng)蝽在我國(guó)的入侵潛能，本研究通過(guò)室內(nèi)短時(shí)高溫暴露實(shí)驗(yàn)，研究了菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)經(jīng)過(guò)高溫暴露后的存活、繁殖、F1代存活能力、性比等特性的變化，希望為菊方翅網(wǎng)蝽種群的發(fā)生預(yù)測(cè)及治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx(chóng)與寄主植物

供試?yán)ハx(chóng)：菊方翅網(wǎng)蝽種群建立于2016年，寄主植物為加拿大一枝黃花。在進(jìn)行高溫暴露實(shí)驗(yàn)之前，從建立的種群中采集菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)接入養(yǎng)蟲(chóng)籠(60 cm×60 cm×60 cm)中進(jìn)行繼代飼養(yǎng)，隨后獲得的網(wǎng)蝽用于實(shí)驗(yàn)。飼養(yǎng)條件為溫度26±1℃，相對(duì)濕度75%±10%，光照14 h ∶10 h (L ∶D)。

寄主植物：參照沈佳思等(2016)方法進(jìn)行。剪取加拿大一枝黃花長(zhǎng)約20 cm的枝條，保留干凈的葉片6～8張，每?jī)蓮埲~片間隔>2 cm，葉片長(zhǎng)約5 ～8 cm。植株莖干用海綿包裹保濕并固定于裝有水的塑料杯中。將其作為清潔苗供實(shí)驗(yàn)使用。

1.2 短時(shí)高溫暴露對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)存活率和壽命的影響

采集菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)，辨別雌雄后分別裝入玻璃管(Φ=2.5 cm，h=9 cm)中進(jìn)行短時(shí)高溫暴露實(shí)驗(yàn)。玻璃管中有黃花葉片供其取食，管口塞有少量脫脂棉防止成蟲(chóng)逃逸，每管雌蟲(chóng)或雄蟲(chóng)30頭。高溫暴露實(shí)驗(yàn)在水浴循環(huán)儀(型號(hào)：9112AA2Y，Poly Science公司)中進(jìn)行，共設(shè)置了6個(gè)靶標(biāo)溫度，分別為35℃、37℃、39℃、41℃、43℃和45±0.02℃。在每個(gè)溫度梯度下，處理時(shí)間為2 h。處理結(jié)束后，將成蟲(chóng)放置在飼養(yǎng)條件下2 h讓其恢復(fù)蘇醒，隨后調(diào)查其存活情況。以毛筆輕觸蟲(chóng)體，若附肢不動(dòng)則認(rèn)為死亡。存活的成蟲(chóng)放在養(yǎng)蟲(chóng)盒后飼養(yǎng)于人工氣候箱(RXZ-5008型，寧波江南科技有限公司)，每隔24 h調(diào)查1次其存活情況，并及時(shí)更換新鮮的葉片，直至成蟲(chóng)死亡。以上每個(gè)處理重復(fù)5次。以未經(jīng)過(guò)高溫處理直接放置在26℃下同等時(shí)間的處理為對(duì)照。最后統(tǒng)計(jì)雌雄蟲(chóng)存活率及其壽命。

1.3 短時(shí)高溫暴露對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽的生殖特性的影響

高溫暴露處理方法：采集羽化48 h內(nèi)的菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)，辨別雌雄后按照1.2中的方法進(jìn)行短時(shí)高溫暴露，隨后在飼養(yǎng)溫度下恢復(fù)2 h并取存活的成蟲(chóng)進(jìn)行后繼實(shí)驗(yàn)。

短時(shí)高溫暴露后成蟲(chóng)的生殖特性：將完成高溫暴露的成蟲(chóng)放入培養(yǎng)皿中(1對(duì)成蟲(chóng)/皿，♀ ∶♂=1 ∶1)，培養(yǎng)皿中放有加拿大一枝黃花葉片供其取食，然后將其置于人工氣候箱中飼養(yǎng)，飼養(yǎng)條件同1.1。根據(jù)前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果情況，5 d以后開(kāi)始調(diào)查雌蟲(chóng)的產(chǎn)卵情況，每隔24 h調(diào)查1次直至雌蟲(chóng)死亡。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中若雄蟲(chóng)先死亡，則補(bǔ)充雄蟲(chóng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)更換新鮮的加拿大一枝黃花葉片。以上每個(gè)處理不少于20次重復(fù)，以放在26℃下飼養(yǎng)的處理為對(duì)照。最后統(tǒng)計(jì)菊芳翅網(wǎng)蝽的產(chǎn)卵前期、產(chǎn)卵期、產(chǎn)卵量等。

短時(shí)高溫暴露后F1代存活能力和性比：采集上述實(shí)驗(yàn)雌蟲(chóng)所產(chǎn)的F1代卵，將產(chǎn)卵葉片放入培養(yǎng)皿中，標(biāo)記產(chǎn)卵日期，每24 h調(diào)查1次卵孵化的情況，待卵孵化成若蟲(chóng)后，將若蟲(chóng)繼續(xù)飼養(yǎng)，直至若蟲(chóng)發(fā)育成成蟲(chóng)。最后統(tǒng)計(jì)卵孵化率、卵至成蟲(chóng)的存活率、雌成蟲(chóng)比例等。每處理重復(fù)20次。以在26℃下飼養(yǎng)成蟲(chóng)所產(chǎn)的F1代為對(duì)照。飼養(yǎng)條件同1.1，F(xiàn)1代存活率=羽化成蟲(chóng)數(shù)量/卵量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS(SPSS 24.0，SPSS Inc., USA)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。用t-Test檢驗(yàn)在相同高溫暴露條件下雌雄成蟲(chóng)存活率是否存在顯著性差異；用單因素方差(One-way ANOVA)檢驗(yàn)不同高溫暴露條件下菊方翅網(wǎng)蝽的存活率、壽命、產(chǎn)卵前期、產(chǎn)卵量和后代存活率等是否存在顯著性差異。顯著性檢驗(yàn)水平均為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 短時(shí)高溫暴露對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)存活和壽命的影響

菊方翅網(wǎng)蝽雌蟲(chóng)在35～39℃下將暴露2 h，其存活率均在100%；在41℃下暴露2 h，其存活率為92.0%；在43℃下暴露2 h后，雌成蟲(chóng)的存活率迅速下降至40%，與對(duì)照相比存在顯著差異。雄成蟲(chóng)在35～37℃下暴露2h，其存活率與對(duì)照相比沒(méi)有顯著差異。39～41℃下暴露2 h，其存活率下降至94.7%和88.7%，顯著低于對(duì)照。在43℃下暴露2 h，雄蟲(chóng)存活率迅速下降至34.7%，與對(duì)照及其它暴露溫度存在顯著差異；在45℃下暴露 2 h，沒(méi)有成蟲(chóng)能夠存活(表1)。因此，41℃及以上高溫對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)的存活率有顯著影響(P<0.05)。在35～43℃溫度范圍內(nèi)，同一暴露溫度下，通過(guò)t檢驗(yàn)結(jié)果，雌蟲(chóng)比雄蟲(chóng)的存活率高，但差異均不顯著(P>0.05)。35～39℃的短時(shí)暴露對(duì)雌雄成蟲(chóng)的壽命沒(méi)有顯著影響，當(dāng)暴露溫度上升至41℃時(shí)，雌雄蟲(chóng)的壽命分別為54.1 d和51.3 d，與對(duì)照存在顯著差異。43℃下暴露2 h，對(duì)雌雄蟲(chóng)的壽命有顯著影響，沒(méi)有成蟲(chóng)存活的時(shí)間超過(guò)1 d。

表1 菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)高溫暴露2 h后的存活率和壽命Table 1 Average survival rate and longevity of Corythucha marmorata adults after brief exposure to high temperature for 2 hours

2.2 短時(shí)高溫暴露對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)產(chǎn)卵特性的影響

在35～41℃范圍內(nèi)暴露2 h，隨著暴露溫度的升高，菊方翅網(wǎng)蝽的產(chǎn)卵前期逐漸延長(zhǎng)(表2)。在對(duì)照(26℃)條件下，菊方翅網(wǎng)蝽的產(chǎn)卵前期為6.1 d；在35～41℃下暴露2 h，其產(chǎn)卵前期由8.3 d上升到9.4 d，與對(duì)照相比存在顯著差異(P<0.05)。在43℃下暴露2 h，菊方翅網(wǎng)蝽由于存活不超過(guò)1 d，沒(méi)有產(chǎn)卵行為(表2)。在35～39℃范圍內(nèi)暴露2 h，菊方翅網(wǎng)蝽的產(chǎn)卵期由51.7 d下降至49.3 d，與對(duì)照相比沒(méi)有顯著差異。在41℃下暴露2 h，菊方翅網(wǎng)蝽的產(chǎn)卵期下降至44.5 d，顯著低于對(duì)照。在26℃時(shí)，平均每頭雌蟲(chóng)總產(chǎn)卵量為96.3粒，在35～39℃范圍下暴露2 h，產(chǎn)卵量與對(duì)照比較，沒(méi)有顯著變化。當(dāng)暴露溫度上升至41℃時(shí)，產(chǎn)卵量顯著出現(xiàn)下降。

表2 菊方翅網(wǎng)蝽雌蟲(chóng)成蟲(chóng)高溫暴露2 h后產(chǎn)卵前期及每雌總產(chǎn)卵量Table 2 The pre-oviposition period, oviposition period and the total number of Corythucha marmorata eggs laid by per female adult after brief exposure to high temperature for 2 hours

2.3 短時(shí)高溫暴露對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽后代生存能力的影響

菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)在35～41℃高溫暴露下2 h，其F1代卵的孵化率由70.2%逐漸下降到40.7%，各溫度之間孵化率存在顯著差異，并顯著低于對(duì)照(P<0.05)；F1代總存活率也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)(P<0.05)，對(duì)照的F1代若蟲(chóng)總存活率達(dá)到70.9%，而經(jīng)過(guò)各高溫暴露后F1代的總存活率由64.5%下降至34.8%(表3)。菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)在35～41℃高溫暴露下2 h后，其F1代成蟲(chóng)的雌成蟲(chóng)比例在49.5%～50.5%之間，與對(duì)照相比無(wú)顯著差異(P>0.05)。

表3 菊方翅網(wǎng)蝽雌蟲(chóng)成蟲(chóng)高溫暴露2 h后F1代卵存活率、總存活率及雌蟲(chóng)比例(%)Table 3 The egg hatching rate, total survival rate and female ratio of F1 progeny of Corythucha marmorata after brief exposure to high temperature for 2 hours

3 結(jié)論與討論

在近年來(lái)全球變暖的趨勢(shì)下，高溫?zé)崂颂鞖獍l(fā)生頻次的上升已經(jīng)影響到一些動(dòng)物的種群動(dòng)態(tài)(Pacificietal., 2017)。昆蟲(chóng)是變溫動(dòng)物，對(duì)溫度變化敏感，環(huán)境溫度是決定昆蟲(chóng)存活、分布、行為、種群發(fā)展等的關(guān)鍵因素。根據(jù)報(bào)道，不同動(dòng)物對(duì)氣候變化的響應(yīng)不同，這些影響可能最終會(huì)在種群動(dòng)態(tài)上得以反映。例如，高溫脅迫能提高跳蟲(chóng)、鹵蟲(chóng)Artemia、果蠅Drosophilamelanogaster后代對(duì)高溫的適應(yīng)性或抗性(Gilchrist and Huey, 2001; Zizzari and Ellers, 2014; Norouzitallabetal., 2014)。但也有大量的報(bào)道表明高溫脅迫不僅可以使昆蟲(chóng)迅速死亡，還可以造成產(chǎn)卵量下降、性比失調(diào)、雄蟲(chóng)對(duì)雌蟲(chóng)的吸引力降低、后代的存活力下降等(Huangetal., 2007; Cuietal., 2008；叢林等，2010；Zhouetal., 2011; Zizzari and Ellers, 2011; Bodlahetal., 2017; Greenetal., 2019)，從而使得后代種群在高溫條件下處于不斷衰退的趨勢(shì)之中。入侵我國(guó)的B型煙粉虱和溫室白粉虱在中國(guó)北方混合發(fā)生，其種群消長(zhǎng)有明顯的季節(jié)性差異(羅晨和張芝利，2000；Ramosetal., 2002)，這與兩者對(duì)高溫的耐受性差異有關(guān)，高溫對(duì)溫室白粉虱存活、生殖等方面的不利影響均要明顯大于B型煙粉虱(Cuietal., 2008)。因此，在夏季高溫季節(jié)B型煙粉虱處于發(fā)生盛期，而溫室白粉虱則在氣候較為涼爽的秋季占據(jù)優(yōu)勢(shì)。本研究結(jié)果表明，菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)對(duì)高溫具有一定的耐受性，41℃及其以上高溫暴露才會(huì)對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽雌雄蟲(chóng)存活率、產(chǎn)卵前期、產(chǎn)卵期和產(chǎn)卵量等特性造成顯著影響。在菊方翅網(wǎng)蝽發(fā)生地區(qū)，超過(guò)40℃的氣溫天氣較少，因此，高溫氣候?qū)υ摼W(wǎng)蝽種群直接的影響比較少。但高溫可以通過(guò)降低昆蟲(chóng)的產(chǎn)卵量、后代存活力和性比等來(lái)間接影響種群的發(fā)展。例如，37～45℃范圍內(nèi)短時(shí)暴露1 h對(duì) B型煙粉虱成蟲(chóng)的產(chǎn)卵量沒(méi)有顯著影響，但后代的存活率隨著暴露溫度的升高迅速下降；43℃以上的高溫暴露1 h還會(huì)導(dǎo)致B型煙粉虱Bemisiatabaci成蟲(chóng)后代雄蟲(chóng)的比例的上升，從而影響到種群的結(jié)構(gòu)和發(fā)展(Cuietal., 2008)。在本研究中發(fā)現(xiàn)，在35～39℃范圍內(nèi)菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)受到高溫暴露后，其存活、產(chǎn)卵量等雖然不受顯著影響，但其F1代的孵化率和存活率下降明顯，與對(duì)照存在顯著差異。在自然界中夏季35～39℃高溫比較常見(jiàn)，正午溫度達(dá)到最高時(shí)也可以持續(xù)超過(guò)2 h，因此，遭受了高溫暴露菊方翅網(wǎng)蝽后代的存活力難免會(huì)受到影響。但由于菊方翅網(wǎng)蝽生長(zhǎng)發(fā)育周期和產(chǎn)卵期均較長(zhǎng)，高溫對(duì)其的影響會(huì)表現(xiàn)出明顯的滯后性。因此在田間表現(xiàn)出7月-9月大量發(fā)生，10月中下旬后出現(xiàn)種群數(shù)量的顯著下降的情況。

在自然條件下，氣溫變化比較復(fù)雜，若氣溫緩和升高，昆蟲(chóng)一般會(huì)經(jīng)歷熱鍛煉(rapid heat hardening)，這可能會(huì)影響到昆蟲(chóng)對(duì)高溫脅迫的耐受性。有研究表明，一些昆蟲(chóng)在經(jīng)歷暫時(shí)性的或季節(jié)性的溫度升高時(shí)，其存活、繁殖力和性比等會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響其種群發(fā)展。例如，懸鈴木方翅網(wǎng)蝽Corythuochaciliata可以通過(guò)快速熱鍛煉迅速適應(yīng)38℃左右的高溫(Juetal., 2011)。懸鈴木方翅網(wǎng)蝽在不同升溫模式下的種群增值研究表明，其種群內(nèi)稟增長(zhǎng)率在夏季均溫升高和極端高溫頻發(fā)的情況下會(huì)顯著上升，種群的世代周期則顯著縮短。高溫對(duì)該網(wǎng)蝽種群爆發(fā)具有刺激作用(Juetal., 2015)。若溫度變化迅速劇烈，昆蟲(chóng)所面臨的挑戰(zhàn)可能更大，雖然僅經(jīng)歷1次的短時(shí)高溫脅迫，也有可能對(duì)其種群發(fā)展造成負(fù)面影響。例如，小菜蛾P(guān)lutellaxylostella在經(jīng)歷40℃高溫脅迫數(shù)小時(shí)后，其存活、交配、壽命等雖然沒(méi)有影響，但其前2 d的產(chǎn)卵量及卵的孵化率顯著下降。推測(cè)后代卵孵化率的降低可能與精子發(fā)生有關(guān)(Zhangetal., 2013)。高溫還可能會(huì)通過(guò)干擾神經(jīng)激素延遲卵黃的形成和卵的成熟對(duì)生殖進(jìn)行調(diào)節(jié)(Rauschenbachetal., 1995; Rauschenbachetal., 1996; Gruntenkoetal., 2003)；高溫脅迫后生物體產(chǎn)生的熱激蛋白Hsp70也有可能對(duì)卵的孵化產(chǎn)生有害影響(Silbermann and Tatar, 2000)。本研究結(jié)果表明，高溫脅迫對(duì)菊方翅網(wǎng)蝽后代生存的影響較大，在35～39℃范圍內(nèi)菊方翅網(wǎng)蝽成蟲(chóng)受到高溫暴露后，其F1代的孵化率和存活率下降明顯，為了更好的明確菊芳翅網(wǎng)蝽入侵潛能，后期還需要對(duì)不同蟲(chóng)態(tài)、性別的菊方翅網(wǎng)蝽在不同升溫模式下的存活和生殖特性以及耐熱機(jī)制開(kāi)展研究。