光周期和温度诱导美国白蛾滞育*

2020-06-02王少博陈怡萌王玉珠张永安曲良建

林业科学 2020年4期

王少博周洲陈怡萌王玉珠张永安曲良建

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业和草原局森林保护学重点实验室北京 100091；2.河南科技大学林学院洛阳 471003)

生物界中存在2种昼夜节律，一种是昼夜的每日循环，另一种是以昼夜长度(光周期)变化为特征的年度季节循环，二者之间的相互协调在生物体生长发育中起着至关重要的作用(Bradshawetal.，2010a；2010b；Ikenoetal.，2010)。对光周期信号的敏感性使得昆虫能够感知季节变化，并相应地调整其生活方式和发育周期。昆虫通过长期的生态进化，生命发育周期与季节变化相适应，从而能够在不适合其生长发育的季节到来之前，通过感知周围环境因子的变化形成一种发育或繁殖停滞状态，即滞育，以保证种群避开不利环境，维持种群的生存和繁衍(Denlinger，2002；王满囷等，2004；徐卫华，2008；Saundersetal.，2013)。自然界中，光周期和温度是影响昆虫滞育最为重要的2个环境因子，二者既可协同作用，也可单独影响昆虫滞育(Jackson，2011；王力刚等，2011；Englert，2018)。

美国白蛾(Hyphantriacunea)属鳞翅目(Lepidoptera)灯蛾科(Arctiinae)，是一种外来入侵有害生物，因具有食性杂、繁殖量大、适应性强、危害严重等特点，被列为重大林业有害生物(Sullivanetal.，2011；李娟等，2019)。根据国家林业和草原局2019年美国白蛾疫区的公告，美国白蛾已入侵至湖北省、陕西省和上海市等12个地区，对当地的植物资源和生态环境造成巨大破坏，亦成为全社会高度关注的重大事件。

美国白蛾是以蛹越冬的兼性滞育昆虫，目前关于其滞育的研究主要集中在临界光周期的地理变异(Gomi，1997)、越冬滞育蛹抗寒性(Lietal.，2001)、滞育解除方式(Chenetal.，2014)以及滞育相关基因筛选(Yuetal.，2018)等方面。光周期作为诱导美国白蛾滞育的主要环境因子虽已被广泛证实(Gomietal.，1991；Gomi，1997；2007；Chenetal.，2014)，但因对其缺乏系统研究，致使关于光周期诱导美国白蛾滞育的敏感龄期仍存在争议(Masaki，1975；潘洪胜等，1992)；此外，温度和光周期如何协同影响美国白蛾滞育尚不清楚。鉴于此，本研究探究光周期和温度对美国白蛾滞育的影响，明确诱导美国白蛾滞育的主控因子和幼虫敏感龄期，以期为预测美国白蛾的分布、发生和防治提供参考，为深入研究光周期诱导美国白蛾滞育的分子机制和开发新型防治技术奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试昆虫美国白蛾采自天津市汉沽林场(39.24°N，117.81°E)，带回中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所昆虫病原微生物研究室，置于智能光照培养箱(天津市泰斯特仪器有限公司)以人工饲料法进行续代饲养。饲养条件：温度(25±1)℃，光周期L16∶D8，相对湿度70%～80%，室内饲养6～7代后作为试验用虫。羽化的成虫饲喂10%蔗糖水以补充营养。

1.2 方法

1.2.1 滞育诱导的光周期反应美国白蛾滞育诱导的光周期反应试验在光照培养箱中进行，分别设置4个温度(21、23、25、27 ℃)和7个光周期(L8∶D16、L10∶D14、L12∶D12、L13∶D11、L14∶D10、L15∶D9、L16∶D8)，共28个处理。将初孵幼虫分别置于不同处理的培养箱内，每处理试虫100头，重复3次，试虫在昆虫饲养盒(Φ6.3 cm×5.3 cm)中饲养，每天定时观察并及时更换人工饲料，统计不同处理下幼虫的发育、化蛹和滞育情况，临界光周期计算参考李文香等(2008)和刘月英等(2015)的方法。

1.2.2 光周期诱导滞育敏感龄期的测定参照上述试验结果，选择23 ℃及光周期L16∶D8和L10∶D14作为敏感龄期测定的条件，在美国白蛾幼虫不同生长发育阶段分别给予长光照L16∶D8(以“L”表示)和短光照L10∶D14(以“S”表示)交替饲养处理。

第1部分试验分为2组。第1组：初孵幼虫先给予短光照(S)处理，之后再给予长光照(L)处理，短光处理从第1龄开始依次增加1个龄期，直至整个幼虫阶段都接受短光照处理；第2组：初孵幼虫先给予长光照(L)处理，之后再给予短光照(S)处理，长光照处理从第1龄开始直至整个幼虫阶段。

第2部分试验分为5组。第1组：幼虫阶段单个发育龄期给予短光照(S)处理；第2组：幼虫阶段相邻2个发育龄期给予短光照(S)处理；第3组：幼虫阶段相邻3个发育龄期给予短光照(S)处理；第4组：幼虫阶段相邻4个发育龄期给予短光照(S)处理；第5组：幼虫阶段相邻5个发育龄期给予短光照(S)处理。

每组处理试虫100头，重复4次。每天定时观察并及时更换人工饲料，统计不同处理下幼虫的发育、化蛹和滞育情况。

1.3 滞育蛹的判定标准

美国白蛾蛹是否滞育参照Gomi(1997)和魏晓棠等(2006)的判别标准，蛹超过30天不羽化即判定为滞育蛹。

1.4 数据分析

采用SPSS 24.0软件进行数据处理和分析，利用Duncan氏新复极差法进行不同处理组间的显著性检验，临界光周期回归方程利用最小二乘法拟合。

2 结果与分析

2.1 滞育诱导的光周期反应

在不同温度处理下，美国白蛾滞育率随光照时间(8～16 h)延长逐渐下降(图1)。光照时间在8～13 h范围内，21和23 ℃条件下美国白蛾滞育率为100%，25和27 ℃条件下滞育率变化不明显，均保持在92%以上。光照时间为14和15 h时，随光照时间延长滞育率明显下降，21 ℃时的滞育率分别为100%和46%，23 ℃时的滞育率分别为90%和23%，25 ℃时的滞育率分别为85.33%和7.67%，27 ℃时的滞育率分别为72%和0(表1)。光照时间为14和15 h时，不同温度条件下美国白蛾滞育率均呈显著性差异；光照时间达到16 h，各温度处理下均无滞育发生，滞育发生与否不再受温度调控。这表明美国白蛾属长光照发育-短光照滞育型昆虫，且光周期是诱导美国白蛾滞育的主导因素。

图1 不同温度下美国白蛾滞育诱导的光周期反应

虽然光周期在美国白蛾滞育诱导中发挥主导作用，但温度在滞育诱导过程中亦发挥重要作用。日光照时间小于13 h或大于16 h，滞育受温度调控程度较小，甚至不受温度调控，但光照时间在13～16 h之间，滞育率随温度降低逐渐升高。光照时间为14 h时，21、23、25和27 ℃条件下的滞育率分别为100%、90%、85.33%和72%，不同温度处理之间差异显著(表1)。光照时间为15 h时，4种不同温度(21、23、25、27 ℃)条件下滞育率依次为46%、23%、7.67%和0，处理间差异达显著水平(表1)。这表明，低温可促进美国白蛾滞育发生，而高温对滞育具有一定抑制作用。

2.2 临界光周期

日光照时间在12～16 h范围内时，美国白蛾滞育率与光照时间呈现出显著相关关系。21、23、25和27 ℃条件下，根据光照时间12～16 h范围内的滞育率，利用SPSS软件获得美国白蛾滞育率与光周期的最佳拟合曲线方程，并计算不同温度下美国白蛾的临界光周期。21、23、25和27 ℃条件下的临界光周期(L∶D)分别为14 h 58 min∶ 9 h 02 min、14 h 45 min∶ 9 h 15 min、14 h 35 min∶ 9 h 25 min、14 h 24 min∶ 9 h 36 min(表2)。这表明，随着温度升高，临界光周期逐渐缩短。

2.3 美国白蛾滞育的敏感龄期

由表3、4可知，美国白蛾幼虫阶段对短光照诱导滞育具有累积效应，仅单一龄期接受短光照并不能诱导其滞育，且不同发育阶段的幼虫对短光照诱导滞育的敏感性存在差异。

表3中处理1—6表明，美国白蛾滞育率与幼虫发育阶段连续接受短光照诱导的时长呈正相关关系，即幼虫发育龄期越大，接受短光照诱导的时间越长，其种群滞育率越高。1～2龄幼虫经连续短光照处理，其滞育率仅为5.70%，1～3龄、1～4龄和1～5龄幼虫经连续短光照诱导，其种群滞育率依次为28.50%、63.40%和100%。由此可见，美国白蛾幼虫发育阶段对短光照诱导滞育具有累积效应，该阶段接受短光照诱导时间越长(幼虫发育龄期越大)，其种群滞育率越高。表3中处理7—12从另一方面进一步证实了该结论，即随着幼虫发育阶段接受长光照处理时间增加，其种群从全部滞育(滞育率为100%)逐渐降低到不滞育(滞育率为0)。

表1 光周期和温度对美国白蛾滞育的影响①

①表中数据为滞育率(平均数±标准误差)Data are diapause rate(mean ±SE).同列数据后不同小写字母、同行数据后不同大写字母表示经Duncan 氏新复极差法检验后差异显著(P≤0.05)Different lowercase letters in the same column or different uppercase letters in the same row indicate significant difference atP≤0.05 level by Duncan’s new multiple range test.

表2 美国白蛾在不同温度下的临界光周期

表3 美国白蛾幼虫不同发育阶段感受长光照和短光照的滞育率①

①L：长光照处理(L16∶D8)；S：短光照处理(L10∶D14)。数据后不同字母表示经Duncan 氏新复极差法检验后差异显著(P≤0.05)，下同。L∶ Long photoperiod treatment(L16∶D8); S∶ Short photoperiod treatment(L10∶D14).Those in the column followed by different letters is significantly different by Duncan’s multiple range test(P≤0.05)，the same below.

表4中处理1—6证实，美国白蛾幼虫仅单一发育龄期给予短光照处理不能诱导其滞育，处理7—11、处理12—15、处理16—18和处理19—20表明，美国白蛾幼虫任意2个及以上连续发育龄期给予短光照诱导均能引起滞育发生，且处理内和不同处理间存在显著性差异。在幼虫连续2个发育龄期接受短光照处理中，处理9(3～4龄)的滞育率最高，为43.11%，处理10(2～3龄)和处理8(4～5龄)的次之，分别为19.70%和18.00%，处理7(1～2龄)和处理11(5～6龄)的滞育率最低。在幼虫连续3个发育龄期接受短光照处理中，处理14(3～5龄)的滞育率最高，为89.67%，处理12(1～3龄)的滞育率最低，为28.50%。在幼虫连续4个发育龄期接受短光照处理中，处理17(2～5龄)种群全部发生滞育(滞育率为100%)，处理16(1～4龄)的滞育率为63.40%。美国白蛾幼虫1～5龄或2～6龄连续5个发育龄期给予短光照处理，其种群均全部滞育。上述研究结果进一步证实，美国白蛾幼虫阶段对光周期诱导滞育具有累积效应，且不同龄期对光周期的敏感性存在显著差异，其中以3～5龄发育阶段的幼虫对光周期诱导滞育最为敏感。

表4 美国白蛾幼虫不同龄期对光周期诱导滞育的敏感性

3 讨论

美国白蛾作为世界性检疫害虫，主要分布在冷热变换明显的北半球温带地区，滞育是其适应这种季节性气候变化的主要机制。同时，美国白蛾作为一种典型的兼性滞育昆虫，其滞育发生主要受环境因子调控，光周期作为诱导其滞育的主要环境因子虽已被前人证实，但幼虫不同发育阶段对光周期诱导滞育是如何反应的、温度在其滞育诱导过程中是否同样发挥重要作用等科学问题至今缺乏系统研究和报道。本研究通过在室内建立美国白蛾滞育诱导体系，系统研究不同光周期和温度组合处理对美国白蛾滞育的影响，结果表明，美国白蛾是典型的长日照发育-短日照滞育型昆虫，幼虫不同发育阶段对光周期的敏感性不同，温度在美国白蛾滞育诱导过程中协同光周期发挥重要作用，但作用程度受光周期影响。

光周期虽是诱导昆虫滞育的主要因子，但温度的调控作用不可忽视。郭建青等(2013)在对亚洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)滞育诱导研究中发现，光周期对玉米螟滞育诱导作用与温度有关，而温度对滞育的影响受光周期调控；刘月英等(2015)研究得出温度和光周期共同影响苹果蠹蛾(Cydiapomonella)滞育；而绿盲蝽(Apolyguslucorum)只有在短光照条件下低温才有利于滞育(卓德干等，2011)。本研究发现，光照时间小于13 h或大于16 h，温度对滞育的影响并不明显，滞育主要受光周期调控；光照时间在13～16 h之间，滞育受光周期和温度协同调控，随温度的升高和光周期增长，其滞育率呈下降趋势，表明温度伴随光周期在美国白蛾的滞育诱导过程中发挥作用，其对滞育的影响会受到光周期调控。刘慧慧(2012)亦通过试验证实光周期是诱导美国白蛾滞育的主要因子，但其认为光照时间在12～15 h范围内，美国白蛾滞育率随温度(20～32 ℃)升高逐渐上升，临界光周期亦随温度升高而延长，此结论与本研究及已有研究结果存在偏差(Gomi，1997；Chenetal.，2014)，其具体原因有待进一步考证。

对光周期诱导滞育的昆虫而言，滞育虫态和滞育敏感虫态因昆虫种类不同存在较大差异，但其感受光周期的敏感阶段在很大程度上都被限制在一个发育阶段(Koštál，2006；孙守慧等，2009)。以胚胎滞育的昆虫，敏感阶段多在母性阶段，如东亚飞蝗(Locustamigratoria)二化性种群中，成虫在长日照下饲养，子代卵正常发育，但若成虫在短光照下饲养，则会诱导其产下滞育卵(Tanaka，1992)；以幼虫或蛹滞育的昆虫，多在幼虫阶段对光周期敏感，如以老熟幼虫越冬滞育的亚洲玉米螟，其敏感阶段为1～3龄(樊永亮等，1994)，以蛹滞育的棉铃虫(Helicoverpaarmigera)，其敏感阶段为幼虫的后2个龄期(Tianetal.，2013)；以成虫滞育的昆虫，其敏感龄期多出现在成虫阶段(薛芳森等，2002)。美国白蛾以蛹滞育越冬，感受光周期的敏感虫态为幼虫期，Masaki 等(1975)推测美国白蛾幼虫的前半期为光周期的敏感期，但并未开展系统研究进行验证，亦没有明确其具体的敏感龄期。潘洪胜等(1992)通过光周期试验证实，美国白蛾幼虫2龄—化蛹、3龄—化蛹阶段连续给予短光照处理可诱导其种群滞育，而幼虫4龄—化蛹、5龄—化蛹阶段连续给予短光照处理则不能引起其种群滞育，与本研究的部分结果一致(表3 处理7—10)。潘洪胜等(1992)基于上述结果，认为美国白蛾幼虫光照敏感期为2～3龄虫期，但并没有开展短光照诱导试验对该结论进行反向验证，亦没有对不同连续发育阶段的美国白蛾幼虫开展系统的光周期诱导滞育试验研究。本研究基于以往研究成果，发现美国白蛾对光周期诱导滞育具有明显的累积效应，且不同发育阶段的美国白蛾对光周期的敏感性存在差异，其中以3～5龄幼虫最为敏感(表4)，该结论对于揭示美国白蛾滞育生物学特性和深入研究其滞育形成机制具有积极意义。