草地貪夜蛾幼蟲自殘捕食量分析

唐 雪，呂寶乾，盧 輝，唐繼洪，劉彥龍，閆三強

(1. 貴州大學(xué)昆蟲研究所，貴州省山地農(nóng)業(yè)病蟲害重點實驗室，貴陽 550025；2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物有害生物綜合治理重點實驗室海南省南繁生物安全與分子育種重點實驗室/海南省熱帶農(nóng)業(yè)有害生物監(jiān)測與控制重點實驗室，?？?571101)

草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda屬鱗翅目Lepidoptera夜蛾科Noctuidae灰翅夜蛾屬Spodoptera，是一種原產(chǎn)于美洲熱帶和亞熱帶地區(qū)的重大遷飛性農(nóng)業(yè)害蟲(Hardkeetal., 2015)。其擁有強大的遷飛擴散和繁殖能力，自2016年1月開始入侵非洲后，兩年之內(nèi)便快速擴散至非洲44個國家(王磊等, 2019)，年潛在玉米損失量最高可達2 103萬噸(Rogeretal., 2017)。2019年1月在我國云南省江城縣首次被發(fā)現(xiàn)，隨后迅速席卷國內(nèi)多個省市，截止2019年10月已在我國26個省(自治區(qū)、直轄市)1 538個縣(區(qū))入侵為害，對我國的玉米、水稻、小麥等糧食作物的生產(chǎn)造成了嚴重威脅(張智等, 2021)。作為一種多食性害蟲，草地貪夜蛾可以取食76科353種植物，包括玉米、水稻、甘蔗、高粱、小麥、棉花、甜菜、卷心菜、甜椒、香蕉、番茄等多種作物(Montezanoetal., 2018年)。玉米作為最受其喜愛的寄主植物，幼蟲通常躲藏在心葉中取食(Changetal., 2000年)，為其提供了一些免受捕食的保護，而心葉中幼蟲密度過高可能導(dǎo)致食物競爭，因此自相殘殺率會增加。

自相殘殺(Cannibalism)或種內(nèi)自殘(Intraspecific cannibalism)，是指殺死和取食部分或全部同種其他個體的行為(Fox, 2003)，對種群動態(tài)有著重要的影響(Pierce, 1995)。自相殘殺在鱗翅目昆蟲已有廣泛報道，例如甜菜夜蛾Spodopteraexigua、棉鈴蟲Helicoverpaarmigera等(Horner and Dively, 2003; 王娟等, 2008; Tangetal., 2016)。有研究表明昆蟲的自相殘殺行為可能會提高存活率、發(fā)育速度及繁殖力進而使其在種群競爭中獲得直接優(yōu)勢，更有利于自身的生存繁殖，高齡幼蟲通過捕食低齡幼蟲，其發(fā)育速度相對提高，從而獲得直接優(yōu)勢和間接優(yōu)勢(Yeetal., 2014)。雖然種群間的自相殘殺可以給昆蟲種群帶來許多好處，但它可能會增加病原體和寄生蟲在種群之間傳播的風(fēng)險，特別是受感染的個體更容易被同類捕食(Siva Jothyetal., 2001; Williams and Hernandez, 2010)。種內(nèi)自殘作為影響昆蟲種群消長和群落結(jié)構(gòu)的重要因素，已被作為生態(tài)學(xué)和進化生物學(xué)重要組成部分而受到廣泛研究(Yasudaetal., 2001)。而草地貪夜蛾幼蟲不僅在高密度和食物資源缺少的情況下會發(fā)生自相殘殺現(xiàn)象，在食物不受限制的情況下也會發(fā)生自殘現(xiàn)象(Andowetal., 1999; Chapmanetal., 1999)。此外，當(dāng)不同齡期的幼蟲被關(guān)在一起時，自相殘殺的比率甚至?xí)?Chapmanetal., 1999)。種內(nèi)的自相殘殺行為通常是一個更大、更強壯的個體殺死并吃掉一個更小、更弱的同類(Rudolf and Antonovics, 2007)。而在已有的相關(guān)研究中，多集中在不同密度下同一齡期間幼蟲的自相殘殺(Chapmanetal., 1999)。例如王道通等(2020)通過設(shè)置4個密度(5、10、20和30頭/瓶)下相同齡期草地貪夜蛾的自相殘殺率比較，得出不同密度下的自相殘殺行為主要集中在5齡幼蟲中，而沒有針對高齡幼蟲對低齡幼蟲的捕食及捕食量進行深入研究，不能全面地反映草地貪夜蛾幼蟲殘殺的行為習(xí)性。因此，本研究設(shè)計了不同齡期的幼蟲捕食2齡幼蟲和3齡幼蟲，通過擬合捕食功能反應(yīng)Holling Ⅱ模型對草地貪夜蛾高齡幼蟲捕食低齡幼蟲的能力進行初步研究，以分析不同齡期的草地貪夜蛾對低齡幼蟲捕食量的差異，探討齡期和密度對草地貪夜蛾幼蟲自殘行為的影響，為進一步闡明草地貪夜蛾自殘行為規(guī)律背后的生態(tài)意義提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源

草地貪夜蛾幼蟲于2020年5月采自海南省儋州市寶島新村六坡隊玉米田(30°29′N, 114°18′E)，在實驗室以新鮮玉米葉飼養(yǎng)3代后供試。實驗室溫度25±1℃、相對濕度70%±5%、光周期12 L ∶12 D。

1.2 主要儀器設(shè)備

智能人工氣候箱，圓形塑料盒(D=10 cm，H=5 cm)，小毛筆，標(biāo)簽紙，鑷子，電子天平等。

1.3 試驗方法

1.3.1不同齡期幼蟲對2齡和3齡幼蟲的捕食作用

分別選取草地貪夜蛾3、4、5、6齡幼蟲各1頭置于不同塑料盒(D=10 cm，H=5 cm)中，饑餓處理24 h，對2齡幼蟲的捕食作用，設(shè)置2齡幼蟲密度為20、40、60、80、100、120頭/盒，共6個梯度水平，并放入玉米葉片，葉面積約為24 cm2。對于3齡幼蟲的捕食作用，選取4、5、6齡幼蟲各1頭置于塑料盒中后，設(shè)置3齡幼蟲密度為20、40、60、80、100頭/盒共，5個梯度水平，并放入玉米葉片，葉面積同上。每個處理重復(fù)5次。試驗蟲均放在溫度25±1℃、相對濕度70%±5%、光周期12 L ∶12 D的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。24 h后記錄2齡幼蟲和3齡幼蟲的死亡數(shù)量，盒中消失的蟲和僅剩一半的蟲體均視為被捕食。由于低齡幼蟲極少出現(xiàn)自相殘殺現(xiàn)象，所以本實驗不考慮低齡幼蟲之間的自相殘殺。

1.3.2不同齡期幼蟲間的理論最大捕食量

對不同齡期的幼蟲進行稱重比較，記草地貪夜蛾2齡幼蟲體重為1，以此計算不同齡期的幼蟲相對于2齡幼蟲的比值。利用Holling Ⅱ型圓盤方程進行模擬后得出3、4、5、6齡幼蟲對2齡幼蟲和4、5、6齡幼蟲對3齡幼蟲的最大理論捕食量，利用捕食量和體重的關(guān)系計算出每個齡期幼蟲的最大理論捕食質(zhì)量，根據(jù)各齡期的體重則可以換算出相應(yīng)的捕食量。

1.4 分析方法

采用Holling Ⅱ(Holling, 1959)型圓盤方程進行擬合：

(1)

式中：Na—被捕食的獵物數(shù)量；A—捕食者的瞬時攻擊率；N—獵物密度；Tr—總的試驗時間(本實驗以天為單位，故Tr=1)；Th—處理1頭獵物所需要的時間。

其中A和Th為待估參數(shù)。由于(1)式為非線性方程，將(1)式轉(zhuǎn)化為以下線性方程：

(2)

將實驗數(shù)據(jù)代入(2)式，用最小二乘法即可求得A和Th。將A和Th代入(1)式，即為擬合的草地貪夜蛾捕食2齡幼蟲或3齡幼蟲的功能反應(yīng)模型。

要計算草地貪夜蛾理論最大捕食量時，將(1)變形為(T=1):

(3)

當(dāng)N→∞時，Na有最大值即為1/Th，即為草地貪夜蛾的每日理論最大捕食量。用Excel 2010 處理數(shù)據(jù)，Graphpad Prism 8.02分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)

草地貪夜蛾3、4、5、6齡幼蟲對2齡幼蟲的日捕食量隨2齡幼蟲密度的升高而逐漸增加，當(dāng)獵物密度增加一定水平時，草地貪夜蛾幼蟲的日捕食量趨于平穩(wěn)，捕食功能反應(yīng)符合Holling Ⅱ型圓盤方程(圖1)。草地貪夜蛾各高齡幼蟲對2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)方程與Holling Ⅱ型圓盤方程模型擬合度較高，R2均在0.9以上(表1)。草地貪夜蛾3、4、5、6齡幼蟲對2齡幼蟲的瞬時攻擊率依次為0.580、1.016、1.111、1.081；對2齡幼蟲的處理時間依次為0.013、0.012、0.008、0.010 d。草地貪夜蛾3、4、5、6齡幼蟲對2齡幼蟲的日捕食量隨著齡期的增加而增加，其中5齡幼蟲對2齡幼蟲的日最大捕食量最高，為117.92頭，3齡幼蟲的捕食量最小，為76.47頭。而6齡幼蟲的捕食量為96.05頭，低于5齡幼蟲，這可能與草地貪夜蛾6齡幼蟲即將進入化蛹階段有關(guān)，同時能說明草地貪夜蛾5齡幼蟲的自殘現(xiàn)象最為明顯。

圖1 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)Fig.1 Functional responses of Spodoptera frugiperda at different stages to the second instar larvae注：A、B、C、D分別代表草地貪夜蛾3齡、4齡、5齡、6齡幼蟲對2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)，圖中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。Note: A, B, C and D showed the functional responses of the 3rd, 4th, 5th and 6th instar larvae of S.frugiperda a to the 2nd instar larvae respectively, data were means±SE.

表1 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)Table 1 Functional responses of Spodoptera frugiperda at different stages to the second instar larvae

2.2 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)

草地貪夜蛾4、5、6齡幼蟲對3齡幼蟲的捕食量隨著3齡幼蟲密度的增加而增加，當(dāng)3齡幼蟲的密度增加到一定限度時，草地貪夜蛾各高齡幼蟲捕食量增加的速度逐漸變緩(圖2)；同一獵物密度，草地貪夜蛾5齡幼蟲對3齡幼蟲的捕食量均高于4齡和6齡幼蟲對3齡幼蟲的捕食量。由Hollling Ⅱ型公式擬合草地貪夜蛾各齡期的捕食量計算出草地貪夜蛾高齡幼蟲對3齡幼蟲捕食的功能反應(yīng)方程及其參數(shù)如表2所示：4齡幼蟲對3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)方程為Na=0.740N/(1+0.026N)，對獵物的瞬時攻擊率a為0.740，處理單頭獵物所需要花費的時間Th為0.026 d，最大捕食量為38.83頭/d；5齡幼蟲對3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)方程為Na=1.345N/(1+0.017N)，對獵物的瞬時攻擊率a為1.345，處理單頭獵物所需要花費的時間Th為0.017 d，捕食上限59.49頭/d；6齡幼蟲對3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)方程為Na=1.111N/(1+0.017N)，對獵物的瞬時攻擊率a為1.111，處理單頭獵物所需要花費的時間Th與5齡幼蟲相同，為0.017 d，捕食上限為58.87頭/d。

表2 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)Table 2 Functional responses of Spodoptera frugiperda at different stages to the third instar larvae

圖2 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲對3齡幼蟲的捕食功能反應(yīng)Fig.2 Functional responses of Spodoptera frugiperda at different stages to the third instar larvae注：A、B、C分別代表草地貪夜蛾4齡、5齡、6齡幼蟲對2齡幼蟲的捕食功能反應(yīng), 圖中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。Note: A, B and C showed the functional responses of S.frugiperda at the fourth instar, the fifth and the sixth instar to the second instar larvae respectively, data were means±SE.

2.3 不同齡期幼蟲間最大理論捕食量

不同齡期幼蟲體重如表3所示，通過利用Holling Ⅱ型圓盤方程進行模擬，得出3、4、5、6齡幼蟲對2齡幼蟲和4、5、6齡幼蟲對3齡幼蟲的最大理論捕食量，利用捕食量和體重的關(guān)系計算出每個齡期幼蟲的最大理論捕食質(zhì)量，并做出散點圖(圖3)，擬合方程為y=47.231x0.4591。各個齡期間的最大理論捕食質(zhì)量如圖3所示，根據(jù)各齡期的體重換算出相應(yīng)的捕食量。

圖3 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲的最大捕食質(zhì)量Fig.3 The maximum predation quality of larvae at different instars of Spodoptera frugiperda

表3 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲體重Table 3 Larvae body weight of Spodoptera frugiperda at different stages

根據(jù)擬合方程y=47.231x0.4591及齡期與體重關(guān)系，計算出各齡期對應(yīng)的捕食量如表4所示，6齡幼蟲對低于其齡期的幼蟲的捕食量依次為1齡(494.42頭)> 2齡(107.52頭)> 3齡(34.81頭)> 4齡(6.63頭)> 5齡(2.81頭)；5齡幼蟲對低于其齡期的幼蟲的捕食量依次為1齡(446.28頭)> 2齡(98.88頭)> 3齡(32.01頭)> 4齡(6.10頭)；4齡幼蟲對低于其齡期的幼蟲的捕食量依次為1齡(391.06頭)> 2齡(89.26頭)> 3齡(28.90頭)；3齡幼蟲對低于其齡期的幼蟲的捕食量依次為1齡(324.64頭)> 2齡(78.21頭)。由于沒有直接觀察到3齡以下幼蟲存在自相殘殺現(xiàn)象，所以3齡以下幼蟲對同類的捕食不作考慮。

表4 草地貪夜蛾不同齡期幼蟲間最大理論捕食量Table 4 The maximum theoretical predation between different instar larvae of Spodoptera frugiperda

3 結(jié)論與討論

自相殘殺行為是種群內(nèi)捕食者和被捕食者相互作用的結(jié)果，在種群動態(tài)和種群結(jié)構(gòu)中扮演著重要的角色(Heetal., 2021)。自相殘殺通常是對食物短缺、高密度、同種個體之間的大小差異(Porrettaetal., 2018)、環(huán)境溫度(Startetal., 2018)甚至是飼養(yǎng)盒材料差異的反應(yīng)(Okanoetal., 2018)。本研究明確了草地貪夜蛾在食物充足時仍會對同類幼蟲進行捕食，采用Holling Ⅱ型圓盤方程進行擬合，確定了3、4、5、6齡幼蟲對2齡幼蟲和4、5、6齡幼蟲對3齡幼蟲的最大理論捕食量。結(jié)果表明，草地貪夜蛾3、4、5、6齡幼蟲對2齡幼蟲的捕食量大小依次為5齡>6齡>4齡>3齡；4、5、6齡幼蟲對3齡幼蟲的最大理論捕食量大小依次為5齡>6齡>4齡。草地貪夜蛾幼蟲對同類低齡幼蟲的捕食量先隨著齡期的增加而增加，后又顯現(xiàn)出下降趨勢，6齡幼蟲的捕食量低于5齡幼蟲，這可能和6齡幼蟲其本身活性不高準(zhǔn)備化蛹有密切關(guān)系，這一現(xiàn)象和已知研究的甜菜夜蛾的種內(nèi)捕食基本一致(Soniaetal., 2010)。通過分析得知，草地貪夜蛾在4齡以前，捕食量隨著獵物密度的增加而呈現(xiàn)緩慢增長，4齡之后，捕食量隨著獵物密度的增加而快速增加，表明草地貪夜蛾種內(nèi)捕食與齡期有著極大關(guān)系。鄧盼等(2015)在對棉鈴蟲自相殘殺習(xí)性與其齡期和食物營養(yǎng)關(guān)系的研究中表明棉鈴蟲自相殘殺主要發(fā)生在4齡和5齡幼蟲之間，而非3齡和6齡幼蟲。同樣，Elvira等(2010)通過比較低密度和高密度下5齡和6齡甜菜夜蛾的自相殘殺率，發(fā)現(xiàn)5齡幼蟲自相殘殺率高于6齡幼蟲。而本研究則是通過Holling Ⅱ型圓盤方程模擬在密度無限增大的情況下，可得出理論最大捕食量，其R2值均為0.9以上，但是現(xiàn)實情況下密度是有限的，其最大值可能遠遠小于理論值。此外，本研究只是確定草地貪夜蛾對不同密度下低齡同類幼蟲的最大捕食量，但喂食不同玉米葉部位、寄主種類和溫度等因素是否會影響其對低齡幼蟲的捕食量還需進行深入研究。

本試驗利用各齡期幼蟲之間體重的比值，結(jié)合3、4、5、6齡幼蟲對2齡幼蟲的捕食量，計算出不同齡期幼蟲的最大捕食質(zhì)量，從而得出草地貪夜蛾任意兩個不同齡期之間高齡幼蟲對低齡幼蟲的捕食量。通過對高齡幼蟲對低齡幼蟲的捕食行為進行解析，試探明草地貪夜蛾幼蟲的種內(nèi)自殘行為規(guī)律，其中齡期和低齡幼蟲的密度是影響其自殘行為的兩大重要因素。同時還要進一步的設(shè)計實驗，詳細的探究出草地貪夜蛾幼蟲的種間自殘行為規(guī)律，為更好地理解種內(nèi)自殘現(xiàn)象背后的生態(tài)意義和生理機制，可能有助于開發(fā)新的策略來控制害蟲。