大气CO2浓度升高对棉蚜生长繁殖及体内主要代谢产物的影响

杨勇 季慧敏 殷鸿洋 杨益众 苏宏华

摘要

大气CO2浓度逐步升高对于不同取食方式的植食性昆虫有着不同的影响。目前，大气CO2浓度逐步升高对刺吸式口器昆虫连续世代的直接和间接影响未见系统研究。本试验研究了实验室条件下不同CO2浓度（对照浓度360 μL/L和处理浓度720 μL/L）对连续3代棉蚜的繁殖和死亡及棉蚜体内主要代谢物质的直接和间接影响。结果显示：（1）直接影响：大气CO2浓度升高对连续3代棉蚜的繁殖和死亡的直接影响不显著，但高浓度（720 μL/L）CO2环境中饲养的棉蚜体内总糖与总蛋白的含量显著高于对照（360 μL/L）CO2处理。（2）间接影响：取食720 μL/L CO2环境下生长的棉叶，每一个世代棉蚜的繁殖数都显著高于对照（取食360 μL/L 环境下生长的棉叶），但死亡率与对照相比无显著差异。棉蚜体内总糖的含量显著高于对照， 但是总蛋白的含量显著低于对照。试验结果表明CO2浓度升高对棉蚜无直接影响;主要通过改变寄主植物的营养物质而对棉蚜产生间接影响。CO2浓度升高会导致棉蚜种群的增长。

关键词

CO2; 棉蚜; 繁殖; 死亡; 代谢物质

中图分类号：

S 433.3

文献标识码： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2017393

Effects of elevated atmospheric CO2 concentration on development and

metabolites content of cotton aphid Aphis gossypii

YANG Yong， JI Huimin， YIN Hongyang， YANG Yizhong， SU Honghua

（School of Horticulture and Plant Protection of Yangzhou University， Yangzhou 225009， China）

Abstract

Elevation of atmospheric CO2 concentration has different effects on insects with different feeding ways. There is no systematic study about the direct and indirect effect of CO2 concentration elevation on the piercing sucking insects. The direct and indirect effects of elevated atmospheric CO2 concentration （720 μL/L） on the reproduction， survival and some key metabolites of the three consecutive generations of cotton aphid were investigated in this study. The results showed that the atmospheric CO2 concentration had little direct impact on reproduction and death of the three consecutive generations of cotton aphid. After fed on the cotton leaves in the growth cabinet containing 720 μL/L of CO2， the content of sugar and protein was significantly higher than that of the control. The reproduction number of every generation was significantly higher than that of the control， but the mortality rate has no significant difference. After fed on the leaves of cotton planted in the environment containing 720 μL/L of CO2， the content of sugar was significantly higher than that of the control and the content of protein was significantly lower than that of the control. The results indicate that elevation of atmospheric CO2 concentration has little direct impact on cotton aphid population， but has significant indirect impacts through changing the nutrients of the host plants.

Key words

CO2; Aphis gossypii; reproduction; mortality; metabolism

過去的200年里， 大气中CO2浓度增加了31%。有数据显示，在18-19世纪大气中CO2的浓度上升了大约10 μL/L，达到了290 μL/L。而20世纪大气中CO2的浓度上升了大约77 μL/L，达到了367 μL/L[1]。目前，大气CO2浓度为385 μL/L左右。联合国政府间气候变化委员会（IPPC）预计本世纪由于经济增长和能源使用等将使CO2浓度增加到500～975 μL/L[2-3] 。由于温室气体浓度的增加，从1990年到2100年，全球平均气温将升高1.4～5.8℃[2]。CO2浓度持续升高是全球性的，无论在任何温度带下的生态系统都要受其影响。

CO2作为植物光合作用不可或缺的重要原料，其浓度的升高会影响植物的光合作用。大气CO2浓度升高对常见的C3植物有促进作用，如促进水稻的生长发育[4];提高棉花叶片的光合速率，增加单叶面积，并使株高和生物产量增加[5];也能显著促进C4植物玉米幼叶的生长速率，且会增加籽粒重[7]。CO2浓度的升高对C3植物的影响比C4植物更大[6]。CO2浓度升高不仅会影响作物的正常生长发育，还会改变作物体内物质含量。CO2浓度升高会使植株体内碳氮比改变，部分研究认为是由于碳元素含量的升高以及氮元素含量的下降会提高碳氮比[7]，如高CO2浓度下会使得水稻植株内的氮元素的含量下降，碳氮比升高[8];CO2浓度升高也显著影响棉花体内的物质含量，游离氨基酸的含量会升高，可溶性蛋白的含量却会降低;此外，也导致棉花组织内棉酚和单宁含量升高[9]。有部分学者认为CO2浓度升高对于植株体内碳氮比改变无显著影响，小麦在高CO2浓度下生长，植株内的碳元素和氮元素含量均有所增加，但碳氮比无显著提高[10]。

CO2浓度的升高导致植物叶片营养成分的改变，进而会影响植食性昆虫的取食行为和生长发育[11]。对咀嚼式口器昆虫，CO2浓度升高导致棉铃虫对棉铃的取食程度降低[12];斜纹夜蛾对菜豆的取食量显著提高，体重增加[13];高CO2浓度会降低亚洲玉米螟的存活率，且显著延长幼虫和蛹的历期[14]。CO2浓度升高对于稻纵卷叶螟繁殖能力没有显著影响，但会显著降低其卵的孵化率[15]。对于刺吸式口器昆虫，CO2浓度升高，麦长管蚜在小麦上的取食时间显著延长[16];高CO2浓度导致长翅型褐飞虱雄虫体重增加和发育历期延长;但却导致雌虫产卵量比正常CO2浓度下降低40%左右[17]。无论是高CO2浓度下斜纹夜蛾取食量的增加还是麦长管蚜的取食时间延长，均属于‘补偿取食以补充足够的氮元素，但高CO2浓度对刺吸式口器昆虫繁殖的影响比对咀嚼式口器昆虫要大。

植食性昆虫取食高CO2浓度下的植物还会改变自身的酶类活性和含量。如高CO2浓度条件下，人工饲料饲养的棉铃虫体内淀粉酶、超氧化物歧化酶和乙酰胆碱酯酶活性增加，而谷胱甘肽转移酶活性降低[18]。高CO2浓度条件下饲养的麦长管蚜体内乙酰胆碱酯酶活性与蚜虫对报警信息素的响应呈显著负相关，同时超氧化物歧化酶和乙酰胆碱酯酶活性提高[19]。用高CO2浓度条件下生长的常规棉和转基因棉饲喂棉铃虫时，两者体内过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和乙酰胆碱酯酶含量均增加[20]。二化螟幼虫体内的乙酰胆碱酯酶和氧化物酶降低;过氧化氢酶活力则表现为先升后降的特点，但会使超氧化物歧化酶在初期显著升高[21];高CO2浓度会使西花蓟马成虫体内的解毒酶和保护酶活性上升[22]。

棉蚜Aphis gossypii Glover属半翅目，蚜科，是棉花上的一种重要害虫。棉蚜直接刺吸棉叶汁液，使叶片卷向背面，造成“龙爪叶”;在取食过程中排泄的蜜露也会导致叶片表面滋生霉菌，影响棉叶的光合作用。棉蚜分为苗蚜、伏蚜和秋蚜。苗蚜常在棉花苗期为害比较严重;棉蚜也会在棉花蕾期、花期和铃期大量繁殖，从而影响经济效益。

本试验选择的CO2浓度为720 μL/L，为在本世纪内预计达到的浓度。研究720 μL/L的CO2浓度对连续3代棉蚜的生长繁殖及体内重要代谢产物的直接与间接影响，推测未来CO2浓度条件下刺吸式昆虫种群的发展动态，以提出预防和治理棉蚜暴发为害的防治策略。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 棉花品种及种植

试验棉花为‘中棉所12，棉种常温催芽后使用穴盘（32穴，23 cm×46 cm）种植;培养土配方为基质∶正常土壤=1∶1。将播种好的穴盘放入人工培养箱培养。培养条件：（26±3）℃，RH：50%，L∥D=16 h∥8 h。通过CO2控制器将钢瓶中的CO2向不同的培养箱中注入，使培养箱的CO2浓度分别保持在360 μL/L和720 μL/L。棉花分为两组在不同的CO2浓度下生长。

1.1.2 试验棉蚜的饲养

棉蚜Aphis gossypii 采集于扬州大学农牧场棉田。用琼脂制成培养基，将新采摘棉花叶片剪成培养皿大小（约直径5 cm），将正面贴于培养基，以保持棉花叶片的湿度。在棉花背面接种室外采集到的棉蚜，扩大种群用于保种和试验所需。

1.2 试验方法

1.2.1 不同CO2浓度对于棉蚜生長繁殖的影响

1）直接影响：随机取1.1.2饲养的棉蚜初始若蚜并使其繁殖一代。取同日龄的若蚜为初始虫源进行试验。 随机采集360 μL/L CO2浓度下种植的棉花叶片放入培养皿中，用琼脂培养基保鲜。然后将培养皿分别放入两个不同CO2浓度（360 μL/L和720 μL/L）的人工气候箱。单头饲养棉蚜。每天更换棉叶。每个处理3组重复，每个重复20头棉蚜。每天记录母体棉蚜的繁殖数、死亡数等。以放入培养箱当天开始计算，饲养7 d，取第7天初产的棉蚜作为下一世代的虫源。

2）间接影响：采集生长在不同CO2浓度下的棉叶在360 μL/L环境下分别饲养棉蚜。样本大小，饲养方法及测量指标同前。

3）计算公式：

繁殖数=7 d内产蚜总数蚜虫母体数;

死亡率=7 d内母体死亡数蚜虫母体数×100%。

1.2.2 不同CO2浓度对于棉蚜体内主要代谢产物的影响

1.2.2.1 棉蚜体内脂肪含量的测定[23]

1）棉蚜样品液的制备：在1.5 mL的匀浆器中加入棉蚜和研磨液（氯仿∶甲醇=2∶1）研磨2 min，2 000 r/min，4℃离心5 min，取出上清液;再加入500 μL 3% NaCl洗涤沉淀两次，合并上清液和洗涤液并振荡均匀，再次离心10 min。弃上层溶液，余液为样品液。

2）测定方法：乙酰丙酮法。测定管和标准管分别加入0.05 mL棉蚜样品液和三油酸甘油酯。在空白管、标准管里各加0.05 mL ddH2O。将提取剂（正庚烷∶异丙醇=2∶3）3，3，2.95 mL分别加入空白管、测定管和标准管。振荡后加1 mL 0.04 mol/L硫酸，再次振荡后静置分层，在3支空试管中分别加入0.5 mL上清液，65℃水浴保温5 min。随后加入1 mL氧化剂（无水醋酸铵38.5 g，加水溶解，加冰乙酸30 mL及过碘酸钠0.5 mL，溶解后定容至500 mL，存于棕色瓶）摇匀，加入1 mL乙酰丙酮试剂（乙酰丙酮0.4 mL加异丙醇100 mL，现配现用），摇匀，65℃水浴保溫10 min，以空白管为对照，测定标准管和样品管420 nm处的光密度值，每个处理2个重复，共6个重复。

1.2.2.2

棉蚜体内总糖含量的测定[23]

1）棉蚜样品液的制备：将棉蚜移入1.5 mL的匀浆器中，加1.5 mL 70% HCIO4研磨液研磨，2 000 r/min，4℃离心5 min，取上清液待测。

2）测定方法：蒽酮法。取0.4 mL棉蚜样品液加入0.6 mL 70% HCIO4溶液，再加入5 mL的蒽酮试剂（2 g蒽酮溶于1 000 mL 95% H2SO4中），混合均匀后沸水浴10 min，冷却后于620 nm处测定其光密度值，根据标准曲线计算待测样品的总糖含量，每个处理2个重复，共6个重复。标准溶液中葡萄糖的浓度梯度为 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL。

1.2.2.3

棉蚜体内蛋白含量的测定[23]

1）棉蚜样品液的制备：将棉蚜移入1.5 mL匀浆器，1 mL 研磨液（0.04 mol/L磷酸缓冲液，pH 7.0）研磨，10 800 r/min，4℃离心15 min，取上清液待测。

2）测定方法：考马斯亮蓝法。取棉蚜样品液500 μL加入2.5 mL考马斯亮蓝溶液，混匀后在595 nm处测定其光密度值，根据标准曲线求蛋白含量，每个处理2个重复，共6个重复。标准曲线的制作： 用牛血清蛋白配制 2 mg/mL 的标准溶液后稀释成系列标准浓度0.02、 0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24 mg/mL，测定方法同上。

1.3 数据统计与分析

用DPS 15.10统计软件的方差分析来进行试验数据的统计和分析。对直接和间接影响试验，用Fisher小样本非参数随机化测验来研究棉蚜世代和CO2对棉蚜繁殖与死亡的影响。处理组间差异显著性采用LSD检验。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度对于棉蚜生长繁殖的影响

2.1.1 不同浓度CO2对棉蚜生长繁殖的影响

由表1可知，在360 μL/LCO2浓度下饲养棉蚜，其连续3代（F1～F3）的繁殖数分别为13.7、15.6和17.2头/雌;在720 μL/L浓度下其繁殖数分别为15.5、16.8和17.2头/雌。两种浓度下棉蚜世代间的繁殖能力无显著差异。

360 μL/L CO2浓度下棉蚜连续三代的死亡率随世代的增加而减少，720 μL/L浓度下棉蚜连续三代的死亡率随世代的增加而增加，同一世代不同浓度间母体死亡率无显著差异。

表1 棉蚜连续三代生活在不同浓度CO2下的繁殖数与母体死亡率1）

Table 1 Reproduction and maternal death rate of Aphis gossypii for three generations reared under different CO2 concentrations

1） 表中数据为平均数±标准误。同一行平均数后不同大写字母表示同一世代不同浓度间繁殖率与死亡率的差异显著性（P≤0.05），同一列平均数后不同小写字母表示同种浓度不同世代间繁殖率与死亡率的差异显著性（P≤0.05）。下同。

Data in the table are mean±SE. Different capital letters in the same line indicate significant difference in different CO2 concentration within the same generation， and different small letters in the same column indicate significant difference in different generation within the same CO2 concentration （P≤0.05）. The same below.

由图1可以看出，在360 μL/L的CO2浓度下，F1代棉蚜连续7 d内每日产蚜总数呈现逐渐减少的趋势;而在720 μL/L浓度下的棉蚜每日产蚜总数在第2天达到最高后，也呈现逐渐减少的趋势;第3天至第7天720 μL/L CO2浓度下棉蚜的每日产蚜总数高于对照360 μL/L的处理。

F2代棉蚜在360 μL/L和720 μL/L CO2浓度下的7 d日繁殖数都在第2天达到最高后随着时间延长日产蚜数逐渐减少，但360 μL/L CO2浓度处理组日繁殖数均高于在720 μL/L处理组。

F3代棉蚜在360 μL/L和720 μL/L CO2浓度下的7 d日繁殖数都呈现上升趋势;第4、6天720 μL/L处理组棉蚜的日繁殖数高于360 μL/L处理组。

图1 不同CO2浓度下饲养的棉蚜F1～F3代7 d内每日产蚜总数变化趋势

Fig.1 Daily fecundity of Aphis gossypii within 7 days for F1-F3 generation under different CO2 concentrations

2.1.2 取食不同CO2浓度下生长的棉叶对棉蚜生长繁殖的影响

由表2可知，棉蚜取食在360 μL/L CO2浓度下生长的棉叶后F1～F3代的繁殖数分别为7.0、12.3和12.7头/雌，取食720 μL/L CO2浓度下生长棉叶后的繁殖数分别为9.9、14.9和15.6头/雌，取食两种浓度下生长的棉叶后棉蚜连续3代的繁殖数都上升，且两种浓度的F1代繁殖数均显著低于F2和F3代;取食720 μL/L浓度下生长的棉叶的棉蚜，其每一世代的繁殖数均显著高于360 μL/L浓度下的繁殖数。

取食两种CO2浓度下生长的棉叶后棉蚜连续3代的死亡率随世代的增加而减少，相同浓度不同世代间无显著差异;取食720 μL/L CO2濃度下生长的棉叶后棉蚜连续3代的死亡率高于取食360 μL/L浓度下生长的棉叶的棉蚜，但同一世代不同浓度间无显著差异。

表2 棉蚜连续三代取食不同浓度CO2下生长的棉叶后的繁殖数与母体死亡率

Table 2 Reproduction and maternal death rate of Aphis gossypii for three generations fed with the

cotton leaves grown under different CO2 concentrations

由图2可以看出，棉蚜取食720 μL/L CO2浓度下生长的棉叶后F1代连续7 d内日繁殖数呈现逐渐减少的趋势;而取食360 μL/L CO2浓度下生长的棉叶后棉蚜繁殖数在第2天达到最低后，又呈现逐渐增加的趋势，棉蚜的繁殖数高于720 μL/L。F2代棉蚜取食720 μL/L CO2浓度下生长的棉叶后，7 d内日繁殖数略高于取食360 μL/L下生长的棉叶的棉蚜且繁殖数呈现逐日下降趋势。

F3代棉蚜取食360 μL/L和720 μL/L CO2浓度下生长的棉叶后，第2天繁殖数最高，从第3天起日繁殖数都呈现逐渐下降的趋势，取食720 μL/L CO2浓度下生长的棉叶组7 d内棉蚜日繁殖数高于取食360 μL/L CO2浓度下生长的棉叶组。

图2 F1～F3代棉蚜7 d内每日产蚜总数变化趋势

Fig.2 Daily fecundity of Aphis gossypii within 7 days for F1-F3 generation

2.2 不同CO2浓度对棉蚜体内主要代谢产物的影响

2.2.1 饲养环境中不同浓度CO2对棉蚜体内主要代谢产物的影响

由表3可知，在720 μL/L CO2浓度下饲养的棉蚜总脂肪、总糖和总蛋白三种代谢产物含量均高于360 μL/L浓度组，且720 μL/L CO2浓度处理组总糖和总蛋白含量显著高于360 μL/L CO2处理组。但两个浓度碳氮比均趋近于1.94，无显著差异。

表3 棉蚜连续三代生活在含不同浓度CO2的环境下对体内主要代谢物质的影响

Table 3 Effect of different environmental CO2 concentrations on major metabolic

substances in Aphis gossypii for three generations

2.2.2 取食不同CO2浓度下生长的棉叶对棉蚜体内主要代谢产物的影响

由表4可知，用CO2浓度为720 μL/L环境中生长的棉叶喂饲棉蚜，其体内总糖的含量显著高于360 μL/L对照组，而总蛋白的含量却显著低于360 μL/L对照组。取食720 μL/L环境中生长的棉叶后，棉蚜体内碳氮比为2.33，显著高于360 μL/L处理组棉蚜的碳氮比172。脂肪含量在两个CO2浓度处理组间无显著差异。

表4 棉蚜连续三代取食在不同浓度CO2下生长的棉叶后对体内主要代谢物质的影响

Table 4 Effect of cotton leaves cultivated under different CO2 concentrations on

major metabolic substances in Aphis gossypii for three generations

3 讨论

CO2浓度的升高对不同取食方式的昆虫有着不同的影响，有报道表明CO2浓度的升高会促进一些昆虫的生长发育，如张钧等研究发现禾谷缢管蚜种群随着CO2浓度升高而增长[24];咀嚼式口器的黏虫会随着世代的增加逐渐提高对于高CO2浓度的适应能力[25];陈法军等研究发现棉铃虫取食高CO2浓度下生长的小麦，随着CO2浓度的升高棉铃虫对小麦的为害不断加重[26]。大气CO2浓度升高对不同种类昆虫的种群数量影响不同。高CO2浓度条件下，大豆田中玉米根萤叶甲和大豆蚜种群数量均增加。与对照相比，大豆田中玉米根萤叶甲的产卵量增加约两倍[27]。麦长管蚜在高CO2浓度下取食时间延长，表明蚜虫在高CO2浓度下种群会造成更严重的危害[28]。本试验研究表明，CO2浓度升高对棉蚜的繁殖和死亡的直接影响甚微;而CO2浓度的升高会改变作物的营养从而导致棉蚜的繁殖能力提高。

本试验表明，大气CO2浓度的升高对于连续三代棉蚜体内重要代谢产物含量有显著影响。棉蚜直接暴露在高CO2浓度下，体内的总糖和总蛋白的含量会提高，但是棉蚜体内的碳氮比与对照相比无显著差异，说明尽管暴露在不同CO2浓度下，但是取食相同处理的叶片不会影响棉蚜体内的碳氮比。总糖和总蛋白的升高可能是由于棉蚜直接暴露在高CO2浓度下，其体内代谢机制发生改变，这需要进一步深入研究;取食720 μL/LCO2浓度下生长的棉叶的棉蚜体内碳氮比显著高于对照，说明大气CO2浓度升高对于植食者的影响主要是通过改变寄主的营养组成达到的。李润红等[29]对豌豆蚜的研究发现取食高CO2浓度下生长的蚕豆后，豌豆蚜体内的糖、蛋白质的含量都高于取食低CO2浓度处理组。高CO2浓度下蛋白质含量增加，是因为蚕豆根部含有根瘤菌，在高CO2浓度下生长时比普通C3植物更容易固定氮元素。 在高CO2浓度条件下， 豆科植物的光合速率、根瘤量和固氮能力均得到提高，光合和固氮之间的关系更加紧密，两者互为因果，相互促进，保证了高CO2浓度下植物体内碳、氮代谢的平衡、协调进行[30]。