紫外长期胁迫对高世代麦长管蚜生命表参数的影响

梁 霞,赵 贝,李 媛,胡祖庆,赵惠燕

西北农林科技大学植物保护学院,旱区作物逆境生物学国家重点实验室,杨凌 712100

UV-B波长在290—315 nm之间,是到达生物圈的很重要的太阳光谱[1]。随着20世纪80年代中期南极地区臭氧层空洞和平流层臭氧层损耗的出现,人们对UV-B辐射水平的变化趋势以及UV-B对生物和生态系统的影响越来越关注[2- 4]。由于工业废气的污染,大气中的臭氧层逐渐变薄,试验证明大气中臭氧每减少1%,照射到地面的UV-B就增加2%,过量的紫外线进入生物圈,势必对生物产生强大的选择压力[5]。有研究证实中纬度地区的日常UV-B辐射水平可以影响浮游植物的能动性[6]、浮游植物和大型海藻的产量[7- 8],以及植物和植食性动物之间的互作[9]。UV-B辐射减少了曼陀罗植物白天幼苗的出现、抑制了茎的伸长,增加了DNA损伤[10]。有关UV-B对昆虫的影响研究并不多见：研究表明,UV-B对昆虫具有直接影响和间接影响两方面[11]:直接影响表现为紫外辐射可被昆虫识别、接收并转变成特定行为反应而影响昆虫的定位、飞行、取食及两性间的交互作用[5,12-13];UV-B对昆虫的间接影响表现为寄主植物、微生物介导的UV-B对昆虫的影响。UV-B增强对植物的形态建成、生长发育及生理生化有着深刻的影响[14-15],植物的这种变化必然影响到昆虫的生存环境和食物的供应,从而间接影响昆虫种群[16],UV-B增强和O3浓度升高共同作用也可能提高植物的抗虫害能力[14]。

麦长管蚜,Sitobionavenae(Fabricius)是小麦生产中最重要害虫之一,不仅在穗部直接刺吸汁液,导致千粒重下降,同时传播病毒病,每年造成小麦产量损失15%—30%,严重时达60%,特别是蚜虫为典型的R对策特征：个体小、生命周期短、繁殖快、繁殖量大、能短时间适应新的不利环境。当全球气候变暖、紫外线增强时蚜虫能很快适应这种环境而进化。然而,多大的紫外线强度、多长照射时间、经历多少世代蚜虫适应这种紫外线的增强而进化目前还不清楚。本研究团队前期进行了不同紫外线强度、不同照射时间、照射强度与照射时间交互作用等研究,确立了0.2,0.75 mW/cm2代表当今全球紫外线平均强度和未来全球温度上升3℃时的紫外线前度试验条件,在这个条件下团队已经研究了17个世代蚜虫的适应性[17-18]。后续世代蚜虫是否已经适应了这种环境条件,正是本研究的科学问题。

为了探明紫外连续胁迫20代以后对麦长管蚜的影响,本研究从第17代麦长管蚜1龄若蚜开始,用生命表的方法继续探索紫外线对麦长管蚜的影响,以期提前预测在全球气候变化导致的紫外辐射强度升高的情况下麦长管蚜是如何适应变异及遗传进化的规律,从而为逆境胁迫下蚜虫的生态遗传与进化机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试虫源

供试麦长管蚜为西北农林科技大学昆虫生态学实验室提供的单克隆种群,经过不同紫外强度(0,0.50 mW/cm2和0.70 mW/cm2)连续处理3 d的第16代麦长管蚜成蚜所产1龄若虫(1—37代麦长管蚜成蚜均经相同紫外处理),饲养条件：温度为21℃；光周期为16 L∶8 D；湿度(60±5)%。17代以后麦长管蚜的处理条件、饲养环境与前16代相同[19]。

1.1.2 供试小麦品种

小麦品种为矮抗58,由西北农林科技大学农学院提供。剪取14日龄的未经紫外处理的小麦叶片(二叶期至三叶期)用于饲喂麦长管蚜,小麦生长条件同麦长管蚜。

1.2 紫外辐射处理

试验处理选用普通日光灯管及紫外灯管(YZ10- 58W 313 nm,中国上海荣波有限公司) 作为光源,高强度辐射组(0.70 mW/cm2)采用3支同样规格的紫外灯管及普通日光灯,低强度辐射组(0.50 mW/cm2)(全球温度上升2度时的紫外线强度)则采用2支紫外灯管和普通日光灯,对照组采用普通日光灯管作为光源,其中紫外灯管都均匀分布在普通灯管中间,普通日光灯管用滤光器UVILEXTM 390 Z(SCHOTT Inc,中国上海) 去除灯光中的紫外线,且对紫外灯使用Schott N-WG280滤光膜罩上使其所发光线中只有UV-B波段的光可以透过。各处理中白光强度均为 75 μmol光量子 m-2·s-1[光合有效辐射 (photosynthetically active radiation,PAR)],UV-B 辐射强度采用 UV-B测量仪(VLX- 3W,Vilber Lourmat Inc.,法国托尔西)测量。试验麦长管蚜置于培养皿中,培养皿置于灯管下方30 cm处,每代成虫分别在低强度和高强度紫外光下辐照48 h(每天16 h),待紫外处理后,将培养皿转移到普通日光灯对照组下进行饲养。

1.3 生命表研究

放置一层沾湿滤纸于培养皿(直径60 mm,NEST 生物技术有限公司) 中,挑取新鲜小麦叶片于滤纸上,将不同紫外强度处理48 h(每天16 h)下的麦长管蚜成虫取出,当天所产1龄若蚜于小麦叶片上进行单头饲养,每个处理设置3个重复,每个重复20头蚜虫。每天定时记录其蜕皮、生长及产仔情况,待麦蚜发育至成虫产仔时,将每天所产仔蚜计数后移出培养皿,定时更换新鲜的小麦叶片。

1.4 数据处理

采用TWOSEX-MSChart[20]的方法统计存活率、生殖价值(vxj)(表示年龄x阶段j的个体对未来种群的贡献)、平均世代周期(T)、内禀增长率(rm)、净增殖率(R0)、周限增长率(λ),将所得的生命表数据采用IBM SPSS Statistics 20分别对不同紫外强度和世代进行单因素方差分析,单因素方差分析 (One-way ANOVA) 采用 Student-Newman-Keuls(SNK) 多重比较检验法进行多重比较,各处理间的显著性差异均设为P< 0.05水平,用Sigma Plot 12.5、Mathematica作图。

存活曲线应用威布尔(Weibull)模型[21]进行拟合,公式为：Spt=exp-t/bc,式中t表示存活时间,b为尺度参数,c为形状参数。当c>1时,存活曲线为I型；当c=1时,存活曲线为Ⅱ型;当c<1时,存活曲线为Ⅲ型。如果c值相同,b值越大,存活率越高。

2 结果与分析

2.1 不同辐射强度下UV-B对麦长管蚜存活的影响

麦长管蚜存活曲线形状参数(c)均大于1,说明在此紫外胁迫条件下死亡主要发生在生长发育后期。同一世代不同紫外处理条件下,除第22代处理组的尺度参数(b)显著小于对照组外,其余各世代处理组的尺度参数(b)均大于对照组,表明：长期紫外照射后,蚜虫的抗性提高,存活率增大,适应性增强。分析不同世代的b值发现：低强度处理下不同世代b值先增大后减小,说明存活率呈现先升高后下降的趋势,在第27代达到最大值且与第32代、第37代间差异不显著；高强度处理下b值一直呈现增大趋势,说明随着世代的延续存活率呈递增趋势,适应性增加(表1)。

表1 不同世代及辐射强度下蚜虫生存曲线Weibull模型Spt=exp-t/bc的参数估计

表中数据为平均值±标准误,n为3次重复。数据后不同大写字母表示同一UV-B辐射强度下,不同世代间的显著性差异,不同小写字母表示不同UV-B 辐射强度下,同一世代间的显著性差异(Student-Newman-Keuls 检验,P<0.05,one-way ANOVA)

2.2 UV-B辐射对麦长管蚜各阶段生殖价值的影响

不同强度UV-B辐射下,麦长管蚜各阶段生殖价值随龄期增加而增大,且在成蚜期为最大值,即成蚜期对未来种群的贡献最大。不同处理同一世代条件下,随着世代的升高,在G32、G37成蚜期生殖价值高强度处理组大于低强度处理组大于对照组。同一处理不同世代条件下,低强度处理组成蚜期生殖价值先升高后下降再升高的马鞍形规律,在G37时值最大为11头/成蚜,高强度处理组成蚜期生殖价值先降低再升高,在G37时值最大为12头/成蚜。同一处理不同世代,随世代的升高,成蚜贡献期间先升高后下降(图1)。

2.3 不同强度紫外处理后麦长管蚜不同世代种群参数变化

从表2不同辐射强度UV-B胁迫后麦长管蚜子代种群参数的比较可以看出：同一世代,不同UV-B辐射强度下,麦长管蚜种群生态学参数内禀增长率(rm)和周限增长率(λ)受不同强度UV-B处理第27代处理组显著

表2 不同辐射强度UV-B胁迫后麦长管蚜子代种群参数的比较

G22: 第22代,the 22ndgeneration; G27: 第27代,the 27thgeneration; G32: 第32代,the 32ndgeneration; G37: 第37代,the 37thgeneration

低于对照组,第22代、第32代低强度处理组显著低于对照组,高强度处理组与对照相比差异不显著,第37代处理组显著高于对照组。对于R0第22代、第27代、第32代、第37代处理组与对照组间差异显著。平均世代周期(T)第22代各组之间差异不显著,第27代和第32代处理组与对照组之间差异显著且显著高于对照,第37代处理组显著低于对照。

在不同世代之间,同一UV-B辐射强度下,低强度处理组内禀增长率(rm)、净增殖率(R0)、周限增长率(λ)呈先升高后下降又升高的的趋势,且内禀增长率(rm)、周限增长率(λ)在G37达到最大值,净增殖率(R0)在G27达到最大值。平均世代周期(T)从G22到G37呈现先显著升高后显著下降的趋势且在G32达到最大值。高强度处理组内禀增长率(rm)、净增殖率(R0)、周限增长率(λ)呈先下降后显著升高的的趋势,且均在G37达到最大值,平均世代周期(T)呈先显著升高后下降的趋势且在G27达到最大值。处理组种群参数只有T的变化规律与其他各参数变化规律不同,这可能是由于紫外处理影响了麦长管蚜各龄期的蜕皮或胚胎发育所致。

2.4 不同强度紫外处理1—37代麦长管蚜内禀增长率变化规律

不同世代,1—37代麦长管蚜处理组rm呈先显著增高后下降又升高又下降又显著升高的变化规律,高强度处理组rm在G36代达到最大值,在G37代rm高于其他各统计世代,低强度处理组在G37达到最大值(图2)。

图2 麦长管蚜在不同紫外处理下的内禀增长率变化规律(rm) Fig.2 Change rule of 1th to 37thgeneration Sitobion avenae exposed to different intensities of UV-B radiation

3 结论与讨论

本研究中,运用特定年龄生命表的方法探究不同UV-B处理对第22代以后麦长管蚜发育情况和种群动态影响。在22—37代这个长期的胁迫过程中,存活率反应了种群消长趋势,在紫外处理条件下均随时间的延长而降低。生殖价值反应各阶段对未来种群的贡献,各紫外处理条件下成蚜期贡献明显高于若蚜期,低强度处理组和高强度处理组的贡献时间分别在G27和G32达到最大值,呈先升高后下降的趋势。

处理组种群参数平均世代周期(T)的变化规律呈先显著升高后下降的趋势,与其他各参数变化不同,这可能是由于紫外处理影响了麦长管蚜各龄期的蜕皮或胚胎发育所致,具体是什么原因需要我们做进一步的研究,这与朱国平[22]的UV-B处理使麦长管蚜若虫发育历期延长的结果相似。在G37,处理组麦长管蚜平均世代周期(T)缩短,内禀增长率(rm)、净增殖率(R0)、周限增长率(λ)均达到最大值,且处理组与对照组间差异显著,可能是由于长期UV-B辐射后,麦长管蚜适应了紫外环境,高、低紫外处理均促进了麦长管蚜的生长发育,本研究认为在本实验处理条件下,麦长管蚜在G37对紫外的适应能力最强,至于后续麦长管蚜的生命表参数如何变化,还需要我们继续进行饲养。不同世代,低强度处理组,内禀增长率(rm)、净增殖率(R0)、周限增长率(λ)均呈先升高后下降又升高的趋势,高强度处理组内禀增长率(rm)、净增殖率(R0)、周限增长率(λ)呈先下降后显著升高的的趋势,本结果所表现出的先下降后升高的趋势,与朱国平等[22]研究的结果相一致,说明麦长管蚜对紫外环境的适应能力。1—37代麦长管蚜处理组rm呈现先显著增高后下降又升高又下降又显著升高的变化规律。这种规律产生的原因可能是由于前期环境胁迫增强麦长管蚜的适应能力,随着蚜虫自身的调节,亲代麦长管蚜的毒害效应会逐渐减弱,但随着胁迫代数的累加,UV-B的剂量累计超过了麦长管蚜的适应范围,其毒害效应再次传递给子代,影响子代的各项生长发育,麦长管蚜需要再次启动自身的防御体系,呈现一个循环的调节过程。到底是麦长管蚜体内酶作用的结果还是基因突变后新的适应需要我们做进一步深入研究。

李军等[23]用紫外线处理桃蚜4 h后得出超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)的活力水平均高于正常虫休,证明了3种酶可能参与了抗辐射过程。刘新仿等[24]通过农杆菌介导法转化拟南芥,使其在拟南芥中得到大量表达,证实了该GST的过量表达可明显增强拟南芥对紫外辐射损伤作用的耐受性。姚建秀等[25]用RAPD技术对紫外线连续辐射诱导一代麦长管蚜产生的DNA多态性进行了分析,证实紫外线是诱导蚜虫变异的条件之一。都二霞等[26]利用SSR技术分析了不同剂量紫外线诱导下桃蚜的DNA变异,结果表明F1代桃蚜产生可遗传的变异致使F2代的DNA发生变异。前人的研究结果表明,紫外条件下会对蚜虫体内的酶和DNA产生一定影响,而本研究仅是就UV-B胁迫下麦长管蚜的一个长期的生命表参数进行了研究,对于长期的胁迫过程中生命表参数发生变化的内在原因比如基因表达量的变化、基因突变、呼吸代谢等一系列变化是否和初期胁迫一样还有待于进一步探索。本研究结果表明,随着紫外处理条件下麦长管蚜世代的延续,麦长管蚜对紫外的适应能力增强,应加强对麦长管蚜的防治,如果这种适应性的增强是由基因突变引起的,可以采用RNA干扰的方法对麦长管蚜进行防治。此外,本研究为全面深度的阐述紫外胁迫对麦长管蚜生长繁殖的影响规律,掌握不同紫外胁迫下的剂量效应关系及麦长管蚜的适应性提供实验基础和理论依据。

致谢：赵惠燕老师及西北农林科技大学生态学实验室对实验支持，特此致谢。