白星花金龟人为条件生物学与应用潜力

张广杰，王 倩，刘玉升

(山东农业大学植物保护学院，山东泰安 271018)

白星花金龟PotosiabrevitarsisLewis是隶属于鞘翅目Coleoptera花金龟科Cetoniidae的腐食性昆虫。分布范围广，2001年首次在新疆北疆地区被发现(郭文超等，2004)，目前为止，白星花金龟已全国性分布。国外主要分布在蒙古、朝鲜、韩国、日本、俄罗斯等国家(嵇保中等，2011)。成虫食性广，能取食包括农作物、果树、瓜果、林木、杂草等几百种植物，迁飞能力强、取食量大、抗逆性强，且群集生活，在自然界对植物造成了一定的危害(李涛等，2010)。因此，将白星花金龟成虫作为农业(陈日曌等，2006)和林果业害虫，对其综合防治技术(何笙等，2006)与发生机理(郝双红等，2005；高有华和于江南，2011；Chenetal.,2013；Chenetal.,2014)的研究居多。

白星花金龟幼虫为腐食性蛴螬，在自然界中存在于腐烂的秸秆、烂草堆和久放的畜禽粪便中。近年来，环境污染和有机废弃物随意堆弃问题日趋严重，白星花金龟“大自然清道夫”的功能受到关注。研究表明，白星花金龟幼虫对酵化的玉米Zeamays秸秆(杨诚等，2015；刘玉升和张大鹏，2015)、食用菌菌糠(张倩，2015；孙晨可，2018)等有机废弃物有较强的转化能力。杨诚等(2014a)测定并评价了白星花金龟幼虫营养成分，认为其可作为理想的昆虫源蛋白饲料原料。刘福顺等(2018)的盆栽肥效试验初步证明，白星花金龟虫砂是一种优良的有机肥，其在低温下能够促进辣椒苗期的生长和提高耐寒能力(赖德强等，2019)。虫体在抗癌(杨万山等，2006；金华等，2008；崔春爱等，2009)、明目(邱晓星等，2012；谭涵宇等，2018)、活性成分利用(徐明旭等，2008；Suh &Kang，2012)等医药上的研究，也取得进展，幼虫也被应用于对重金属的生化反应研究(Yinetal.,2018)。李小万和王萍莉(2018)探索了白星花金龟成虫甲壳素提取工艺。

相比于白星花金龟的应用潜力，其人为繁育生物学研究严重不足(杨诚等，2014b)，在一定程度上阻碍了白星花金龟资源潜力的发挥。越冬虫源调查发现，人工饲养的东亚飞蝗Locustamigratoriamanilensis(Meyen)虫砂堆中，白星花金龟老熟幼虫密度达7.5 kg/m2，自然繁殖量远高于牛粪、秸秆堆。本文选取东亚飞蝗虫砂作为白星花金龟幼虫饲料、成虫产卵基质进行人为条件下的生物学研究，以期探索白星花金龟的生殖潜力、转化力和资源利用价值，为白星花金龟的高效繁育和发挥应用潜力提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1主要实验原料

东亚飞蝗虫砂(人工饲料为墨西哥玉米草Purusfrumentum)和白星花金龟(山东农业大学植保实验站)、11种常见水果(山东农业大学南校区小吃街我浓果园水果店)、RW促腐剂(鹤壁市人元生物技术发展有限公司)、小白菜Brassicarapachinensis(山东农业大学农大种业有限公司)。

1.1.2主要实验仪器或器具

智能人工气候箱(RZX-380A，宁波江南仪器厂制造)、高速多功能粉碎机(WJX-800A型，上海缘沃工贸有限公司)、电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9076A型，上海精宏实验设备有限公司)、电冰箱(BC/BD-147NA，澳柯玛股份有限公司)、电子台秤(A11B-LED型，中国凯飞集团)、电子天平(JM-A10002型，余姚市纪铭称重核验设备有限公司)、家用微波炉(M1-L202B型，广东美的厨房电器制造有限公司)、自制蛹化和羽化观察器具(图1)、分离筛(8目、12目、16目、30目)、养殖盒、花盆。

图1 自制蛹化和羽化观察器具Fig.1 Self-made appliance of observing pupation and emergence注：A，制作器具、蛹化和羽化全程观察实物图；B，器具模型图；1，玻璃瓶；2，塑料筒；3，空腔；4，瓶盖；5，通孔。Note:A,physical diagram of observing the whole process of pupation &emergence and making appliance ;B,appliance model diagram;1,glass bottle;2,plastic cylinder;3,cavity;4,bottle cap;5,through hole.

1.2 实验方法

1.2.1温度对白星花金龟发育历期的影响

分别设置智能人工气候箱为(L ∶D=16 ∶8、RH75%±5%)19℃、22℃、25℃、28℃、31℃、34℃ 6个温度梯度，用于饲养白星花金龟，产卵和孵化基质、幼虫饲料为腐熟的东亚飞蝗虫砂，成虫饲喂苹果MalusdomesticaBorkh.。

(1)卵期：挑选处于产卵高峰的同一批雌虫同一天产的卵，每组100粒，每个温度梯度设置3个重复，分别放入填充6 cm厚腐熟东亚飞蝗虫砂(WC=55%±5%)的养殖盒(22 cm×15 cm×8 cm)，卵置于基质核心处，每天检查和详细记录养殖盒中卵的孵化情况及基质湿度。

(2)幼虫期：分别挑选同一天孵化的幼虫，每组20头放入填充6 cm厚腐熟东亚飞蝗虫砂(WC=55%±5%)的养殖盒(22 cm×15 cm×8 cm)作为1个处理，每个处理设5个重复，每周更换一次幼虫饲料，每天记录幼虫生长和做土室情况。

(3)蛹期：分别挑选日龄和状态一致的老熟幼虫，每3头作为1组放入自制观察器具中，器具夹层充满腐熟东亚飞蝗虫砂(WC=55%±5%)，待老熟幼虫在器具中开始作土室时进行记录，从中挑选能够同时观察3头老熟幼虫发育状态的20组作为重复，每天观察老熟幼虫化蛹、成虫羽化和出土室情况，并做详细记录。

(4)产卵前期：待各自温度梯度内成虫出土室时，挑选同一天羽化的成虫按雌雄比1 ∶1进行配对，每对置于透明罐头瓶(Φ 8 cm×h 12 cm，纱网盖)中饲养，瓶底铺6 cm厚腐熟东亚飞蝗虫砂(WC=55%±5%)，每2 d饲喂并更换1 cm×1 cm×1 cm大小的苹果，每个罐头瓶作为1个重复，每处理设置20个重复，每天观察产卵情况并做详细记录。

1.2.2食物对白星花金龟单雌产卵量的影响

选取水果店常见的西瓜Citrulluslanatus、葡萄Vitisvinifera、桃Amygdaluspersica、苹果、梨Pyrusspp.、甜瓜Cucumismelo、菠萝Ananascomosus、芒果Mangiferaindica、杏Armeniacavulgaris、李子Prunussalicina、西红柿Lycopersiconesculentum11种水果作为供试食物。取同一时期初羽化且同一天抱对成虫44对，平分为11组用不同水果单对饲养。产卵基质为厚6 cm的腐熟东亚飞蝗虫砂(WC=55%±5%)，置于智能人工气候箱(T=25℃、L ∶D=16 ∶8、RH75%±5%)中培养，每个处理每2 d分别饲喂1 cm×1 cm×1 cm大小的食物，每5 d调查一次单对产卵量，每天观察成虫状态，直至雌虫死亡，每组选择单雌产卵量表现好的3对计入统计数据。

1.2.3虫砂酵化周期对白星花金龟幼虫转化力的影响

取东亚飞蝗虫砂250 kg，添加1‰ RW促腐剂(cfu ≥ 10.0 × 109/g)，调节虫砂含水量为70%，堆成馒头状并加盖塑料薄膜好氧酵化，每5 d于堆体中心取样2 kg，取样后翻堆，每次取样后将样品置于冰箱冷冻保存，一直取到第35天。取样完成后，将样品自然解冻后在50℃的烘箱中烘干至恒重，粉碎后过16目筛后备用。白星花金龟幼虫共3龄，1龄期较短，且取食量较少，仅选择2龄、3龄初期相同状态的白星花金龟幼虫作为供试虫体，两个龄期分别进行转化酵化5、10、15、20、25、30、35 d 7个物料处理，每标准盒(1 000 mL，17 cm × 11.5 cm × 6.5 cm)加干料60 g，调节并控制物料含水量为50%，分别放2龄幼虫30头，3龄幼虫15头，置于智能人工气候箱(T=25℃、L ∶D=12 ∶12、RH75%±5%)中，每天观察幼虫死亡情况，并及时补充条件一致的虫体。连续饲喂10 d，第11天将虫体拣出称鲜重，将剩余物料、虫砂和部分虫体烘干，称量累计增重量、累计取食量和累计排砂量(均以干重计)，参考刘玉升(2012)计算饲料利用率、虫体转化率、虫砂转化率、近似消化率和死亡率。计算公式(质量单位mg)：

饲料利用率(ECI)=(总饲料量-剩余饲料量)/总饲料量× 100%

虫体转化率(ECD)= 虫体增重量/(取食量-排砂量)× 100%

虫砂转化率(ECD)= 虫砂量/(取食量-虫体增重量)× 100%

近似消化率(AD)=(取食量-排砂量)/取食量× 100%

死亡率=死亡虫数/供试虫数× 100%

1.2.4白星花金龟幼虫干虫主要营养成分测定

取饲喂腐熟东亚飞蝗虫砂的白星花金龟3龄25日龄幼虫，饥饿处理1 d，待排空体内虫砂后洗净、晾干后用微波炉烘干，粉碎至可完全过30目筛的粉末送检。测定水分(GB 5009.3-2016)、粗蛋白质(GB 5009.5-2016)、粗脂肪(GB 5009.6)、粗纤维(GB/T 5009.10-2003)、粗灰(GB 5009.4-2016)、18种氨基酸(胱氨酸和色氨酸(GB/T 18246-2000)，余16种(GB 5009.124-2016))。

1.2.5白星花金龟幼虫虫砂主要营养成分测定和盆栽试验

(1)收集饲喂腐熟东亚飞蝗虫砂的白星花金龟3龄幼虫虫砂过8目和12目筛除杂，留12目筛之上部分，经鼓风干燥箱在50℃下烘干后送检。测定有机质(重铬酸钾容量法)、氮(半微量凯氏定氮法)、磷(采用铂黄光光度法)、钾(火焰光度法)和pH值参照NY525-2012；氯离子含量参照GB/T 24890-2010标准。

(2)盆栽试验于2018年4月在山东农业大学植保实验站进行，实验土壤pH 8.2、有机质1.18%、总氮0.24%、磷0.41%、钾0.99%，每盆(口内Φ 21 cm×底Φ 15.5 cm×h 18 cm)装土壤3 kg，虫砂用量(干重)分别为0、15、30、45、60和75 g每盆，虫砂仅与上面10 cm的土壤混匀。每处理重复3 次。每盆直播小白菜5穴，每穴6粒种子，待2个真叶后每穴保留长势良好的1株。在小白菜整个试验过程中常规一致管理。定株1个月后从每盆中选择表现最好的1株测量小白菜的地上高度、根系深度、地上部鲜重和地下部鲜重。

1.3 数据处理

运用IBM SPSS Statistics 23对试验数据进行统计分析，得到平均值及标准误差，对不同处理进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)，对不同处理间的差异进行Tukey多重比较分析(P<0.05)。应用Microsoft Excel 2013记录、整理数据和绘制图表。

2 结果与分析

2.1 温度对白星花金龟发育历期的影响

在19～34℃ 6个温度梯度范围内，随温度的升高，白星花金龟各虫态和全世代发育历期都缩短，但34℃与31℃条件下差异不显著。全世代发育历期由226.40(±3.10)d缩短到89.06(±1.00)d。

表1 温度对白星花金龟发育历期的影响Table 1 Effect of temperatures on developmental durations of Potosia brevitarsis

注:表中数据为平均数±标准误；表中每列数据后不同字母表示差异显著(Tukey法，显著水平P<0.05) 。下表同。Note：Data in the table are Mean±SE；Columns with different letters indicate significant difference (P<0.05).The following tables are indicated as the same.

2.2 食物对白星花金龟单雌产卵量的影响

以11种水果为食料，白星花金龟单雌产卵量(图2)以芒果、菠萝表现最好，单雌产卵量最高达207粒；葡萄、苹果次之，平均单雌产卵量在190粒左右；桃、梨、西瓜、甜瓜位居第3；李子、杏、西红柿表现最差，单雌产卵量最低仅68粒。分析并粗略测定11种水果含糖量(数据未列出)可知，取食含糖量较高水果的单雌产卵量表现较好，可见，在一定程度上，水果的含糖量越高，越能够提高单雌产卵量。

图2 不同水果对白星花金龟成虫单雌产卵量的影响Fig.2 Effect of different fruits on the egg numbers per of Potosia brevitarsis female

2.3 东亚飞蝗虫砂酵化周期对白星花金龟幼虫转化力的影响

随酵化周期的延长，白星花金龟2龄幼虫累计增重量呈波动性增长，在30 d时达到最大(1.275 g±0.060 g)，35 d又略微下降；累计取食量和累计排砂量均呈现波动性增长；累计死亡率随酵化周期延长整体呈下降趋势，30 d时死亡率最低。分析可得出，酵化30 d的东亚飞蝗虫砂作为白星花金龟2龄幼虫饲料效果最佳。此条件下经折合，每取食100 g酵化东亚飞蝗虫砂可增长2龄虫体3.04 g，产生虫砂81.90 g。

表2 白星花金龟2龄幼虫对不同酵化周期东亚飞蝗虫砂的转化力Table 2 Transformation capability of the 2nd instar larvae of Potosia brevitarsis to the difffierent fermentation cycle of the Locusta migratoria manilensis dung-sand

白星花金龟3龄幼虫取食不同酵化周期的东亚飞蝗虫砂在累计增重量上差异不显著，酵化25 d时增重量表现最好，但酵化周期短的死亡率较高，而酵化25 d时死亡率最低；累计取食量和累计排砂量呈正相关，随酵化周期的延长呈先增、中降、后升的规律，分析可知，作为白星花金龟3龄幼虫饲料的东亚飞蝗虫砂最佳酵化周期为25 d。此条件下经折合，每取食100 g酵化东亚飞蝗虫砂可增长3龄虫体4.37 g，产生虫砂74.48 g。

表3 白星花金龟3龄幼虫对不同酵化周期东亚飞蝗虫砂的转化力Table 3 Transformation capability of the 3rd instar larvae of Potosia brevitarsis to the different fermentation cycle of the Locusta migratoria manilensis dung-sand

在虫龄对物料的转化力差异上，白星花金龟2龄、3龄幼虫增重率无明显差异，体现出幼虫增长的一致性；3龄较2龄在最佳酵化周期、饲料利用率、虫体转化率、累计死亡率上具有优势，且差异显著，而2龄的虫砂转化率较高。

2.4 白星花金龟幼虫干虫主要营养成分

昆虫体内蛋白质与脂肪含量的比值(P/G)一般大于1，即蛋白质含量要高于脂肪含量，通常把P/G≥2 的昆虫称为高蛋白昆虫，把P/G<2的昆虫称为高脂肪昆虫(王付彬等，2011)。白星花金龟3龄幼虫中粗蛋白质含量为53.8%，是粗脂肪含量的8.15倍，属高蛋白、低脂肪的昆虫(图3)。

白星花金龟3龄幼虫氨基酸种类丰富，测定的18种氨基酸，包含全部8种人体必须氨基酸，总氨基酸含量达44.68%。18种氨基酸含量相差较大，谷氨酸含量最高(5.65 g/100 g)，色氨酸含量最低(0.50 g/100 g)。白星花金龟3龄幼虫的EAA/NEAA为75.00%(≥60%)；EAA/TAA为43.00%(40%)，可算作一种质量较好的蛋白质源(FAO/WHO，1973)。

表4 白星花金龟不同龄期幼虫转化力的差异Table 4 Differences in transformation capability of different instar larvae of Potosia brevitarsis

注：采用独立样本T检验，*表示差异显著。Note:IndependentT-test，*significantly different (P<0.05).

表5 白星花金龟3龄幼虫干虫氨基酸含量Table 5 Amino acid content of dry 3rd instar larvae of Potosia brevitarsis

注：*为必需氨基酸，**为半必需氨基酸，●包括酪氨酸和胱氨酸在内。Note:*indicates essential amino acids,**indicates semi-essential amino acid,●indicates including Tyr and Cys.

图3 白星花金龟3龄幼虫干虫主要营养成分(g/100g)Fig.3 Main nutrients of dry 3rd instar larvae of Potosia brevitarsis

2.5 白星花金龟虫砂组分指标和盆栽试验

经测定，3龄幼虫虫砂偏碱性，有机质含量为18.72%，低于NY525-2012中有机质≥45%的标准，氮磷钾总量为5.95%，高于NY525-2012 ≥ 5%的标准，且钾的含量高达2.41%，详见表6。

表6 白星花金龟3龄幼虫虫砂主要组分指标Table 6 Main component indicators of 3rd instar larvae dung-sand of Potosia brevitarsis

白星花金龟虫砂为干燥无异味的黑色长椭圆型颗粒、营养丰富、性状稳定，可作为生物肥料施用于田间。本论文以盆栽小白菜作为试验对象，测定了不同用量的白星花金龟虫砂对小白菜长势的影响，以探究其作为生物肥料的潜力(表7)。随虫砂用量的增加，小白菜的长势指标呈先上升后下降的趋势，当施用量为45 g时，即1 cm2施用0.13 g，小白菜地上高度(17.80±0.25 cm)、根系深度(8.80±0.17 cm)、地上部鲜重(8.57±0.35 g)和地下部鲜重为(0.75±0.02 g)均达到最大值。当施用量为75 g时，各项长势指标均低于对照组。

表7 不同用量的白星花金龟3龄幼虫虫砂对小白菜长势的影响Table 7 Effect of different amounts of the dung-sand from the 3rd instar larvae Potosia brevitarsis on the growth of Brassica rapa chinensis vegetable

3 结论与讨论

温度是影响昆虫生长发育、生殖等生命活动最重要的因素(Hoffmann，1985；Ratte，1985)。冬季25℃繁育白星花金龟的实践表明，老熟幼虫可不越冬完成生活史。表1也表明，温度25℃，全世代发育周期为126.62(±1.05)d。理论与实践表明，营养充足、温光条件适宜的情况下，白星花金龟可周年繁育。本发育历期结果与刘政等(2012)的数据有较大差别，分析其原因主要是本实验选用的产卵基质和幼虫饲料均为腐熟的东亚飞蝗虫砂，在促进白星花金龟生长发育上优于粪土。研究发现，温度超过28℃时，白星花金龟各虫态存在重量下降、成虫繁殖率降低等问题，因此，可将白星花金龟人工繁育生物学温度控制在22～28℃之间，以25～28℃为宜。以11种水果为食料，成虫的单雌产卵量顺序为：芒果>菠萝>葡萄>苹果>桃>梨>西瓜>甜瓜>李子>杏>西红柿，单雌产卵量最高达207粒。本实验成虫单雌产卵量数据与杨诚等(2014b)和张倩(2015)等人的结果相比有较大提升，应是优选食物提供了更丰富的营养和抗氧化物质(如，维生素C、多酚、胡萝卜素等)，从而提高了雌虫的寿命和繁殖力(Mollemanetal.,2009；Boydetal.,2011)和东亚飞蝗虫砂代替土壤作为产卵基质对成虫交配、产卵有促进作用这两方面的结果。实际饲喂成虫时发现，水果残余物(坏损、过熟或失去商品价值而被丢弃的水果或果皮核)熟的越透，甚至开始腐烂的水果越能刺激成虫的取食，应是水果的风味物质散发的气味产生的效果，糖醋液能够诱集成虫的原理与此相似(王少山等，2011)。因此，生产中通过优选水果种类、用水果残余物饲喂成虫实现变废为宝、提高单雌产卵量的双赢是可行的。东亚飞蝗虫砂酵化周期与取食龄期的最佳对应组合分别为2龄30 d和3龄25 d，最佳酵化周期的确定与预处理中微生物酵化进程对幼虫转化虫砂存在既促进又竞争的作用有关，3龄幼虫较2龄在取食力、转化力、抵抗力上均强。白星花金龟人为生产中，针对不同物料可实验确定最佳酵化周期，而不必等到完全腐熟，不仅可以缩短物料酵化周期，而且能提高幼虫转化力。这对于将白星花金龟应用于农作物秸秆、畜禽粪便、蔬菜秧蔓等有机废弃物转化处理上具有指导意义。

白星花金龟幼虫干虫是质量较好的昆虫源高蛋白原料，可应用于饲喂家禽家畜等脊椎动物和水产养殖，本文未涉及饲喂实验，是下一步研究的方向。东亚飞蝗虫砂饲料基白星花金龟幼虫虫砂较玉米秸秆饲料基的有机质含量低，磷钾的含量较为突出，推测这与东亚飞蝗的前期转化促进有机质转化、实现磷钾富集有关(杨诚等，2015；刘福顺等，2018)。本盆栽实验选用喜氮的小白菜作为供试植物，当施用量为45 g/盆时最佳，75 g/盆时却低于对照，系虫砂密度大，高施用量下土壤通透性不足造成的。针对白星花金龟虫砂磷钾相对较高的特性，下一步可以开展豆类、薯类等喜磷钾的作物的虫砂肥效试验，以期制定更佳的施用方案。

白星花金龟人为繁育生物学研究结果展现出其较强的繁殖力和转化力，其肠道微生物作用机理的研究可为提高幼虫转化力提供理论依据(王菲菲等，2009；田小燕等，2017)。本文结果初步显示，水果残余物作为白星花金龟成虫食物，东亚飞蝗虫砂作为成虫产卵基质和幼虫繁育饲料，保持适宜温光条件，可以实现白星花金龟周年繁育。