基于銣元素標(biāo)記技術(shù)分析多異瓢蟲在甘草帶與棉田間的遷移范圍

薛正軒,蔡志平,張智健,彭天祥,黃志偉,黃恩澤,王佩玲,陸宴輝

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆綠洲農(nóng)業(yè)病蟲害治理與植保資源利用重點實驗室,新疆石河子 832003;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所/植物病蟲害綜合治理國家重點實驗室,北京 100193)

0 引 言

【研究意義】棲息地管理是害蟲管理的重要策略[1,2],通常選擇一些特定非農(nóng)作物功能植物種在田地的邊緣。由于田邊植物條帶是相對受干擾較小的區(qū)域,能提供對天敵種群至關(guān)重要的資源[3,4],并能增強天敵種群的數(shù)量[4,5]。明確天敵在半自然棲息地與作物之間轉(zhuǎn)移行為[6,7],對保護和利用自然天敵、調(diào)控棉田控害的防治策略有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】研究昆蟲轉(zhuǎn)移擴散的方法有很多,包括DNA標(biāo)記技術(shù)[8-10]、熒光標(biāo)記[11]、花粉標(biāo)記[12]、同位素標(biāo)記和微量元素標(biāo)記技術(shù)[13,14]等。其中銣(Rb)元素標(biāo)記技術(shù)逐漸成為廣泛應(yīng)用的一種標(biāo)記方式[15]。銣元素在自然環(huán)境中含量極低,化學(xué)性質(zhì)和鉀元素相似,在植物體內(nèi)易吸收傳導(dǎo),可通過食物鏈轉(zhuǎn)移到植食性害蟲和天敵昆蟲體內(nèi)[16,17]。目前,銣元素標(biāo)記技術(shù)在研究昆蟲遷移擴散和半自然棲息地的選擇[18,19]以及取食[20]等行為方面變得尤為重要[21,22]?！颈狙芯壳腥朦c】多異瓢蟲Hippodamiavariegate作為新疆棉田中棉蚜Aphisgossypii的主要捕食性天敵,對棉蚜控制起到主要作用[23]。作物周邊種植功能植物帶可以增加作物中天敵的豐度[24,25],呂昭智等[26]發(fā)現(xiàn)在甘草Glycyrrhizauralensis上寄生的棉黑蚜Aphisatrata能為許多天敵提供替代獵物。課題組前期研究時在棉花苗期發(fā)現(xiàn)甘草上涵養(yǎng)了大量的多異瓢蟲,可能作為多異瓢蟲主要的源庫為棉田輸送天敵,從而抑制棉蚜的危害。需采用銣元素標(biāo)記技術(shù),探索多異瓢蟲在甘草與棉田之間的轉(zhuǎn)移范圍?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究銣元素標(biāo)記獵物后在多異瓢蟲成蟲體內(nèi)的滯留期,分析其在甘草帶和棉田中的銣元素檢出率,以及多異瓢蟲在甘草與棉田之間的轉(zhuǎn)移范圍,為豐富銣元素標(biāo)記技術(shù)在昆蟲生態(tài)學(xué)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

室內(nèi)試驗:多異瓢蟲成蟲來源于中國農(nóng)科院廊坊科研中試基地,取1日齡成蟲試驗,棉蚜以棉花為寄主單獨飼養(yǎng)。多異瓢蟲和棉蚜均于石河子大學(xué)人工氣候室進(jìn)行飼養(yǎng),溫度為(28±2)℃, 光照L∶ D=14∶ 10、濕度 (65±5)%。

田間試驗:多異瓢蟲的成蟲均采自石河子大學(xué)試驗場樣地。

試劑:99.9%氯化銣(Rubidium chloride, RbCl)、1 000 μg/mL 銣標(biāo)液(Rubidium, Rb)、65%硝酸(Nitric acid, HNO3)、30%過氧化氫(Hydrogen peroxide, H2O2)。

儀器:電子分析天平(JA2003N)、消解儀(EHD-24)、電熱鼓風(fēng)干燥箱(WGL-230B)、全自動微波消解萃取儀(型號CEM MARS X)、等離子體發(fā)射光譜儀(型號ICAP6300)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

田間試驗于在2021年6～8月在新疆石河子市石河子大學(xué)試驗場(E 85°57′24″,N 44°19′39″)3個樣地進(jìn)行。供試區(qū)是我國棉花主產(chǎn)區(qū),屬暖溫帶大陸季風(fēng)性氣候,年平均氣溫7℃,年平均降雨量211 mm。采用隨機完全區(qū)組設(shè)計,各地塊相距1～3 km。棉田面積平均為7 hm2(范圍在5.3～8 hm2)。供試棉花品系為早熟陸地棉新陸早系列,種植模式為1膜6行(行距 60 cm,株距 12 cm,膜寬為 205 cm)。試驗地面積為600 m2(20 m × 30 m),3次重復(fù)。常規(guī)管理,不使用任何殺蟲劑。

甘草帶均為棉田邊處于花期天然甘草帶,與試驗棉田相距約1 m。通過人為處理,保留長約20 m,寬約1.5 m,面積為(30 ± 2) m2,重復(fù)3次。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 自然背景下的銣元素含量

每次采集試驗片區(qū)內(nèi)多異瓢蟲成蟲檢測銣元素,如含有則取單只含量最大值為基準(zhǔn)值,反之,則取0為基準(zhǔn)值。在噴施RbCl溶液前1 d取成蟲20頭(1只/1.5 mL離心管)保存作為對照,編號并置于-20℃冰箱中保存待測。

1.2.2.2 取食標(biāo)記獵物后多異瓢蟲成蟲體內(nèi)銣元素含量變化

取盆栽棉株2盆放在規(guī)格為80目60 cm × 60 cm × 60 cm(長×寬×高)的罩籠內(nèi)并分別接入(200±20)頭棉蚜,以噴霧方式將 2 000 μg/mL 的 RbCl 溶液均勻地噴灑于罩籠內(nèi)棉花及棉蚜蟲體上,1 h后每個籠子分別接入饑餓48 h的多異瓢蟲40頭。取食48 h后清除所有棉蚜并替換新棉株,補充新棉蚜接到棉株上(每天補充棉蚜(200±20)頭/棉株,不噴施 RbCl 溶液)。于噴施后第1、3、5、7、9、11、13、15 d取樣。每次取10頭成蟲單頭放入 1.5 mL 離心管中,編號并置于-20℃冰箱中保存待測。

1.2.2.3 成蟲在棉蚜發(fā)生不同時期不同距離下的銣元素標(biāo)記

2021年6～8月,在棉蚜發(fā)生早期(6月23日)和棉蚜快速生長期(7月8日)利用銣元素標(biāo)記技術(shù)標(biāo)記處理。采用噴霧方式將 2 000 μg/mL 的 RbCl 溶液均勻地噴灑在有蚜蟲和瓢蟲活動的甘草植株上,用水量為1L/15m2;噴施后第 3 d分別在甘草上和距甘草條 0～15 m、16～30 m、31～50 m、51～100 m 處棉田中隨機采集多異瓢蟲成蟲10 頭;單頭放入 1.5 mL 離心管中,編號并置于-20℃冰箱中保存待測,3次重復(fù)。

1.2.2.4 銣元素

將多異瓢蟲成蟲單頭放入 20 mL 坩堝中在酒精噴燈上進(jìn)行炭化;將炭化的蟲體放入消解罐,加入HNO34 mL 和H2O20.5 mL,放入微波消解儀中進(jìn)行消解,設(shè)置消解溫度和時間為130℃ 10 min、150℃ 5 min 和180℃ 15 min,待消解罐內(nèi)溫度降至室溫時,取出消解罐并打開放入消解儀操作臺進(jìn)行趕酸;待剩余2～3 mL時取出消解罐待冷卻至室溫,再加入部分去離子水以防止蒸發(fā)。最后將其移至 5 mL 容量瓶,用去離子水定容至 5 mL 待測。將 1 000 μg/mL 的RbCl 標(biāo)準(zhǔn)溶液用去離子水逐級稀釋配制成 0.5、1、2、4 μg/mL 的標(biāo)準(zhǔn)樣品,制作不同濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線(相關(guān)系數(shù)R>0.995)。將處理好的樣品利用原子吸收分光光度計測定Rb含量,每個樣品重復(fù)測3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

檢出率(%)= (檢測出Rb個體數(shù)/樣本總個體數(shù))×100%。

采用 Excel 2010 和 SPSS20 軟件處理數(shù)據(jù),Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然背景下多異瓢蟲體內(nèi)的銣元素含量

研究表明,自然背景下未噴施RbCl溶液的多異瓢蟲成蟲和幼蟲,Rb含量均大于去離子水,且不同時期測得不同。表1

表1 多異瓢蟲自然背景下銣(Rb)含量

2.2 銣元素在多異瓢蟲成蟲體內(nèi)隨時間的變化

研究表明,RbCl 溶液噴到棉株及蚜蟲上,瓢蟲由于取食棉蚜從而使體內(nèi)獲得銣元素。多異瓢蟲取食標(biāo)記棉蚜后的第1 d已檢測出被標(biāo)記的銣元素含量并快速升高,在第3 d達(dá)到峰值。隨著時間推移,多異成蟲體內(nèi)的 銣元素 含量逐漸下降。到第15 d,多異瓢蟲成蟲體內(nèi)的銣元素含量已經(jīng)接近第1 d檢測時的含量,并且趨于背景下的水平值。銣元素在多異瓢蟲體內(nèi)滯留期一般在15 d左右。圖1

圖1 標(biāo)記銣元素在多異瓢蟲

注:數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差

2.3 棉蚜發(fā)生不同時期甘草上多異瓢蟲的銣元素檢出率

研究表明,處于花期的甘草上成蟲的銣元素檢出率在棉蚜發(fā)生早期(6月23日)均高于棉蚜快速生長期(7月8日)。6月23日苗期棉花還未出現(xiàn)大量棉蚜,密度約為13頭/百株,而在7月8日棉蚜密度達(dá)到1 250頭/百株,棉花進(jìn)入花鈴期使得更多的多異瓢蟲向棉田遷移尋覓獵物。圖2

2.4 棉蚜發(fā)生不同時期棉田中多異瓢蟲的銣元素檢出率

研究表明,棉蚜發(fā)生早期(6月23日)和快速生長期(7月8日)中成蟲銣元素檢出率沒有表現(xiàn)規(guī)律性的距離效應(yīng),其在50～100 m銣元素檢出率最低,而棉田中距離甘草條0～5 m和31～50m相對較高于16～30 m和51～100 m,且31～100 m中棉田銣元素檢出率水平保持相對穩(wěn)定。在整個棉田中,棉蚜快速生長期(7月8日)的成蟲銣元素檢出率是棉蚜發(fā)生早期(6月23日)的1.2倍。圖3

注:數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差,成蟲的銣元素檢出率

3 討 論

3.1 自然界中昆蟲體內(nèi)銣元素含量

目前,銣元素標(biāo)記法作為研究昆蟲遷移和擴散的一種有效手段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[27]。雖然銣元素在自然界含量極低[28],但不能忽略其在自然背景中的水平值。應(yīng)用銣元素標(biāo)記技術(shù)之前,先測試試驗區(qū)域內(nèi)昆蟲體內(nèi)銣元素的自然背景水平,確保標(biāo)記含量超出其自然水平,防止由于背景昆蟲體內(nèi)銣元素含量與銣元素標(biāo)記后的含量相似而引起誤差[29]。蔡志平等[16]在自然背景區(qū)中對異色瓢蟲和中華通草蛉檢測均未檢出。通過對試驗區(qū)域和人工飼養(yǎng)的多異瓢蟲的銣元素含量的測試,發(fā)現(xiàn)含量要比去離子水中的銣元素含量高。進(jìn)行下一步試驗時,需將自然背景昆蟲體內(nèi)銣元素含量減去,才能得到標(biāo)記后的真實水平值。研究發(fā)現(xiàn),來自不同地點的多異瓢蟲體內(nèi)均含有微量的銣元素。

3.2 銣元素在多異瓢蟲體內(nèi)的滯留

銣元素標(biāo)記可以由生產(chǎn)者經(jīng)初級消費者傳遞到次級消費者再到天敵昆蟲得到標(biāo)記[27]。研究發(fā)現(xiàn)多異瓢蟲第3 d時體內(nèi)銣元素含量較高,與蔡志平[18]等利用銣元素標(biāo)記異色瓢蟲后第3 d測量銣元素含量處于高水平相符。銣元素含量在多異瓢蟲體內(nèi)隨著時間而降低,可能是由于一系列的生理行為有關(guān),不僅包括取食、排泄和產(chǎn)卵[30],并且有研究發(fā)現(xiàn)未標(biāo)記的棉鈴蟲雌蛾與銣元素標(biāo)記的棉鈴蟲雄蛾交配后,雄蛾也能將銣元素標(biāo)記傳遞給雌蛾[31]。多異瓢蟲體內(nèi)的銣元素含量的減少會受到多種因素的影響。

3.3 多異瓢蟲在甘草與棉田間的轉(zhuǎn)移

由于銣元素可以被植物的葉片或者根部所吸收[28],在田間將RbCl溶液噴到有蚜蟲的葉片上。一般利用微量元素進(jìn)行標(biāo)記,應(yīng)選擇使用不影響昆蟲生長發(fā)育和繁殖的種類及濃度[32]。李國平等[31]研究發(fā)現(xiàn)高于10 000 μg/mL RbCl使棉鈴蟲幼蟲存活率顯著降低,標(biāo)記濃度不應(yīng)大于 4 000 μg/mL。宋國晶等[33]標(biāo)記在田間標(biāo)記兩種盲蝽最適合的濃度為 2 000和 4 000 μg/mL,與蔡志平等[16]采用2 000 μg/mL RbCl溶液標(biāo)記異色瓢蟲相似。根據(jù)蟲體大小及狀態(tài)選擇2 000 μg/mL標(biāo)記,沒有發(fā)現(xiàn)對多異瓢蟲產(chǎn)生不良影響。

在棉蚜發(fā)生早期和快速生長期時,由于甘草上的棉黑蚜的種群逐漸減少,甘草上的多異瓢蟲會轉(zhuǎn)向棉田中的蚜蟲進(jìn)行捕食。一般捕食性天敵異色瓢蟲在6～7月高溫天氣,平均1 d可遷移 1～2 km[34]。與研究結(jié)果相似,成蟲在百米距離尺度上不存在明顯的差異。而多異瓢蟲的幼蟲由于不像成蟲具有飛行能力,所以遷移的距離有限,始終保持在5 m。在大田應(yīng)用時,一般需要大量待標(biāo)記昆蟲,標(biāo)記后田間釋放,再回捕研究其遷移情況而試驗沒有人為大量釋放被標(biāo)記瓢蟲,由此被標(biāo)記及回捕蟲體的數(shù)量很少,因此在明確自然條件下多異瓢蟲在棉田與甘草間的轉(zhuǎn)移規(guī)律上有一定欠缺。

4 結(jié) 論

銣元素在多異瓢蟲體內(nèi)滯留期一般在15 d左右,銣元素標(biāo)記技術(shù)可以在田間有效的跟蹤多異瓢蟲成蟲和幼蟲的遷移。棉田邊甘草草帶上的多異瓢蟲會轉(zhuǎn)移到棉田中。成蟲的遷移范圍主要集中在0～50 m的區(qū)域。