性比對草地貪夜蛾交配和繁殖能力的影響

韓海亮,包 斐,陳 斌,徐紅星,王桂躍,呂仲賢,趙福成,*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 玉米與特色旱糧研究所,浙江 東陽 322100; 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 植物保護與微生物研究所,浙江 杭州 310021)

草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda(Lepidoptera： Noctuidae)是2018年入侵我國的毀滅性農(nóng)業(yè)害蟲,可取食玉米、水稻、小麥和高粱等300多種寄主植物[1],在我國主要為害玉米,已擴散至華北、西北等玉米主產(chǎn)區(qū)[2]?；瘜W防治是草地貪夜蛾應急防控的主要措施,在抑制害蟲種群和保障糧食安全等方面發(fā)揮了重要作用。浙江省以鮮食玉米種植為主,是草地貪夜蛾北遷南回的過渡區(qū)。草地貪夜蛾在浙江田間的世代重疊現(xiàn)象十分嚴重,單季玉米需用藥3～4次[3]。長時間高頻次的化學防治勢必導致草地貪夜蛾對常用殺蟲劑產(chǎn)生抗藥性[4],也會對鮮食玉米的品質(zhì)造成嚴重影響。

性信息素誘殺作為一種重要的理化措施在害蟲種群監(jiān)測和精準防治中具有重要的應用價值[5],其原理是,通過大量誘殺雄蛾來調(diào)節(jié)田間雌雄性比,減少雌雄交配或延遲正常交配[6],從而抑制雌蛾的繁殖能力。研究表明,在田間大面積使用性誘劑誘殺,草地貪夜蛾的卵塊量可降低38%～70%,相對蟲口減退率為42%～86%[7],但對幼蟲為害的長期防效僅40%[8]。草地貪夜蛾具有多次交配能力[9],單雌產(chǎn)卵量超過1 000粒[10],蟲口基數(shù)巨大,且幼蟲在田間存在強烈的轉(zhuǎn)株為害習性,單頭幼蟲可為害多株玉米[11]。受上述諸多因素的影響,目前在田間單一使用性誘尚無法有效控制草地貪夜蛾為害。

使用性信息素誘殺雄蛾的直接影響是降低田間雄蛾的種群數(shù)量,并由此影響性比。對草地螟(Loxostegesticticalis)[12]、亞洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)[13]、二化螟(Chilosuppressalis)[14]和二點委夜蛾(Athetislepigone)[15]等的研究表明,性比會影響雌雄成蟲的交配率和多次交配比例,并最終影響雌蛾的繁殖能力。然而,目前關(guān)于草地貪夜蛾性誘的研究主要集中在誘芯成分[16]、載體[17]、誘芯和誘捕器配套[11,18-19]、監(jiān)測防治[10,20]等方面,對性誘作用機理的研究較少。田間試驗的難點在于無法確定一定區(qū)域內(nèi)所有成蟲的數(shù)量和性比。為此,本研究采取室內(nèi)試驗來驗證不同性比對成蟲交配和繁殖的影響,確定最有利于草地貪夜蛾繁殖的性比,明確性比失衡對草地貪夜蛾繁殖能力的影響,以期為性誘劑的合理高效應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試蟲

試蟲系購自河南省濟源白云實業(yè)有限公司的標準化試蟲,蟲源采自云南德宏,由人工飼料飼養(yǎng)。將蛹在溫度為(28±1)℃、光暗周期為16 h/8 h、相對濕度為(80±10)%的光照培養(yǎng)箱中分管單頭羽化,羽化當天的成蟲用于配對試驗。

1.2 試驗設計

試驗共設置7個雌雄性比處理,分別為4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4。上述7個處理每個重復的成蟲總數(shù)分別為5、4、3、2、3、4、5頭。取當天羽化的成蟲進行配對,記為0 d。將相應數(shù)量的成蟲按比例配對后,放入700 mL透明打孔塑料杯中,內(nèi)部垂直放入15 cm×8 cm的硫酸紙供產(chǎn)卵。在塑料杯頂蓋中部打直徑1 cm的圓孔,放入浸有10%蜂蜜水的脫脂棉球補充營養(yǎng),每天更換棉球。培養(yǎng)箱的參數(shù)設置同1.1節(jié)。

1.2.1 不同性比對草地貪夜蛾交配次數(shù)的影響

按各處理設計將當天羽化成蟲進行配對后放入培養(yǎng)箱中,每天檢查成蟲存活情況,發(fā)現(xiàn)卵塊后將卵塊移除,并放入新的產(chǎn)卵紙,卵塊產(chǎn)在塑料杯上的更換塑料杯。于配對后的第6天將所有蛾處死。參照趙勝園等[21]和馮波等[22]的方法在70%乙醇溶液中解剖雌蛾腹部,計數(shù)受精囊中精包的數(shù)量。交配囊無精包的表明該雌蛾未交配,反之則表明該雌蛾已經(jīng)交配,精包的數(shù)量即為此雌蛾的交配次數(shù)。某處理所有的精包數(shù)量之和除以雄蛾數(shù)量即為該處理下雄蛾的平均交配次數(shù)。T1～T7處理的重復數(shù)依次為32、30、36、38、36、40、30。

1.2.2 不同性比對草地貪夜蛾雌蛾繁殖能力的影響

按各處理設計將當天羽化成蟲進行配對后放入培養(yǎng)箱中,每天檢查記錄成蟲死亡和產(chǎn)卵情況,直至所有成蟲死亡,統(tǒng)計每頭成蟲的壽命。產(chǎn)卵后,每天將新產(chǎn)卵塊取出,并放入新的產(chǎn)卵紙,如卵塊產(chǎn)在塑料杯上,更換塑料杯。取出的卵塊放入用橡膠塞封口的指形管中并進行編號,記錄每個編號對應的處理和產(chǎn)卵時間,然后將指形管放置在與成蟲同樣設置的培養(yǎng)箱中待卵塊自然孵化。卵塊孵化6 h后,將幼蟲和未孵化卵進行冷凍,然后分散在分格的白紙上,分別計數(shù)孵化幼蟲數(shù)和未孵化卵粒數(shù)。產(chǎn)卵數(shù)=孵化幼蟲數(shù)+未孵化卵粒數(shù),孵化率=孵化幼蟲數(shù)/產(chǎn)卵數(shù)。單雌產(chǎn)卵量為1個重復中所有產(chǎn)卵數(shù)與雌蛾數(shù)量之比。產(chǎn)卵前期為配對至出現(xiàn)第1塊卵塊的天數(shù),產(chǎn)卵歷期為產(chǎn)下第1塊卵塊至最后一塊卵的天數(shù),平均產(chǎn)卵前期和平均產(chǎn)卵歷期為所有重復的平均值。T1～T7處理的重復數(shù)依次為32、52、42、46、42、40、30。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019軟件整理數(shù)據(jù)。采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA),對有顯著(P<0.05)差異的,采用Tukey’s HSD法進行多重比較。對于孵化率、交配率等百分數(shù)數(shù)據(jù),先進行反正弦平方根轉(zhuǎn)換后再進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 性比對草地貪夜蛾成蟲交配能力的影響

草地貪夜蛾雌蛾的生殖系統(tǒng)如圖1所示。根據(jù)解剖的雌蛾交配囊和內(nèi)含的精包數(shù)確定交配狀態(tài)和交配次數(shù)。結(jié)果表明：當雌雄性比為4∶1時,草地貪夜蛾雌蛾的交配率最低,僅為32.81%(圖2);當雌雄性比為3∶1和2∶1時,雌蛾的交配率顯著上升至45.24%和52.94%;當雌雄性比不低于1∶1時,雌蛾的交配率上升至100%,顯著(F=103.15,P<0.001)高于雌蛾數(shù)量較多的其他組別。上述結(jié)果說明,性比對雌蛾交配率有顯著影響,增大雌雄性比可以顯著降低雌蛾的交配率。

A,交配囊;B,卵巢管;C,未交配的交配囊;D,已交配的交配囊;E,精包。A, Bursa copulatrix; B, Ovariole; C, Unmated bursa copulatrix; D, Mated bursa copulatrix; E, Spermatophore.圖1 草地貪夜蛾雌蛾的卵巢、交配囊和精包形態(tài)Fig.1 Morphology of ovary, bursa copulatrix and spermatophore of Spodoptera frugiperda female moth

柱上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicate significant difference at P<0.05.圖2 性比(雌∶雄)對草地貪夜蛾雌蛾交配率的影響Fig.2 Effect of sex ratio (female∶male) on mating rate of Spodoptera frugiperda female moth

在羽化后的6 d內(nèi),單頭雌蛾最多交配4次,單頭雄蛾最多交配3次,多數(shù)已交配雌蛾的交配次數(shù)為1～2次。性比對雌蛾和雄蛾的交配次數(shù)有顯著影響：單頭雌蛾的平均交配次數(shù)隨著雄蛾數(shù)量的增加(即雌雄性比的降低)而顯著(F=35.15,P<0.001)增加,從4∶1時的0.39次增加到1∶1時的1.32次繼而到1∶4時的2.31次(圖3)。隨著雌雄性比降低,單頭雄蛾的平均交配次數(shù)顯著(F=9.42,P<0.001)下降,從4∶1時的1.56次下降到1∶4時的0.50次。雌雄性比>1的3個處理均有超過50%的雌蛾未交配(圖4),交配雌蛾的交配次數(shù)為1～2次,但交配2次的個體比例僅為4.44%～8.33%;雌雄性比為1的處理中,雌蛾的交配次數(shù)為1～3次,交配2次和3次的比例均為10.53%;雌雄性比<1的3個處理中,雌蛾的交配次數(shù)為1～4次,交配2次的比例最高,交配3次和4次的比例隨著雌雄性比的增加而增加。

柱上無相同字母的表示相同性別下不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖6同。Bars marked without the same letters indicate significant different within treatments for the same sex at P<0.05. The same as in Fig. 6.圖3 性比(雌∶雄)對草地貪夜蛾雌蛾、雄蛾交配次數(shù)的影響Fig.3 Effect of sex ratio (female∶male) on mating times of female and male moth of Spodoptera frugiperda

圖4 不同性比(雌∶雄)下草地貪夜蛾雌蛾交配次數(shù)的分布比例Fig.4 Distribution of mating times of Spodoptera frugiperda female moth under different sex ratio (female∶male)

2.2 性比對草地貪夜蛾雌蛾產(chǎn)卵前期和產(chǎn)卵歷期的影響

不同性比對草地貪夜蛾產(chǎn)卵前期的影響顯著(F=2.12,P=0.047)(圖5),平均產(chǎn)卵前期為2.07～3.60 d。雌雄性比為1∶4的處理的產(chǎn)卵前期顯著低于雌雄性比為2∶1和3∶1的處理。性比對產(chǎn)卵歷期亦有顯著(F=5.88,P<0.01)影響,雌雄性比越大,產(chǎn)卵歷期越長。當雌雄性比為4∶1時,產(chǎn)卵歷期為7.94 d;當雌雄性比為1∶1時,產(chǎn)卵歷期為6.76 d;當雌雄性比為1∶4時,產(chǎn)卵歷期僅為4.73 d。綜上,雄蛾比例增大,會加速雌蛾的產(chǎn)卵。

柱上無相同字母的表示同一指標下各處理間差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicate significant difference at P<0.05 within treatments under the same index.圖5 性比(雌∶雄)對草地貪夜蛾雌蛾產(chǎn)卵前期和產(chǎn)卵歷期的影響Fig.5 Effect of sex ratio (female∶male) on pre-oviposition period and oviposition duration of Spodoptera frugiperda female moth

2.3 性比對成蟲平均壽命的影響

在所有處理中,雌蛾壽命最長的可達17 d,最短的僅3 d;雄蛾壽命最長的有18 d,最短的僅2 d。性比對雌蛾(F=2.35,P=0.035)和雄蛾(F=3.64,P=0.002)的平均壽命均具有顯著影響(圖6),雌蛾和雄蛾的平均壽命均在雌雄性比為1∶1時最長,隨著雌雄性比的增大或減小,雌蛾和雄蛾的平均壽命均有縮短趨勢,且雄蛾壽命在雌雄性比為1∶1時顯著長于其他處理。以上結(jié)果說明,雌雄性比過低和過高均會對雌蛾、雄蛾的壽命產(chǎn)生不利影響。

圖6 性比(雌∶雄)對草地貪夜蛾成蟲壽命的影響Fig.6 Effect of sex ratio (female∶male) on longevity of adult Spodoptera frugiperda

2.4 性比對草地貪夜蛾繁殖能力的影響

性比對單雌產(chǎn)卵量具有顯著(F=10.32,P<0.000 1)影響(表1)。當雌雄性比>1時,單雌的平均產(chǎn)卵量較低,并以雌雄性比為4∶1時最低,僅為395.70粒。當雌雄性比不高于1后,單雌的平均產(chǎn)卵量均較高,且相互之間無顯著差異。

表1 性比(雌∶雄)對草地貪夜蛾繁殖力的影響

性比對卵孵化率也具有顯著(F=4.52,P<0.001)影響。當雌雄性比大于1時,隨著雌雄性比降低,卵孵化率呈上升趨勢。當雌雄性比為4∶1時,卵孵化率最低,僅為38.15%。當雌雄性比不高于1后,卵孵化率基本保持穩(wěn)定。整體來看,當雌雄性比為1時,草地貪夜蛾的雌蛾具有最佳的繁殖能力。在其基礎上減少雄蛾數(shù)量,雌蛾的產(chǎn)卵量和卵孵化率均顯著下降;在其基礎上增加雄蛾數(shù)量,對雌蛾產(chǎn)卵量和卵孵化率并無顯著提升作用。

不同性比下草地貪夜蛾雌蛾的產(chǎn)卵量和幼蟲孵化量均集中在羽化后7 d以內(nèi)(圖7),之后產(chǎn)卵量和孵化量均明顯下降,但不同性比處理下的產(chǎn)量節(jié)律有較大差異。當雌雄性比為1∶4時,雌蛾產(chǎn)卵量和幼蟲孵化量最高的為羽化后的第2天和第3天,合計占總產(chǎn)卵量與孵化量的58.42%和59.79%,第4天后即快速下降,第5天及以后的僅占總產(chǎn)卵量和孵化量的18.76%和17.57%。隨著雄蛾比例的減少(即雌雄性比增大),雌蛾的產(chǎn)卵期相對拉長,但峰值相對降低,說明減少雄蛾數(shù)量可以降低后代的暴發(fā)程度,但會延長雌蛾的產(chǎn)卵時間,加劇田間的世代重疊。

圖7 不同性比(雌：雄)下草地貪夜蛾雌蛾配對后天數(shù)對產(chǎn)卵量(A)和孵化量(B)的影響Fig.7 Effects of days after pairing on oviposition quantity (A) and hatching rate (B) of Spodoptera frugiperda female moth under different sex ratios (female∶male)

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn),當草地貪夜蛾的雌雄性比為1∶1時,雌、雄蛾均具有最長壽命。在此基礎上,降低雌雄性比會顯著增加雌蛾的交配比例、交配次數(shù)和多次交配的比例。當雌雄性比為 1∶1時,單雌的平均產(chǎn)卵量和孵化率分別是雌雄性比為4∶1時的2.40和1.93倍,在此基礎上增加雄蟲比例對雌蛾的繁殖能力并無顯著提高,說明雄蛾在草地貪夜蛾繁殖中起著關(guān)鍵作用。當雌雄性比不低于1時,對草地貪夜蛾的繁殖有利,在此基礎上減少雄蛾數(shù)量可有效降低雌蛾的產(chǎn)卵數(shù)和孵化幼蟲數(shù)。本試驗結(jié)果與其他害蟲上的相關(guān)研究結(jié)果基本一致,但也存在不同。例如：草地螟雄蛾的最大繁殖力約為雌蛾的2倍,當雄雌性比為1～2時,最有利于草地螟大發(fā)生種群的形成[12];雌雄性比為1∶5和1∶3時,二點委夜蛾的單雌產(chǎn)卵量顯著高于雌雄性比為1∶1時,在此基礎上若繼續(xù)增加雌蛾數(shù)量,單雌產(chǎn)卵量顯著下降,說明二點委夜蛾雄蛾的最大繁殖力是雌蛾的3倍以上[15];亞洲玉米螟群集交配產(chǎn)卵時,單雌產(chǎn)卵量隨雄蛾比例的增大(在0.7～2.0區(qū)間)而顯著增加[23]。

草地貪夜蛾是一種具有極強遷飛能力的昆蟲。一般認為,較長的產(chǎn)卵前期對成蟲的遷飛是有利的。這是因為,遷飛一般發(fā)生在交配產(chǎn)卵之前,較長的產(chǎn)卵前期可以使成蟲有更多的機會補充營養(yǎng)或?qū)ふ腋m宜的生境,以增強成蟲的產(chǎn)卵能力或后代的存活數(shù)量[9-10]。本研究中,雌蛾的產(chǎn)卵前期均短于謝殿杰等[24]和魯智慧等[25]的結(jié)果,可能與馮波等[22]提到的室內(nèi)種群飼養(yǎng)代數(shù)有關(guān)。與自然種群相比,連續(xù)多代室內(nèi)人為選擇的實驗室種群,其食物和生長環(huán)境均發(fā)生了很大的變化,更適于實驗室人工飼養(yǎng)條件,其絕大部分成蟲在羽化時卵巢就已發(fā)育成熟,從而縮短了產(chǎn)卵前期。在棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)[26]和草地螟[12]的研究中發(fā)現(xiàn),增加雌蛾比例,成蟲的產(chǎn)卵前期延長,這與本研究中性比對草地貪夜蛾產(chǎn)卵前期影響的結(jié)果一致,符合雌蛾比例升高導致產(chǎn)卵前期延長利于種群遷飛的理論。草地螟的產(chǎn)卵歷期在雌雄性比為1∶1時最長,在1∶3和3∶1時均較短,棉鈴蟲在雌雄性比大于1時產(chǎn)卵歷期有縮短趨勢。在本研究中,減少雄蛾比例可以拉長雌蛾的產(chǎn)卵歷期。這可能是因為,雌蛾比例的增加會使不同個體間的產(chǎn)卵節(jié)律出現(xiàn)分化,較多數(shù)量的雌蛾一起疊加導致整體產(chǎn)卵歷期延長。

作者團隊于2020年開展的一項基于自動蟲情測報燈和高空測報燈的周年監(jiān)測表明,燈下誘集草地貪夜蛾的雌雄性比為0.45∶1～0.43∶1(另文發(fā)表)。目前,關(guān)于草地貪夜蛾成蟲趨光性的性別偏好尚未有報道。但據(jù)報道,甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)的成蟲趨光性存在顯著的雄性偏好,且該偏好并不是由田間自然性比引起的[27]。草地貪夜蛾與甜菜夜蛾同屬夜蛾科灰翅夜蛾屬,其趨光性可能與甜菜夜蛾類似,存在雄性偏好。假設其田間自然性比接近1∶1,若通過性誘劑誘殺來減少75%的子代幼蟲數(shù),按照本研究的結(jié)論,需要將田間的雌雄性比調(diào)整至4∶1,即75%的雄蛾需要在羽化后的1～2 d內(nèi)在未交配狀態(tài)下被誘殺。而在實際田間性誘誘殺的雄蛾中,67.84%～70.96%處于已交配狀態(tài)[28]。由此看來,試圖通過單一使用性誘劑誘殺雄蛾來達到完全控制草地貪夜蛾為害的目的是難以實現(xiàn)的。通過對雌蛾產(chǎn)卵節(jié)律的分析可以看出,可以孵化的有效卵集中在羽化后2～4 d產(chǎn)出,若使用性信息素干擾雌雄求偶,延緩或抑制成蟲的交配,使雌蛾錯過最佳交配期,可以有效降低子代幼蟲數(shù)量。已有研究表明,延遲草地貪夜蛾的成蟲交配可以降低交配成功率、產(chǎn)卵數(shù)量、卵孵化率和雌蛾產(chǎn)卵歷期[29]。

一般認為,對于存在多次交配習性的害蟲,由于1頭雄蛾可以與多頭雌蛾進行交配,因此通過性誘劑誘殺部分雄蛾的防治效果有限,可通過增加空間性信息素的濃度提高迷向作用,如加大性誘捕器設置密度或提高其劑量的方法,以達到誘捕和迷向雄蟲的雙重效果。研究表明,使用性信息素迷向可降低大多數(shù)鱗翅目害蟲雌蛾的產(chǎn)卵量和卵孵化率[6,29]。例如：在早稻田二化螟[30]的迷向研究中,卵塊量和枯鞘叢率均下降70%以上;用性誘劑迷向大面積防治梨小食心蟲(Grapholitamolesta)[31]和甜菜夜蛾[32]時,迷向率可達100%。迷向的主要機理是延遲交配和降低交配率,從而顯著影響害蟲的繁殖[33-34]。但由于迷向需要的性誘劑劑量要遠大于誘殺所需要的劑量,迫于成本壓力,迷向型性誘劑在生產(chǎn)中的應用相對較少。本文研究結(jié)果提示,對于草地貪夜蛾,在采用性誘劑進行有效監(jiān)測的同時,應加快性誘劑迷向在防治中的開發(fā)和應用。