高温胁迫下二化螟不同龄期幼虫生理指标的响应

杨 眉， 孙富余， 李志强， 刘欣宇， 于凤泉

[1.辽宁省农业科学院植物保护研究所，辽宁沈阳 110161； 2.中国农业大学有机循环研究院(苏州)，江苏苏州215100]

温度是影响昆虫生长发育、繁殖及分布的重要环境因素之一，同时也会诱发昆虫体内的生理反应[1]。高于昆虫生存的最佳温度将引起生物体的热应激反应，在热应激反应下，昆虫体内会产生过量的活性氧(ROS)，这将对昆虫造成氧化损伤[2]。为应对ROS可能造成的损伤，生物体已经进化出了复杂的ROS清除保护机制，其中最关键组成部分即抗氧化酶[3]，主要的抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)[4]。SOD能够将ROS催化为H2O2和O2，随后H2O2将被CAT和POD转化为H2O和O2，进而解除ROS对生物体可能产生的危害[5]。同时，当遭遇高温时，昆虫采用降低自身含水量的方式来降低体表及体内温度，从而降低高温的伤害[6]。昆虫体内的脂肪和糖原在遭遇高温时，也会起到保护体内细胞物质并调整代谢的作用。

二化螟[Chilosuppressalis(Walker)]属鳞翅目螟蛾科，是对我国水稻危害最为严重的常发性害虫之一，在我国各稻作区均有分布，其中长江流域及以南的稻作区发生尤为严重[7]。二化螟幼虫对温度的适应性较强，其幼虫在10～40 ℃的温度条件下均可在一定程度上进行发育，最适宜的发育温度在27 ℃左右[8-9]。随着全球气候变暖，双季稻种植区的范围正在以每年200 m的速度逐步向北扩大[10]，而南方稻作区的极端温度也频频发生，夏季的最高气温常出现超过40 ℃的现象[11]。当前，关于低温环境对二化螟幼虫生长发育的影响已经有较多报道[12-14]，针对高温环境对二化螟幼虫影响的报道大多关注于发生、生长繁殖、热应激蛋白及基因表达方向[15-17]，而关于高温胁迫对于二化螟幼虫体内相关生理指标的研究却未见专门的详细报道。

本研究测定了二化螟在高温胁迫下体内SOD、CAT、POD的活性变化以及水分、脂肪、总糖的含量变化，进而明确二化螟幼虫对极端高温环境的适应性，为研究该害虫的生态适应性评价及对其分布扩张趋势分析提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究于2021年在辽宁省农业科学院植物保护研究所进行。供试二化螟虫源于辽宁省东港市新兴区土房北村水稻田采集，置于恒温光照培养箱中用水稻植株继代饲养，温度设定为28 ℃，每日光照时间16 h、黑暗时间8 h，保持所饲养的种群数不少于2 000头。待新一代二化螟卵孵化后，参照GB/T 15792—2009《水稻二化螟测报调查规范》中的规定将二化螟幼虫进行分龄[18]，每个龄期选取200头幼虫作为供试样本，并及时将当时龄期的幼虫分布置于27、30、33、36、39、42 ℃的条件下处理 4 h，每个处理进行4次重复，每个重复50头。根据幼虫可否协调运动作为判断活虫鉴别的标准，将活虫置于液氮速冻后保存于-80 ℃备用。

1.2 测定项目与方法

采用烘干法(60 ℃，48 h)测定二化螟幼虫的含水量；采用索氏抽提法[19]测定二化螟幼虫的脂肪含量；采用蒽酮法[20]测定二化螟幼虫的总糖含量；采用分光光度法[21]测定二化螟幼虫SOD、CAT及POD的活性。

1.3 数据处理

利用Excel 2019软件对原始数据进行统计；利用DPS 13.5软件对试验数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫下二化螟不同龄期幼虫的含水量

水分是昆虫体内各种生化反应与代谢的溶质，当温度上升时，昆虫会通过调节自身含水量来应对高温造成的损害[22]。由图1可知，在适宜二化螟幼虫生长发育的温度(28 ℃)下，低龄幼虫的含水量明显高于高龄幼虫。随着温度的提升，各龄幼虫的含水量呈明显下降趋势，在相同的温度下，低龄幼虫的含水量呈现出高于高龄幼虫的态势。当温度为42 ℃时，1～6龄幼虫的含水量相对于28 ℃时分别下降了14.13%、14.98%、14.23%、14.23%、13.70%和16.21%。

2.2 高温胁迫下二化螟不同龄期幼虫的脂肪含量

温度升高导致的热应激反应将会影响昆虫体内的脂肪含量[23]。由图2可知，在适宜二化螟幼虫生长发育的温度(28 ℃)下，低龄幼虫的脂肪含量明显低于高龄幼虫。随着温度的提升，各龄幼虫的脂肪含量呈先上升后下降的趋势。当温度≤33 ℃时，随着温度的上升，各龄期幼虫的脂肪含量呈明显上升趋势；当温度高于33 ℃时，随着温度的上升，各龄期幼虫的脂肪含量呈明显下降趋势。温度为33 ℃时，各龄期幼虫的脂肪含量均达到最高水平，相对于28 ℃时分别提升了10.94%、9.34%、7.32%、11.60%、10.50%和11.91%；当温度为42 ℃时，各龄期幼虫的脂肪含量分别下降了33.75%、33.46%、28.98%、30.51%、25.74%和27.06%。

2.3 高温胁迫下二化螟不同龄期幼虫的总糖含量

糖分能够在恶劣的环境条件下保护昆虫体内的蛋白质分子，维持昆虫的生命过程[23]。由图3可知，在适宜二化螟幼虫生长发育的温度(28 ℃)下，低龄幼虫的总糖含量明显高于高龄幼虫。随着温度的升高，各龄幼虫的总糖含量呈先上升后下降趋势。当温度≤36 ℃时，随着温度的上升，各龄期幼虫的总糖含量呈明显上升趋势；当温度>36 ℃时，随着温度的上升，各龄期幼虫的总糖含量呈明显下降趋势。温度为36 ℃时，各龄期幼虫的总糖含量均达到最高水平，相对于28 ℃时分别提升了22.24%、15.05%、25.93%、39.93%、63.62%和79.21%；当温度为42 ℃时，各龄期幼虫的总糖含量分别下降了30.17%、31.49%、27.45%、41.07%、45.51%和40.28%。

2.4 高温胁迫下二化螟不同龄期幼虫的SOD活性

由图4可知，在适宜二化螟幼虫生长发育的温度(28 ℃)下，低龄幼虫的SOD活性明显低于高龄幼虫。随着温度的提升，各龄幼虫的SOD活性呈先上升后下降趋势。当温度≤36 ℃时，随着温度的上升，各龄期幼虫的SOD活性呈明显上升趋势；当温度>36 ℃时，随着温度的上升，各龄期幼虫的SOD活性呈明显下降趋势。温度为36 ℃时，各龄期幼虫的SOD活性均达到最高水平，相对于28 ℃时分别提升了121.40%、46.97%、61.16%、33.22%、65.49%和54.62%；当温度为42 ℃时，各龄期幼虫的SOD活性分别下降了38.01%、15.00%、5.69%、36.34%、10.26%和18.05%。

2.5 高温胁迫下二化螟不同龄期幼虫的CAT活性

由图5可知，在适宜二化螟幼虫生长发育的温度(28 ℃)下，低龄幼虫的CAT活性明显低于高龄幼虫。随着温度的提升，各龄幼虫的CAT活性呈先上升后下降趋势。当温度≤36 ℃时，随着温度的上升，各龄期幼虫的CAT活性呈明显上升趋势；当温度>36 ℃时，随着温度的上升，各龄期幼虫的CAT活性呈明显下降趋势。温度为36 ℃时，各龄期幼虫的CAT活性均达到最高水平，相对于28 ℃时分别提升了82.09%、84.76%、84.19%、93.29%、79.70%和88.39%； 当温度为42 ℃时，各龄期幼虫的CAT活性相对于36 ℃时有所下降，但仍高于 28 ℃ 时的CAT活性，分别升高了23.69%、15.38%、46.07%、28.30%、45.28%和55.77%。

2.6 高温胁迫下二化螟不同龄期幼虫的POD活性

由图6可知，在适宜二化螟幼虫生长发育的温度(28 ℃)下，低龄幼虫的POD活性明显低于高龄幼虫。随着温度的提升，各龄幼虫的POD活性呈先上升后下降的趋势。当温度≤36 ℃时，随着温度的上升，各龄期幼虫的POD活性呈明显上升趋势；当温度>36 ℃时，随着温度的上升，各龄期幼虫的POD活性呈明显下降趋势。温度为36 ℃时，各龄期幼虫的POD活性均达到最高水平，相对于28 ℃时分别提升了45.13%、72.78%、83.53%、89.86%、73.59%和74.18%；温度为42 ℃时，各龄期幼虫的POD活性相对于 28 ℃ 时有所下降，分别降低了25.44%、24.62%、3.59%、3.18%、1.52%和3.70%。

3 讨论与结论

二化螟是我国稻作区危害最为严重的农业害虫之一，随着全球气候变暖的日益加剧，二化螟的分布、发生及生长发育等都将发生一系列变化。当前关于温度对二化螟影响的研究大多集中在低温对其生长的影响，强承魁等的研究表明，在低温胁迫下，二化螟体内的水分、脂肪及总糖含量等生理指标均显现出了明显的变化以应对低温对自身造成的损害[12]。关于高温胁迫对昆虫生理的影响，崔娟等证明了筛豆龟蝽成虫通过提升体内抗氧化酶的活性、总抗氧化能力以应对高温环境[24]。目前关于二化螟幼虫在高温胁迫环境下的响应机制研究报道尚缺少。本研究发现，在幼虫含水量方面，二化螟幼虫的含水量同样随着温度的上升而下降，且在同等高温环境下，高龄幼虫的含水量普遍高于低龄幼虫，这表明二化螟幼虫会采取降低自身含水量的方式来应对出现的高温环境。本研究同时发现，二化螟幼虫的脂肪和总糖含量在高温环境下均呈现先上升后下降的趋势，这是因为温度变化引发了昆虫体内脂肪与糖分的合成与消耗。与本研究结果有所不同的是，陈红松研究发现，广聚萤叶甲经40～44 ℃的持续高温胁迫后，体内脂肪和糖的含量随温度的升高呈先降低后升高趋势[25]，这可能是与选择的试验温度有关。

高温胁迫通常会引起昆虫幼虫体内ROS过量产生，SOD、CAT及POD在清除幼虫体内过量ROS的过程中有着不可或缺的作用。本研究发现，随着温度的上升，二化螟幼虫体内的3种抗氧化酶的活性均呈现先上升后下降的趋势，其中的关键温度为36 ℃，当温度高于36 ℃时，3种抗氧化酶活性均开始呈现下降趋势，这说明二化螟幼虫对高温环境胁迫的耐受性有一定的范围，在一定的范围内，3种抗氧化酶的活性将提高以清除ROS造成的危害，但超过这一范围后，3种抗氧化酶的活性将受到抑制。李志明等研究发现，椰心叶甲啮小蜂体内CAT、POD活性与温度呈现先上升后下降的趋势[26]，本研究结果与之一致。SOD、CAT及POD在生物抵抗外界胁迫时通常表现为协同作用，正如本研究的结果表明，同一龄期幼虫处于同一高温胁迫时，SOD的活性表现为最高，其次为POD，CAT的活性最低，说明在抵抗环境高温所造成的氧化胁迫时，3种抗氧化酶的贡献率为SOD>POD>CAT。

本研究中，二化螟幼虫通过调节自身含水量、脂肪含量、总糖含量以及3种抗氧化酶的活性来应对热胁迫所产生的危害，进而对环境高温产生一定的适应性。从研究结果来看，高温对二化螟低龄幼虫会产生一定的不利影响，但对中高龄幼虫的不利影响有限。