王玨 時勇 范立淳 張彥龍 鄭雅楠
關(guān)鍵詞:云杉花墨天牛;生殖;交配;產(chǎn)卵;日節(jié)律
昆蟲普遍通過雌雄個體的交配行為來完成后代的繁殖,因此交配行為在種群的延續(xù)中具有重要的作用,對交配行為的研究也成為昆蟲行為學(xué)的熱點。對天牛類昆蟲交配產(chǎn)卵行為的研究有助于了解天牛繁殖行為的過程與機制,針對其生殖特性設(shè)計防治策略,或在成蟲發(fā)生期利用信息素、寄主植物揮發(fā)物等在棲境進(jìn)行人為干擾,通過抑制或延遲該天牛的交配,從而降低下一代的種群密度,對其防治具有重要意義。目前已有許多關(guān)于天牛類昆蟲的交配行為的研究,發(fā)現(xiàn)其交配行為具有明顯的日節(jié)律。如有研究認(rèn)為松褐天牛(Monochamusalternatus Hope)的交配行為主要發(fā)生在夜間,而羅亞萍等研究認(rèn)為該天牛在中午還有一個交配行為的高峰期。新西蘭的一種取食花粉的天牛Zorion guttigerum(Westwood)-天中也有兩個交配行為的高峰期,分別在中午和傍晚。青楊天牛(Saperda populnea Linnaeus)在陰雨天氣前存在明顯的交配高峰期,表明氣候條件會對該天牛交配行為造成較大影響,可結(jié)合天牛自身的生殖節(jié)律和氣候影響因素預(yù)測天牛發(fā)生規(guī)律,在暴發(fā)前及時進(jìn)行防治。桃紅頸天牛(Aromia bungiiFaldermann)對不同寄主產(chǎn)卵選擇性的研究中發(fā)現(xiàn):該天牛最喜歡在桃樹上產(chǎn)卵,因此應(yīng)注意加強在桃樹上對桃紅頸天牛的防控;栗山天牛(Massicus raddei Blessig)則主要在櫟樹樹干上產(chǎn)卵,且易被有傷口的寄主吸引聚集,增加雌雄成蟲交配的機會,表明在天牛交配產(chǎn)卵過程中,寄主植物揮發(fā)物起到了重要作用,防治上可通過及時修復(fù)樹木傷口以減輕栗山天牛對樹木的危害。桑天牛(Apriona germari Hope)羽化后必須要取食??频臉淦げ拍苄猿墒?,利用這一特點在危害嚴(yán)重地區(qū)種植矮化??浦参?,可在天牛補充營養(yǎng)期進(jìn)行防治。這些對天牛交配行為的研究,為進(jìn)一步研究氣候條件對天牛繁衍的影響、利用寄主揮發(fā)物和信息素開發(fā)引誘劑等提供了科學(xué)有效的依據(jù)。
云杉花墨天牛(M saltuarius Gebler)屬鞘翅目(Coleoptera)天??疲–erambycidae)墨天牛屬(Monochamus),是傳播松材線蟲(Bursaphelenchus xylophilus (Steiner et Buhrer)Nickle)的媒介昆蟲。2018年,在我國首次發(fā)現(xiàn)云杉花墨天牛為中溫帶地區(qū)松材線蟲病的傳播媒介,在我國中溫帶地區(qū)主要危害紅松(Pir7USkoraiensis Sieb.
et Zucc.)、油松(P.tabuliformis Carr.)、日本黑松(P.thunbergiiParl.)、樟子松(P.sylvestris var. mongolicaLitv.)和落葉松(Larix spp.)等樹種。目前,我國對云杉花墨天牛的研究較少,該天牛的生殖行為和特性尚不明確。本研究首次在我國對云杉花墨天牛的生殖行為特性開展研究,通過24h內(nèi)連續(xù)觀察記錄該天牛的生殖行為,研究其交配和產(chǎn)卵行為的日節(jié)律,為在林間對其進(jìn)行防治,進(jìn)而阻斷松材線蟲在中溫帶地區(qū)的傳播提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1供試蟲源
2020年12月,在遼寧省撫順市大伙房實驗林場元帥林內(nèi)(41°56'23.028"N,124°13'3.925"E),隨機選取受云杉花墨天牛危害的紅松疫木砍伐并解剖,收集樹干內(nèi)部的云杉花墨天牛幼蟲,單頭分裝在裝有木屑的5mL離心管內(nèi)帶回實驗室,在相對濕度55%±5%的室溫條件下飼養(yǎng),每日及時收集初羽化的健康成蟲。
1.2供試材料
在透明玻璃缸(30cm×30cm×40cm)內(nèi)放人紅松嫩枝作為云杉花墨天牛成蟲的食物源,同時放入紅松木段為該天牛提供棲息和產(chǎn)卵場所。其中木段為直徑15+2cm、長度25cm、帶有韌皮部的健康紅松木段,兩端封蠟處理保濕;嫩枝為1~3年生新鮮紅松嫩枝。
1.3云杉花墨天牛生殖行為的觀察
將當(dāng)日初羽化的健康云杉花墨天牛雌雄成蟲分別用新鮮的紅松嫩枝飼養(yǎng),使其補充營養(yǎng)發(fā)育至性成熟。選取補充營養(yǎng)后的3日齡雌雄成蟲各1頭,置于放有紅松木段和嫩枝的透明玻璃缸內(nèi),用紗布蓋在玻璃缸上并用松緊繩系緊,防止天牛逃逸,觀察單對天牛成蟲的生殖行為;同時,選擇補充營養(yǎng)后的3日齡雌雄成蟲各3頭,在成蟲鞘翅上涂上不同顏色的無毒無味水彩顏料(馬利,上海馬利畫材股份有限公司)進(jìn)行標(biāo)記來區(qū)分不同個體以便觀察、記錄生殖行為,然后置于同一玻璃缸內(nèi),觀察同一缸內(nèi)多對天牛成蟲的生殖行為,單對和多對試驗均各設(shè)15組重復(fù)。觀察試驗共10人分2組參加,即5人/組,每人觀察6個玻璃缸內(nèi)天牛生殖行為,兩組人員每12h輪班一次。
在相對濕度55%±5%,光周期8D:16L的室溫條件下飼養(yǎng),每3d更換一次新鮮紅松嫩枝,每兩周更換一次紅松木段。每天24h不間斷觀察天牛交配產(chǎn)卵的過程,直至其自然死亡,期間統(tǒng)計云杉花墨天牛雌雄成蟲抱對、交配的次數(shù)和日寸間,及雌成蟲咬產(chǎn)卵刻槽和產(chǎn)卵的次數(shù)及時間。
各生殖行為起始和終止判斷依據(jù):
(1)抱對:雄成蟲爬到雌成蟲背上時記作抱對行為開始,雄成蟲從雌成蟲背上離開或交配行為開始時記作抱對行為結(jié)束。
(2)交配:雄成蟲伸出陽莖插入雌成蟲生殖器時計作交配行為開始,授精完成后雄成蟲陽莖從雌成蟲生殖器中抽離時記作交配行為結(jié)束。
(3)配后保護(hù):最后一次交配結(jié)束記作配后保護(hù)行為開始,雄成蟲從雌成蟲背上離開記作配后保護(hù)行為結(jié)束。
(4)刻槽:交配后雌成蟲啃咬樹皮記作刻槽行為開始,開始嘗試產(chǎn)卵時記作刻槽行為結(jié)束。
(5)產(chǎn)卵:產(chǎn)卵器插入刻槽記作產(chǎn)卵行為開始,產(chǎn)卵器抽離刻槽記作產(chǎn)卵行為結(jié)束。
1.4數(shù)據(jù)計算與分析
交配頻率和產(chǎn)卵頻率計算公式如下:交配頻率(%)=單位時間內(nèi)交配次數(shù)/每天交配總次數(shù)x100%產(chǎn)卵頻率(%)=單位時間內(nèi)產(chǎn)卵次數(shù)/每天產(chǎn)卵總次數(shù)x100%
采用SPSS(22.0)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,各數(shù)值間差異采用獨立樣本t檢驗和SNK多重比較法分析。
2結(jié)果與分析
2.1云杉花墨天牛交配與產(chǎn)卵行為
通過觀察云杉花墨天牛的交配行為發(fā)現(xiàn),其完整的交配過程包括3個階段:相遇抱對、插入交配和配后保護(hù)(圖1)。
(1)相遇抱對:交配前,雌雄成蟲來回爬動,雌成蟲在雄成蟲附近取食或靜止,此時雄成蟲會靠近雌成蟲,二者用觸角碰觸進(jìn)行識別,若二者沒有交配意愿則彼此分開,當(dāng)二者均有交配意愿時,雄成蟲會主動旋轉(zhuǎn)方向以調(diào)整交配位置,使其身體和雌成蟲身體方向保持一致,隨后爬到雌成蟲背上。抱對中的雄成蟲會用前足跗節(jié)抓住雌成蟲的鞘翅兩側(cè)或基部,同時用中足跗節(jié)抓住雌成蟲的腹端以保持交配姿勢穩(wěn)定,后用腹部末端向雌成蟲腹部末端彎曲并不斷觸碰以刺激雌成蟲,或用觸角觸碰雌成蟲的觸角,或用下顎須在雌成蟲鞘翅的翅基區(qū)撫慰,輕咬或舔雌成蟲鞘翅基部和前胸背板。
(2)插入交配:在相遇抱對成功后,雄成蟲會伸展陽基側(cè)突和陽莖觸碰雌成蟲腹部末端并留在雌成蟲生殖腔外,然后插入其從交配孔外翻出的內(nèi)囊,向雌成蟲生殖器內(nèi)輸送精液,期間雄成蟲用前足抓住雌成蟲的鞘翅,用中足跗節(jié)抓住雌成蟲腹端,同時后足抵在木段上起到支撐的效果。在一次抱對過程中,雌雄成蟲可能會有多次插人交配的現(xiàn)象。
(3)配后保護(hù):在最后一次交配結(jié)束后,雄成蟲會繼續(xù)攀附在雌成蟲體背上,跟隨雌成蟲一起移動,驅(qū)趕附近的其他雄成蟲。
(4)刻槽:交配后,雌成蟲會在木段上尋找適合產(chǎn)卵的位置,并啃咬產(chǎn)卵刻槽準(zhǔn)備開始產(chǎn)卵。雌成蟲沿樹干和樹枝行走,期間不斷用觸角和口器觸碰樹干表皮,直到選好產(chǎn)卵刻槽位置。隨后雌成蟲頭朝樹木基部方向,開始用下顎啃食樹皮形成產(chǎn)卵刻槽。
(5)產(chǎn)卵:刻槽完成后,雌成蟲會調(diào)轉(zhuǎn)方向頭朝上,腹部彎曲,末端不斷觸碰樹干表皮探尋刻槽位置,并不斷調(diào)整位置及姿勢,直至腹部末端探人刻槽內(nèi),后產(chǎn)卵器緩慢伸出,插入刻槽上壁,腹部不斷蠕動開始產(chǎn)卵。產(chǎn)卵后雌成蟲可能會離開或再次與雄成蟲交配(圖2)。
觀察在同一玻璃缸中飼養(yǎng)的3對云杉花墨天牛雌雄成蟲之間的交配行為,發(fā)現(xiàn)雌雄成蟲一生中均會與多只不同異性成蟲進(jìn)行交配,沒有固定的配偶關(guān)系。存在雄成蟲試圖與已死亡雌成蟲交配、同性成蟲試圖交配、3只天牛抱在一起類似抱對的特殊現(xiàn)象(圖3)。其中雄成蟲與死亡雌成蟲(或其他雄成蟲)試圖交配時,雄成蟲會伸展陽莖觸碰死亡雌成蟲(或其他雄成蟲)腹部末端,不斷嘗試插入授精,但均未能成功完成授精。雌成蟲進(jìn)行同性抱對時,上位雌成蟲偶爾會做出曲腹動作,并伸出產(chǎn)卵器試探。
2.2云杉花墨天牛各生殖行為次數(shù)與時長
通過24h連續(xù)觀察云杉花墨天牛成蟲的生殖行為發(fā)現(xiàn),一個玻璃缸內(nèi)同時飼養(yǎng)3對天牛時比只飼養(yǎng)1對天牛時,天牛每天平均抱對、交配和刻槽次數(shù)都增加,其中每天平均交配次數(shù)顯著增加(F=4.765,df=27.P<0.05),而產(chǎn)卵次數(shù)卻減少。同時各生殖行為每次所用平均時長都縮短,其中刻槽和產(chǎn)卵時長顯著縮短(刻槽時長:F=4.986,df=26,P<0.05;產(chǎn)卵時長:F=5.672,df=23,P<0.05)(表1)。
隨著日齡的增加,云杉花墨天牛每天抱對次數(shù)總體呈下降趨勢。一個玻璃缸內(nèi)同時飼養(yǎng)3對天牛時和只飼養(yǎng)1對天牛時.天牛每天抱對次數(shù)隨日齡的變化趨勢均一致,但3對天牛的每天抱對次數(shù)整體多于1對天牛的每天抱對次數(shù)(圖4)。天牛每天交配次數(shù)總體也呈下降趨勢,且相較于抱對行為交配行為的下降趨勢更為明顯,同時3對天牛每天交配次數(shù)整體多于1對天牛的每天交配次數(shù)(圖5).
玻璃缸中飼養(yǎng)1對云杉花墨天牛時,隨著日齡增加,天牛每天平均抱對、交配、刻槽和產(chǎn)卵次數(shù)均先增加,在7~10日齡達(dá)到最高峰,然后逐步減少(圖6)。一個玻璃缸內(nèi)同時飼養(yǎng)3對天牛時,天牛各生殖行為次數(shù)隨日齡的變化趨勢一致,但增加和減少的趨勢都更加明顯(圖7)。
2.3云杉花墨天牛交配和產(chǎn)卵日節(jié)律
通過對比云杉花墨天牛成蟲一日內(nèi)不同時段交配頻率發(fā)現(xiàn),一個玻璃缸內(nèi)同時飼養(yǎng)3對天牛時和只飼養(yǎng)1對天牛時,都在12:00-14:00有一個交配高峰期。當(dāng)玻璃缸中只飼養(yǎng)1對云杉花墨天牛時,每天的8:00-16:00交配頻率均在15%以上,其中在12:00-14:00期間交配頻率較高,達(dá)到18.80%,和其他時間段差異顯著(F=3.667,df=11,156,P<0.05)。當(dāng)玻璃缸中同時飼養(yǎng)3對云杉花墨天牛時,每天的12:00-18:00交配頻率均在15%以上,其中在12:00-14:00期間交配頻率較高,達(dá)到31 .34%,和其他時間段差異顯著(F=12.423,df=11,168,P<0.05)(圖8)。
通過對比云杉花墨天牛成蟲一日內(nèi)不同時段產(chǎn)卵頻率發(fā)現(xiàn),一個玻璃缸內(nèi)同時飼養(yǎng)3對天牛時和只飼養(yǎng)1對天牛時,天牛產(chǎn)卵行為都存在一個高峰期。當(dāng)玻璃缸中只飼養(yǎng)1對云杉花墨天牛時,每天的14:00-18:00產(chǎn)卵頻率均在15%以上,其中在14:00-16:00期間產(chǎn)卵頻率較高,達(dá)到21.25%,和其他時間段差異顯著(F=3.171,df=11,108,P<0.05)。當(dāng)玻璃缸中同時飼養(yǎng)3對云杉花墨天牛時,每天的12:00-18:00產(chǎn)卵頻率均在15%以上,其中在12:00-14:00和16:00-18:00期間產(chǎn)卵頻率較高,分別為27.78%和23.02%,和其他時間段差異顯著(F=6.000,df=11,168,P<0.05)。可以看出,一個玻璃缸內(nèi)同時飼養(yǎng)3對天牛時比只飼養(yǎng)1對天牛時,天牛的產(chǎn)卵高峰期提前了2h(圖9)。
通過對比云杉花墨天牛成蟲一日內(nèi)不同時段交配和產(chǎn)卵頻率發(fā)現(xiàn),天牛在交配后就會開始尋找合適的位置刻槽并產(chǎn)卵,產(chǎn)卵日節(jié)律趨勢跟隨交配日節(jié)律趨勢而變化,都存在一個高峰期。(圖10)。一個玻璃缸內(nèi)同時飼養(yǎng)3對天牛時比只飼養(yǎng)1對天牛時,交配和產(chǎn)卵日節(jié)律的一致性未發(fā)生改變(圖11)。
3討論
3.1云杉花墨天牛生殖行為
云杉花墨天牛在交配前沒有復(fù)雜的求偶過程,雌雄成蟲聚集后就容易發(fā)生交配。而當(dāng)雌雄成蟲相遇時,即使它們距離很近,雄成蟲也不會興奮,但雄成蟲接觸雌成蟲體壁后會立即變得興奮,這與松褐天牛的交配行為類似。云杉花墨天牛雄成蟲接觸雌成蟲的行為對雄成蟲產(chǎn)生了直接的刺激,推測成蟲體壁存在接觸性信息素,聚集信息素種性信息素均在成蟲交配過程中發(fā)揮著重要作用。Ginzel和Hanks提出的“3步定位假說”就包括雄成蟲釋放聚集信息素吸引雌成蟲靠近,后通過雌成蟲體表的接觸信息素相互識別,進(jìn)而發(fā)生交配行為。觀察發(fā)現(xiàn)云杉花墨天牛雌成蟲和雄成蟲在一次抱對后有多次交配的現(xiàn)象,此現(xiàn)象在栗山天牛、松褐天牛、云斑天牛中均有發(fā)生。交配次數(shù)會影響雄成蟲的交配成功率,多次交配有利于雄成蟲成功授精,同時多次交配可以及時補充雌成蟲受精囊內(nèi)的精子,有助于提升雌成蟲的產(chǎn)卵量和卵孵化量。本研究中云杉花墨天牛雌成蟲平均產(chǎn)卵次數(shù)為1.87±0.61次·天,平均每頭雌成蟲一生產(chǎn)卵次數(shù)約為40次,與韓國的研究結(jié)論相符。
本研究還觀察到云杉花墨天牛存在雄成蟲嘗試與已死亡雌成蟲交配、同性成蟲試圖交配、3只天牛抱在一起類似抱對的特殊現(xiàn)象,在日本對云杉花墨天牛生殖行為的研究中也觀察到了同樣的現(xiàn)象。其中,(1)雄成蟲嘗試與死亡雌成蟲交配的現(xiàn)象表明,雌成蟲對雄成蟲的反應(yīng)并不是發(fā)生交配行為的關(guān)鍵,可能是由雌成蟲釋放的體表接觸信息素被雄成蟲識別進(jìn)而發(fā)生交配行為,且死亡不超過24h的雌成蟲仍能引起雄成蟲試圖進(jìn)行交配行為,推測這種接觸信息素具有穩(wěn)定性。(2)而同性天牛試圖交配的現(xiàn)象,在松褐天牛的交配行為中也存在,羅亞萍等人認(rèn)為這一現(xiàn)象出現(xiàn)的可能原因包括:同性戀和接觸信息素的錯誤識別。并根據(jù)出現(xiàn)過同性試圖交配的天牛并不排斥與其他異性天牛正常交配,進(jìn)一步推測天牛出現(xiàn)同性試圖交配現(xiàn)象的主要是由接觸性信息素的錯誤識別導(dǎo)致。針對本研究中出現(xiàn)的同性成蟲試圖交配、3只天牛抱在一起類似抱對的特殊現(xiàn)象,研究推測同性成蟲之間試圖交配可能是體壁信息素錯誤識別導(dǎo)致,而3只天牛抱在一起類似抱對現(xiàn)象主要是由于聚集信息素的影響,這表明在云杉花墨天牛種群監(jiān)測和誘捕中,聚集信息素具有重要的應(yīng)用意義。
3.2云杉花墨天牛成蟲交配產(chǎn)卵日節(jié)律
目前關(guān)于天牛交配的日節(jié)律已有很多研究,不同種天牛交配的日節(jié)律略有不同,其中光肩星天牛、星天牛、云斑天牛等均在白天交配,且交配高峰期集中在上午;而松褐天牛、栗山天牛、桑天牛的交配高峰期集中于晚上。同一生態(tài)位的不同種天牛選擇不同的日節(jié)律進(jìn)行取食、求偶、交配及產(chǎn)卵,可以降低種間對相同資源的競爭以及保持交配活動的同步性。
本研究發(fā)現(xiàn)云衫花墨天牛的交配和產(chǎn)卵活躍期持續(xù)時間較長且集中在10:00-16:00,分析原因可能和飼養(yǎng)的環(huán)境有關(guān):(1)室內(nèi)飼養(yǎng)時,天牛生存空間有限,雌雄成蟲活動范圍較小,和野外環(huán)境相比雌雄成蟲的相遇頻率較高,因此發(fā)生交配行為的頻率也相對較高;(2)在室內(nèi)飼養(yǎng)時,溫濕度、光照等環(huán)境條件更穩(wěn)定,可能有利于天牛的交配和產(chǎn)卵等行為。進(jìn)一步證實昆蟲的行為節(jié)律除了受昆蟲本身生物控制的內(nèi)源性節(jié)律影響,同時還會受到如光照、溫度、濕度等自然環(huán)境的影響。
3.3種群密度對云杉花墨天牛成蟲生殖行為的影響
通過對比玻璃缸內(nèi)飼養(yǎng)1對和3對云杉花墨天牛時成蟲的生殖行為,發(fā)現(xiàn)當(dāng)玻璃缸內(nèi)天牛數(shù)量增加后,平均每天的生殖行為次數(shù)隨之增加,但并不成構(gòu)成簡單的倍數(shù)關(guān)系,這很可能是由于種群密度增大后天牛間競爭增加;而各生殖行為尤其是刻槽和產(chǎn)卵行為每次所用平均時長縮短,很可能是由于雌成蟲因爭奪合適的刻槽產(chǎn)卵位置而相互干擾迫使刻槽和產(chǎn)卵行為中斷。同時,當(dāng)密度增加時天牛交配和產(chǎn)卵行為的活躍期更加集中,這進(jìn)一步加劇了種間競爭,對天牛的繁殖起到抑制作用。這與前人在種群密度對豌豆蚜繁殖影響的研究中所得結(jié)論相符。
4結(jié)論
本研究通過觀察云杉花墨天牛成蟲生殖行為發(fā)現(xiàn):(1)云杉花墨天牛在補充營養(yǎng)后第3天開始有生殖行為。(2)云杉花墨天牛的生殖行為主要包括抱對、交配、刻槽和產(chǎn)卵,其中完整的交配過程可分為相遇抱對、插入交配和配后保護(hù)三個階段。(3) -個玻璃缸內(nèi)同時飼養(yǎng)3對天牛時比只飼養(yǎng)1對天牛時,每天平均的抱對、交配、刻槽次數(shù)增加,產(chǎn)卵次數(shù)減少,而每次交配行為所用平均時長縮短。(4)云杉花墨天牛的交配和產(chǎn)卵行為具有日節(jié)律,其中交配高峰期為12:00-14:00,雌成蟲產(chǎn)卵高峰期為14:00-16:00??衫迷粕蓟炫S鸹笮柩a充營養(yǎng)的特性,在該時期使用寄主植物揮發(fā)物對天牛進(jìn)行誘捕,阻止天牛的交配,從而降低下一代的種群密度。這將有助于防治云杉花墨天牛,從而阻斷其攜帶松材線蟲在東北地區(qū)進(jìn)一步傳播擴散。此外,由于本研究僅在室內(nèi)對云杉花墨天牛成蟲生殖行為特性進(jìn)行了研究,而在自然條件下天牛會受到溫度、降雨、光照、寄主松樹種類等諸多因素的影響,其在林區(qū)內(nèi)的生殖特性還有待進(jìn)一步研究。