高溫和吡蟲啉長期馴化對禾谷縊管蚜溫度響應(yīng)的影響

王文娜，邢 鯤，趙 飛，張利軍

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，山西太原030031）

全球氣候變暖、極端高溫事件頻繁發(fā)生對地球生物已產(chǎn)生顯著影響，對其生態(tài)后果的評估也成為了全球熱點[1]。昆蟲具有體型小、繁殖快、世代多、對環(huán)境變化響應(yīng)迅速的特點，是評估氣候變暖對生物多樣性影響的理想對象[2-4]。研究證實，全球溫度升高已對昆蟲的生長發(fā)育、存活、繁殖、分布以及豐富度等核心生命活動產(chǎn)生深刻的影響[5]。而作為化學(xué)農(nóng)藥靶標(biāo)對象，昆蟲在自然界中也頻繁受到化學(xué)農(nóng)藥的脅迫影響[6-7]。隨著化學(xué)農(nóng)藥廣泛、頻繁使用，溫度與農(nóng)藥的田間互作越來越頻繁。因此，開展溫度和農(nóng)藥背景下昆蟲響應(yīng)環(huán)境的研究，對全球氣候變暖下的生物多樣性保護(hù)和農(nóng)藥應(yīng)用風(fēng)險具有重要的意義[8]。

昆蟲主要通過基底耐受性和表型可塑性來應(yīng)對環(huán)境逆境。前者代表昆蟲內(nèi)在的耐受能力，例如2 種沙漠螞蟻撒哈拉銀蟻（Cataglyphis bombycina）和二色箭蟻（Cataglyphis bicolor）具有所有陸生動物中最高的熱上限閾值[9]；而后者主要指通過亞極端環(huán)境數(shù)小時的短時鍛煉或數(shù)天到數(shù)周、甚至數(shù)年的長期馴化誘導(dǎo)的可塑響應(yīng)[10]。另外，有研究也發(fā)現(xiàn)，其他脅迫也可能對昆蟲熱耐受性產(chǎn)生交互影響。例如褐飛虱（Nilaparvata lugens）經(jīng)亞致死農(nóng)藥處理后會增加其高溫耐受性[11]。但這些研究重點關(guān)注的是昆蟲當(dāng)代或母代環(huán)境馴化的可塑性響應(yīng)，缺乏種群繁衍過程中長期不良環(huán)境，特別是高溫和農(nóng)藥長期馴化對昆蟲溫度響應(yīng)影響的對比研究。

禾谷縊管蚜（Rhopalosiphum padi）屬半翅目（Hemiptera）蚜科（Aphididae），是我國及世界各地小麥的重要害蟲之一。本試驗研究了長期（2 a 以上）亞致死高溫（29 ℃）和農(nóng)藥（吡蟲啉）馴化對禾谷縊管蚜環(huán)境溫度生理耐受性以及生態(tài)表現(xiàn)響應(yīng)的影響，旨在為理解溫度與農(nóng)藥長期馴化背景環(huán)境下的昆蟲響應(yīng)氣候變暖生態(tài)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試禾谷縊管蚜于2016 年7 月上旬采自山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒區(qū)作物研究所朔州市試驗基地（E113°15′38″，N39° 55′19″）。供試麥種來源于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所。

1.2 試驗方法

1.2.1 麥苗種植 麥種在清水中浸泡15 s 后，均勻撒入盛有濕潤營養(yǎng)土的營養(yǎng)缽（12 cm×10 cm）并蓋薄土后置于盛有800 mL 清水的塑料盤（23.5 cm×17.5 cm×6.5 cm）內(nèi)，苗高5 cm 左右時用于蚜蟲飼養(yǎng)。為保證麥苗新鮮度，每隔7 d 更換一次。育苗條件為：溫度（22.0±0.5）℃，濕度50%～70%，光周期L16∶D8。

1.2.2 試驗用蟲種群

1.2.2.1 實驗室對照種群（CK） 將采集到的蚜蟲在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院養(yǎng)蟲室內(nèi)建立實驗室對照種群，并進(jìn)行長期飼養(yǎng)。因蟲源地發(fā)生期日均溫度22 ℃，日均最高溫度29 ℃，所以，養(yǎng)蟲室溫度為（22.0±0.5）℃，濕度50%～70%，光周期L16∶D8。

1.2.2.2 高溫種群（High temperature population，HP） 禾谷縊管蚜生長發(fā)育恒溫上限為30 ℃，但室內(nèi)無法長期繼代飼養(yǎng)[12]，因此，選擇29 ℃作為長期定向馴化高溫。于2018 年1 月將部分實驗室種群CK接入新鮮麥苗上并放置在（29.0±0.5）℃人工氣候箱內(nèi)（寧波江南儀器廠，RXZ-380B），濕度50%～70%，光周期L16∶D8。研究開始時已成功飼養(yǎng)2 a，連續(xù)繼代80 代以上。

1.2.2.3 吡蟲啉種群（Imidacloprid population，IP）根據(jù)章玉萍等[13]的方法，略有改動。先將95%吡蟲啉原藥（中農(nóng)聯(lián)合生物科技有限公司提供）用丙酮配制成10 mg/mL 母液，用蒸餾水按照不同濃度稀釋進(jìn)行育苗，小麥種子種植前先在不同濃度藥液里浸泡15 s，然后將藥液倒入營養(yǎng)盤，麥苗種植方法同1.1.1，待麥苗長至5 cm 并接入部分實驗室種群CK 群體篩選，每4 代再對此種群進(jìn)行一次毒力測定，并用該次測定的LC50濃度繼續(xù)進(jìn)行群體篩選，以此類推。當(dāng)吡蟲啉亞致死濃度為1.5 μg/mL 時，達(dá)到種群的穩(wěn)定濃度。試驗開始前一直保持此濃度對蚜蟲進(jìn)行繼代飼養(yǎng)。飼養(yǎng)條件為：溫度（22.0±0.5）℃，濕度50%～70%，光周期L16∶D8。研究開始時已成功飼養(yǎng)2 a。

1.2.3 馴化條件及當(dāng)代溫度對禾谷縊管蚜耐熱性的影響 采用CAO 等[14]的單管飼養(yǎng)法，分別挑取不同背景的馴化種群的健康無翅成蚜各30 頭分別置于22、29 ℃人工氣候箱內(nèi)（濕度50%～70%，光周期L16∶D8），6 h 后每管保留2 頭若蚜，去除成蚜及多余初產(chǎn)若蚜，每隔2 d 更換一次飼養(yǎng)管內(nèi)麥葉，每隔1 d 添加一次營養(yǎng)液。飼養(yǎng)至9 日齡成蚜?xí)r進(jìn)行最高臨界溫度（CTmax）測定。

測定方法參照文獻(xiàn)[15]進(jìn)行。將供試蚜蟲獨立置于一側(cè)貼有尼龍紗布（0.074 mm 孔徑）的蜂巢板（80 mm×80 mm）小孔（直徑5 mm、深度5 mm）中，然后用透明塑料板將蜂巢板蓋住并用小夾固定，防止蚜蟲逃逸。隨后將蜂巢板置于由高精度冷熱循環(huán)油浴裝置（Ministat 230-cc-NR，Huber 有限公司，德國；精度0.01 ℃）控溫的雙層玻璃反應(yīng)釜中。在22 ℃平衡5 min 后，以0.5 ℃/min 速率升溫至30 ℃，再以0.1 ℃/min 速率升溫至40 ℃，用索尼攝像機(jī)拍攝記錄蜂巢孔內(nèi)每頭蚜蟲觸角或四肢最后一次顫動時間及其對應(yīng)的溫度。

1.2.4 環(huán)境背景及當(dāng)代溫度對禾谷縊管蚜生活史性狀的影響 分別挑取不同背景的馴化種群的健康無翅成蚜各60 頭分別置于22、29 ℃人工氣候箱內(nèi)（濕度50%～70%，光周期L16∶D8），6 h 后每管保留1 頭若蚜，去除成蚜及多余初產(chǎn)若蚜，麥葉及營養(yǎng)液處理同1.2.1。于每日8：00，檢查各處理每頭蚜蟲的蛻皮與存活情況。成蚜羽化后，記錄每日新生若蚜數(shù)后將其用小毛筆輕輕移出飼養(yǎng)管，待所有供試蚜蟲死亡后，試驗結(jié)束。所有蚜蟲均測定了發(fā)育歷期、存活率、壽命及繁殖量。其中，若蚜發(fā)育歷期為蚜蟲從出生至羽化為成蚜的天數(shù)；若蚜存活率指活到成蚜的若蚜占全部測試蚜蟲的百分比；成蚜壽命為每頭成蚜存活天數(shù)；繁殖量為每頭成蚜的產(chǎn)仔總數(shù)。

1.3 統(tǒng)計分析

除逃逸個體外，供試蚜蟲均用于統(tǒng)計分析。若蚜發(fā)育歷期和成蚜壽命數(shù)據(jù)非正態(tài)分布（Shapiro-Wilks 測試，P＞0.05），經(jīng)平方根轉(zhuǎn)換后用于分析。CTmax、若蚜發(fā)育歷期、成蚜壽命和繁殖量均采用雙因素法進(jìn)行方差分析，利用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行溫度下不同種群間多重比較，并利用獨立樣本t檢驗進(jìn)行溫度處理間的差異顯著性分析（SPSS 20）。若蚜存活率采用列聯(lián)表法進(jìn)行顯著性分析。種群參數(shù)采用Poptools 軟件計算。采用Excel 2010 軟件作圖。

其中，X表示蚜蟲日齡；lx表示蚜蟲在X日時的存活率；mx表示蚜蟲在X日時的繁殖量。

2 結(jié)果與分析

2.1 馴化條件及當(dāng)代溫度對禾谷縊管蚜成蚜耐熱性CTmax 的影響

馴化條件（F2，173＝9.186，P＜0.001）和當(dāng)代溫度（F1，173＝17.543，P＜0.001）對禾谷縊管蚜CTmax 均有極顯著影響，但沒有明顯的互作效應(yīng)（F2，173＝0.589，P＝0.551）。在HP（t＝3.729，df＝55，P＜0.001）和IP（t＝2.722，df＝57，P＝0.009）下，2 種當(dāng)代溫度處理間差異極顯著，且2 個種群29 ℃處理與22 ℃處理相比分別升高0.58、0.43 ℃。

當(dāng)代22 ℃下3 個種群的CTmax 均無顯著區(qū)別（F2，86＝1.796，P＝0.172）。但在當(dāng)代29 ℃下，3 個種群的CTmax 差異顯著（F2，86＝13.434，P＜0.001），HP和IP 較CK 的Ctmax 均顯著升高，分別升高0.66、0.47 ℃（圖1）。

2.2 馴化條件及當(dāng)代溫度對禾谷縊管蚜生活史性狀的影響

2.2.1 若蚜發(fā)育歷期 當(dāng)代溫度對禾谷縊管蚜的發(fā)育歷期有顯著影響（F1，184＝27.343，P＜0.001），但馴化條件（F2，184＝0.881，P＝0.416）及二者的互作（F2，184＝2.233，P＝0.110）不顯著。CK（t＝6.019，df＝85，P＜0.001）和HP（t＝2.856，df＝64，P＝0.006）在當(dāng)代29 ℃下與22 ℃相比分別顯著縮短了0.26、0.12 d，而IP 無顯著差異（t＝1.494，df＝29，P＝0.149）（圖2）。

2.2.2 若蚜存活率 當(dāng)代溫度（χ2＝7.720，df＝1，P＝0.005）和馴化條件（χ2＝7.652，df＝2，P＝0.022）對禾谷縊管蚜若蚜存活率均產(chǎn)生顯著影響。

HP 在2 種當(dāng)代溫度處理下若蚜存活率差異顯著（χ2＝7.720，df＝1，P＝0.01），且29 ℃的存活率與22 ℃相比顯著降低14.44%。在22 ℃下，3 種種群間的存活率差異顯著（χ2＝27.265，df＝2，P＜0.001），IP 與CK 相比存活率下降了50.33%；在29 ℃下，3 種種群間的存活率差異也顯著（χ2＝7.652，df＝2，P＝0.022），HP 和IP 與CK 相比分別下降了22.01%和23.13%（圖3）。

2.2.3 成蚜壽命 馴化條件對禾谷縊管蚜的成蚜壽命有顯著影響（F2，184＝3.442，P＝0.034），但當(dāng)代溫度（F1，184＝2.281，P＝0.133）及二者的互作（F2，184＝1.433，P＝0.241）無顯著差異。當(dāng)代22 ℃下，IP（F2，92＝3.542，P＝0.033）的成蚜壽命顯著低于CK及HP，分別縮短了5.04、5.97 d（圖4）。

2.2.4 繁殖量 當(dāng)代溫度（F1，184＝17.037，P＜0.001）和馴化種群（F2，184＝4.713，P＝0.01）以及二者的互作（F2，184＝4.544，P＝0.012）對禾谷縊管蚜的繁殖量都有顯著影響。CK（t＝2.344，df＝85，P＝0.021）和HP（t＝4.995，df＝85，P＜0.001）在2 種溫度處理下繁殖量差異均顯著，且2 種種群在29 ℃的平均繁殖量與22 ℃相比分別減少8.98、24.05 頭。當(dāng)代22 ℃下，與CK 相比，HP 的繁殖量增加了10.96 頭，而IP降低了11.51 頭（圖5）。

2.2.5 種群參數(shù) 由表1 可知，無論是在22 ℃還是29 ℃發(fā)育溫度下，HP 及IP 種群內(nèi)稟增長率均低于CK；22 ℃下IP 的凈繁殖率顯著低于其他2 個種群，29 ℃下IP 的凈繁殖率也低于CK；而HP 的平均世代時間最長。

表1 馴化條件及當(dāng)代溫度對禾谷縊管蚜種群參數(shù)的影響

3 討論

3.1 當(dāng)代溫度處理對不同種群的禾谷縊管蚜成蚜CTmax 的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，長期熱、藥以及當(dāng)代高溫馴化均可提高禾谷縊管蚜耐熱性。亞致死熱馴化提高機(jī)體耐熱性這種現(xiàn)象在很多物種中被報道。如短時高溫處理后的麥長管蚜（Sitobion avenae）[15]、禾谷縊管蚜（Rhopalosiphum padi）[14]、跳蟲（Orchesella cincta）[16]和蘋果蠹蛾（Cydia pomonella）[17]的致死高溫存活率顯著提高。這已被證實與熱激蛋白誘導(dǎo)表達(dá)[18]以及山梨醇和甘露醇等熱保護(hù)物質(zhì)升高[19]有關(guān)。也有研究證實，農(nóng)藥等其他脅迫條件也可誘導(dǎo)熱激蛋白產(chǎn)生，從而使生物對高溫產(chǎn)生交互耐受性[20]。長期高溫或農(nóng)藥馴化也可能導(dǎo)致GABA 受體基因特異表達(dá)[19]。

3.2 當(dāng)代溫度處理對不同種群禾谷縊管蚜生活史性狀及種群參數(shù)的影響

雖然長期高溫、吡蟲啉馴化以及當(dāng)代高溫對禾谷縊管蚜成蚜的熱耐受性有正面誘導(dǎo)效應(yīng)，但這種可塑性響應(yīng)也可能導(dǎo)致負(fù)面的生活史代價。本研究發(fā)現(xiàn)，長期熱藥馴化對禾谷縊管蚜若蚜發(fā)育歷期影響較小，但對若蚜存活率、成蚜壽命及繁殖量、以及種群命運產(chǎn)生較大負(fù)面影響。這可能涉及到能量分配與權(quán)衡問題，例如朱砂葉螨（Tetranychus cinnabarinus）敏感品系熱激后，增加了分子質(zhì)量分別為97.2、74.3、62.4、53.0、30.3 ku 的5 條條帶[21]；類似的，藥材甲成蟲在38、40、42 ℃分別脅迫2 h 后，其體內(nèi)Sp Hsp90的表達(dá)量明顯高于對照組。這說明Sp Hsp90在藥材甲抵抗高溫脅迫過程中起著重要的作用[22]。更加說明昆蟲將更多能量物質(zhì)用于抵御不良環(huán)境，用于繁殖后代的資源就會下降。本研究還發(fā)現(xiàn)，吡蟲啉種群所產(chǎn)生的繁殖代價最大，這可能與農(nóng)藥脅迫不但誘導(dǎo)熱激蛋白產(chǎn)生，還誘導(dǎo)大量解毒酶、保護(hù)酶的合成有關(guān)[23]，這種耐受性與可塑性間的權(quán)衡[24-27]可能會使熱適應(yīng)[28]以及農(nóng)藥適應(yīng)物種的種群動態(tài)在全球氣候變暖下面臨更嚴(yán)重的威脅。

4 結(jié)論

本研究證實，農(nóng)藥長期馴化帶來的熱耐受性獲利較小，生態(tài)代價最高，預(yù)示著長期農(nóng)藥施用給昆蟲適應(yīng)氣候變暖可能帶來不利影響。只有充分理解生物在多種環(huán)境逆境背景下的響應(yīng)規(guī)律，才能正確評估氣候變化對地球生物多樣性的影響[29]。這對未來氣候變暖和化學(xué)農(nóng)藥施用背景下，昆蟲發(fā)生預(yù)測預(yù)報和抗藥性治理對策制定具有非常重要的現(xiàn)實意義。