二氧化碳对三种蛴螬的引诱作用

张鑫鑫, 房迟琴, 刘丹丹, Innocent Nyamwasa,张 帅, 尹 姣, 曹雅忠, 于洪春, 李克斌*

(1. 东北农业大学农学院, 哈尔滨 150030; 2. 中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害生物学国家重点实验室, 北京 100193)



二氧化碳对三种蛴螬的引诱作用

张鑫鑫1,2, 房迟琴1,2, 刘丹丹2, Innocent Nyamwasa2,张 帅2, 尹 姣2, 曹雅忠2, 于洪春1*, 李克斌2*

(1. 东北农业大学农学院, 哈尔滨 150030; 2. 中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害生物学国家重点实验室, 北京 100193)

本研究通过测定二氧化碳对蛴螬的吸引力为地下害虫的防治提供参考。试验采用“Y”形嗅觉仪测定3种常见蛴螬对不同浓度二氧化碳的趋向行为,并以最趋二氧化碳浓度测试蛴螬在寄主存在环境下的选择行为。结果表明,蛴螬对二氧化碳有明显的趋向性,取食习性影响蛴螬对二氧化碳的趋性行为,植食性的暗黑鳃金龟幼虫对3%～15%低浓度范围的二氧化碳具有较好趋向性,同样为植食性的铜绿丽金龟幼虫也趋向浓度较低的二氧化碳,腐食性的白星花金龟幼虫不仅对70%高浓度的二氧化碳具有显著趋向性,而且对较低浓度的二氧化碳有趋向性。有花生根存在的背景环境下,二氧化碳的引诱力减弱,对寄主植物的选择更为显著。

蛴螬; 二氧化碳; 趋性

蛴螬是金龟子幼虫的通称,是地下害虫中种类最多、分布最广、食性颇杂、为害最重的一大类群。蛴螬在土内取食多种农作物、林果、牧草、药材和花卉植物等萌发的种子、幼根、地下茎,咬断幼苗和环剥大苗、幼树的根皮。轻则造成缺苗断垄,重则毁种重播。随着免耕浅耕等栽培制度和农业结构调整的大面积实施,作为地下害虫主要类群的蛴螬亦呈现出种群此伏彼起的新态势,其发生危害日趋严重[1]。每年因蛴螬造成的花生减产一般为20%～40%,严重地区减产70%～80%,甚至绝收,同时由于破伤果仁、空壳比例大,品质明显下降[2]。通常采用化学农药防治此类害虫,但由于土壤的隔离作用,对使用农药的方法、剂量和时期都有较高要求[3]。

使昆虫个体向人为确定区(点)大量集聚的过程称为引诱技术[4],引诱技术结合杀虫剂毒杀害虫,可大大增加害虫接触有毒物质的几率,有效增强杀虫剂的效力,此为诱杀策略[5-6],诱杀策略被大量应用于害虫的防治。

昆虫栖息的微生境中的二氧化碳浓度,影响昆虫的行为、代谢和存活。二氧化碳能激发地下害虫的定向反应,一些土壤昆虫还把二氧化碳当做一种非特化的引诱剂[7]。1917年Hamilton研究发现,地下害虫频繁地受到由植物根系呼吸作用释放在其根围的二氧化碳的吸引,自此开始了二氧化碳在害虫防治中的应用研究,并逐渐受到人们的关注[7]。二氧化碳在植物根系的释放量大,自身分子量小,可以在土壤环境中进行远距离扩散。相比于根部产生的其他分子量较大、只能在根系周围小范围扩散的分泌物,非常适宜作为幼虫的引诱剂。Doane等人证实了金针虫向根运动是由于植物根的呼吸作用释放的二氧化碳[8];Bernklau 和Bjostad报道玉米根围的二氧化碳浓度为4.36 mmol/mol,与玉米根萤叶甲最易被吸引的浓度4.20 mmol/mol一致[9];Bernklau也证实了释放二氧化碳的物质可引诱害虫离开寄主植物,从而降低植物根部损伤[10]。2011年,室温下持续释放二氧化碳14 d的胶囊被研制出[11]。Schumann研究表明,二氧化碳在环境中的释放对玉米根萤叶甲具有引诱能力。室内测试发现,二氧化碳缓释胶囊结合七氟菊酯后可以有效地诱杀害虫,并增强低浓度杀虫剂的杀虫效力[12]。

暗黑鳃金龟(HolotrichiaparallelaMotschulsky)属鞘翅目鳃金龟科(Coleoptera: Melolonthidae),铜绿丽金龟(AnomalacorpulentaMotschulsky)属鞘翅目丽金龟科(Coleoptera: Rutelidae),这两种金龟子的幼虫是国内常见为害严重的植食性蛴螬,白星花金龟[Protaetiabrevitarsis(Lewis)]属鞘翅目花金龟科(Coleoptera: Cetoniidae),其幼虫为腐食性蛴螬[3,13]。本试验旨在通过室内引诱试验,明确二氧化碳对3种蛴螬是否具有引诱作用,二氧化碳对食性不同的蛴螬引诱效力是否相同,以及在花生根系存在的环境下对蛴螬的引诱效果,以期为田间治理蛴螬等地下害虫,开发新型的地下害虫引诱剂提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试昆虫

暗黑鳃金龟和铜绿丽金龟幼虫采集于河北省廊坊市郊区花生田(中国农业科学院植物保护研究所廊坊试验基地),白星花金龟采集于山东省临沂市堆肥区,将采集的幼虫带回室内(室温23℃),每瓶3头,灭菌的营养土和沙土各50%,湿度控制在25%,以浸泡开始发芽的花生作为饲料进行饲养。相同环境条件下饲养两周后对每种金龟子选择健康活泼、体重相近、大小一致的3龄幼虫进行试验。

1.2 供试植物与材料

室内以蛭石种植花生(ArachishypogaeaLinn.),品种为‘唐8131’,保证水分和光照,待花生长至10～15叶时进行试验。

“Y”形嗅觉仪各臂长20 cm,内径为3 cm。

混配气体购于北京海红伟化工产品有限公司。

1.3 室内行为试验

1.3.1 试虫的选择

在室内饲养一段时间后,对每种金龟子选择同一世代、健康、大小一致的3龄幼虫供试,试验前对试虫进行8 h饥饿处理。

1.3.2 行为测定

参照Honda等[14]的方法略修改。采用“Y”形嗅觉仪进行3种蛴螬对不同浓度二氧化碳趋性反应试验。试验设置1%、3%、5%、15%、30%、50%和70%等7个二氧化碳浓度梯度,氧气浓度19.5%,氮气平衡[15]。采用正常空气作为对照(即二氧化碳0.5%、氧气19.5%、氮气80%的混合气体)。“Y”形嗅觉仪连接方式如图1所示,两侧臂流量控制为20 mL/min,嗅觉仪内填充湿度为20%的蛭石模拟蛴螬的生活环境。将试虫从引虫口引入(见图1),用纱布将引虫口封住,隔8 h检查试虫位置,试虫超过侧臂结合中点到达侧臂5 cm处时,即认为对二氧化碳或对照气体有选择性;未达到侧臂结合中点以上5 cm处的试虫定为无选择性。每头幼虫测试1次,为避免气流、昆虫印迹等的影响,每头幼虫试验后更换新混拌的蛭石,每处理测试50头蛴螬,各处理重复3次。

图1 Y形嗅觉仪装置结构Fig.1 Y-tube olfactometer

应用可拆卸“Y”形嗅觉仪(见图2)对各蛴螬进行二氧化碳与花生植株的趋性反应比对试验。单株花生培养于可拆卸“Y”形嗅觉仪侧臂玻璃管B中,待进行试验时将B管与A管以封口膜密封连接。在另一个侧臂中通入二氧化碳其浓度取以上试验各组引诱率最高值;试验方法同上。

图2 可拆卸Y形嗅觉仪结构Fig.2 Detachable Y-tube olfactometer

1.4 数据分析

室内行为测试数据采用SPSS 13.0软件进行分析。采用χ2检验分析差异显著性。引诱率的计算参照Ginzel和Hanks[16]的方法:

引诱率(%)=选择处理臂虫数/(选择处理臂的虫数+选择对照臂的虫数)×100。

2 结果与分析

2.1 三种蛴螬对不同浓度二氧化碳的趋性行为反应

暗黑鳃金龟幼虫对7种浓度二氧化碳的选择性如图3。以空白为对照时,浓度在15%、5%和3%的二氧化碳对暗黑鳃金龟幼虫的引诱效果较好,引诱率分别为73.73%、70.59%和63.64%,15% 二氧化碳处理与对照间的χ2值为22.313,5% 二氧化碳与对照间的χ2值为17.294,3%二氧化碳时的χ2值为9.818,差异性均极显著(P<0.01)。当二氧化碳浓度增加至70%时,幼虫忌避性显著(P<0.05)。

图3 暗黑鳃金龟幼虫对不同浓度二氧化碳的行为反应Fig.3 Behavioral responses of Holotrichia parallela to CO2

铜绿丽金龟幼虫对7种浓度二氧化碳的选择性结果(图4)显示,以空白为对照时,只有1%浓度的二氧化碳对铜绿丽金龟幼虫有较好的引诱效果,其引诱率为61.67%,对比对照的χ2值为6.533,差异显著(P<0.05)。随二氧化碳浓度增加,趋向性减弱,当二氧化碳浓度增加至30%～70%时,幼虫均表现出忌避行为,对30%及50%的二氧化碳浓度忌避性显著(P<0.05),当二氧化碳浓度达到70%时,忌避行为极显著(P<0.01)。

图4 铜绿丽金龟幼虫对不同浓度二氧化碳的行为反应Fig.4 Behavioral responses of Anomala corpulenta to CO2

白星花金龟幼虫对不同种浓度二氧化碳的选择性有一定的差异,结果见图5。以空白为对照时,二氧化碳浓度在3%和1%时对白星花金龟幼虫的引诱效果较好,引诱率分别为64.13%和63.27%;3%浓度二氧化碳处理与对照间的χ2值为7.348,1%浓度时的χ2值为6.898,差异性均达到极显著水平(P<0.01)。随着二氧化碳浓度的增加,趋向行为下降,处理与对照之间表现出无显著差异,但当二氧化碳到达70%时,幼虫又表现出极显著趋向性(P<0.01)。

图5 白星花金龟幼虫对不同浓度二氧化碳的行为反应Fig.5 Behavioral responses of Protaetia brevitarsis to CO2

2.2 三种蛴螬对花生植株的趋性行为反应

在花生植株与二氧化碳的对比环境条件下,观测了3种蛴螬对两者的趋性反应。其中,在对照臂,测试对暗黑鳃金龟幼虫的引诱效果时,采用15%二氧化碳浓度(无花生植株时引诱率达73.74%);测试铜绿丽金龟幼虫时采用的二氧化碳浓度为1%(引诱率为61.67%);测试白星花金龟幼虫时采用的二氧化碳浓度为70%(引诱率为74.19%)。进行花生植株与二氧化碳对比观测的结果如图6所示,不同蛴螬皆对花生植株有明显趋性,其中暗黑鳃金龟幼虫对花生的趋向性显著(P<0.05),趋向试虫达到60.82%;花生植株对白星花金龟幼虫和铜绿丽金龟幼虫的引诱效果更好,引诱率分别为67.01%和69.70%,与对照差异性极显著(P<0.01)。

图6 三种蛴螬对花生植株及二氧化碳的行为反应Fig.6 Behavioral responses of different white grub to CO2 versus peanut plants

3 结论与讨论

研究结果表明,不同蛴螬对一定浓度的二氧化碳有趋向性,且对相同浓度二氧化碳的反应不尽相同。铜绿丽金龟幼虫和白星花金龟幼虫在较低浓度二氧化碳(1%)时产生趋向反应,其不同在于,白星花金龟幼虫在浓度升至70%时重新表现显著趋向性,而铜绿丽金龟幼虫则在浓度到达30%时就表现出忌避行为。暗黑鳃金龟幼虫对二氧化碳的起始反应浓度偏高,即在3%～15%浓度范围内产生极显著的趋向性,低浓度下其适应范围远大于铜绿及白星花金龟幼虫,直至二氧化碳浓度增加至70%才产生显著的忌避行为。植物根系进行呼吸作用,在其根系周围释放二氧化碳,浓度约为1.6%[8],足以引起蛴螬的感知。以果针入土到根部周围进行生长发育的花生荚,其呼吸强度远高于根系,产生的二氧化碳更多[17],为蛴螬等昆虫的寄主搜寻活动提供大量信号。因此可以看出,一些植食性和腐食性昆虫以植物释放二氧化碳所形成的浓度梯度作为寻找寄主的重要线索。植物的化学防御系统在其新生组织中含量较少,所以取食花生荚可减少植物防御系统对蛴螬的伤害[18]。二氧化碳能激发土壤昆虫作定向反应,使昆虫找到释放二氧化碳的植物根系。植食性昆虫中,取食谱较窄的昆虫以寄主特异性次生代谢产物(气味化合物)作为信号寻找寄主植物,而食性杂的昆虫更多凭借植物普遍存在的初级化学信息物质[19]。暗黑鳃金龟幼虫与铜绿丽金龟幼虫皆为食性广杂的害虫,虽然同样表现出对低浓度二氧化碳的趋向性,但其反应范围存在差异,其原因还需进一步设计试验来明确。作为腐食性害虫代表的白星花金龟幼虫,对高浓度二氧化碳产生的趋性是因为腐殖质经历的矿化过程会释放大量二氧化碳[20],说明腐食性蛴螬可通过高浓度二氧化碳的引导寻找寄主食物,而植食性的蛴螬并不具有这一特性。

在3种蛴螬对花生植株和二氧化碳比对趋性试验中,花生植株对蛴螬的引诱效果皆显著高于二氧化碳对其趋性行为的影响。这是因为花生根部进行的呼吸作用同样释放二氧化碳,同时花生根部也释放挥发性气味化合物等,从而减弱了对照处理的二氧化碳对蛴螬的吸引。本试验的结果与Mario试验结果一致,其作者认为二氧化碳缓释胶囊在寄主根系背景环境要达到引诱昆虫的作用就必须增加其吸引力,例如添加寄主植物分泌的挥发性化合物[11,21]。

目前国外关于二氧化碳对害虫引诱研究和应用较为广泛,例如针对地下害虫玉米根萤叶甲、金针虫、取食纤维类物质的白蚁等,这些翔实的研究思路和方法为我国进行地下害虫的防控技术研究和应用提供了有益借鉴。我们的研究结果表明,不同的蛴螬种类对二氧化碳浓度有明显的选择性,特定的浓度具有较好的引诱效果,但在寄主植物根系环境下,二氧化碳的引诱效果受到一定的负面影响,这可能是因为植物(花生等)根部能分泌多种挥发性物质。由此可见,科学有效地提高二氧化碳对地下害虫的防治效果、鉴定根部对蛴螬等具有引诱能力的气味物质,以及其与二氧化碳相结合的方式,将是今后值得深入研究的重点问题。

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(责任编辑:田 喆)

Attractiveness of carbon dioxide to white grub (Coleoptera: Scarabaeoidea)

Zhang Xinxin1,2, Fang Chiqin1,2, Liu Dandan2, Innocent Nyamwasa2,Zhang Shuai2, Yin Jiao2, Cao Yazhong2, Yu Hongchun1, Li Kebin2

(1. College of Agriculture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;2. State Key Laboratory for Biology of Plant Disease and Insect Pests, Institute of Plant Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

This study aimed to provide new insights for underground pest control by analyzing the attractiveness of CO2to the white grub. Y-tube olfactometer tests were conducted to investigate taxis responses of white grub to different concentrations of CO2and the optimal concentration versus peanut plants. The results indicated that larvae are significantly attracted to CO2; the feeding habits influenced the attractiveness of CO2to phytophagous larvae ofH.parallela, which were more attracted to lower concentration in the range of 3%-15% CO2, and so did theAnomalacorpulentalarvae, in the range of 1%-3%, but 70% CO2could attractProtaetiabrevitarsislarvae as the saprophagous pests. However, CO2was a weak attractant to white grub larvae in the presence of peanut root systems.

white grub; CO2; taxis

2016-01-25

2016-03-14

国家自然科学基金(31371997)

S 477.9

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2016.06.006

* 通信作者 E-mail: hongcyu@126.com;kbli@ippcaas.cn