堤坝白蚁习性规律及其生物防治技术研究进展

黄求应，李刚华，2，刘 龙，3，高勇勇，4，徐 焕，4，孙鹏东，贾 豹，张 峰，陈龙佳，李明伟，向亚红，雷朝亮

（1.华中农业大学植物科学技术学院，430070，武汉；2.湖北师范大学生命科学学院，435002，黄石；3.河南农业大学植物保护学院，450046，郑州；4.延安大学生命科学学院，716000，延安；5.湖北省水利厅大坝安全监测与白蚁防治中心，430064，武汉；6.湖北水总水利水电建设股份有限公司，430070，武汉）

“千里之堤，溃于蚁穴”。白蚁作为世界性五大害虫之一，对水利工程安全运行存在严重威胁。这种危害极大的“无牙老虎”在合适的温湿环境下，对各种土木结构类建筑尤其是传统土石坝形成了强大破坏力。由于水利工程及周边潮湿温暖的气候和丰富的食物为白蚁提供了得天独厚的生存环境，它们在堤坝内筑巢，快速繁殖，修筑四通八达的蚁道，有些蚁道甚至穿越堤坝的内外坡。一旦水位上涨，易导致渗漏、跌窝、滑坡等险情，甚至可能酿成崩堤垮坝的灾难。2023 年6月13日水利部印发的《水利工程白蚁防治工作指导意见》明确提出水利工程白蚁防治原则之一为“科技赋能、绿色安全”。白蚁等害堤动物的危害具有隐蔽性、反复性和长期性，深入了解堤坝白蚁的繁育生物学特征、觅食策略和定向行为机制，对摸清堤坝白蚁危害形成的原因以及研发绿色高效的生物防治技术具有重要意义。

一、堤坝白蚁的繁育生物学特征

1.堤坝白蚁品级分化与巢友识别机制

我国危害堤坝的主要白蚁种类为土白蚁属和大白蚁属，主要有黑翅土白蚁、黄翅大白蚁、海南土白蚁、囟土白蚁等物种。这些堤坝白蚁巢群中均有不同品级的个体和精细化的分工，这也是堤坝白蚁群体繁盛的重要原因。品级分化是社会性昆虫与独居昆虫的重要区别之一。然而，对于白蚁品级分化机制的研究目前还较为有限。2014年以来，华中农业大学白蚁习性规律与绿色防治课题组选择严重危害堤坝的黄翅大白蚁作为研究对象，综合运用比较转录组学、质谱多反应监 测（Multiple Reaction Monitoring，MRM）、RNA 干扰（RNA interference，RNAi）和动物行为记录分析系统（EthoVision）等现代生物技术，行为分析等现代生物技术，开展了高等白蚁品级分化机制的研究，结果证明了差异表达基因、基因共表达、可变剪切、保幼激素和5-羟色胺等生物因子在调控黄翅大白蚁生殖类和非生殖类未成熟品级分化中发挥着重要作用。这一研究成果不仅有助于解析高等白蚁品级分化的调控机制，而且对于丰富社会性昆虫的品级分化理论具有重要意义。

巢友识别是指社会性昆虫识别同巢个体的能力，是维持巢体和谐运行、抵御外敌入侵、保护巢体资源的必要过程。然而，对白蚁同巢个体识别内在机制的研究并不多见，尤其是气味识别和神经递质相关基因是否影响巢友识别尚不清楚。本文作者曾选择黑翅土白蚁作为研究对象，采用分子生物学和行为学方法，证明了喂食抗生素（氨苄青霉素和四环素）以及敲减基因Orco（嗅觉共同受体基因，Olfactoryreceptor co-receptor）和5-HTT（5-羟色胺转运体基因，5-HT Transporter）的表达量可以改变黑翅土白蚁的巢友识别能力。气味识别基因和神经递质转运体基因表达的改变导致了黑翅土白蚁同巢个体间出现攻击行为（撕咬）和威胁行为（抖动和后退）。这项研究为揭示高等白蚁的巢友识别机制奠定了工作基础，并为开发堤坝白蚁行为调控剂提供了新思路。

2.堤坝白蚁巢群繁育结构的分子鉴定

黑翅土白蚁和黄翅大白蚁等堤坝白蚁的危害具有隐蔽性、长期性和反复性特点，其筑巢和掘道都在地下进行，觅食行为也有泥被泥线遮盖，这使得它们的生物学特性难以被轻易弄清。例如一定区域内不同位置的觅食工蚁归属于哪些巢群，巢群密度是多少，巢群的觅食范围有多大；又如，在一定区域内由原始蚁王蚁后控制的巢群或由补充型生殖蚁控制的巢群的比例是多少，巢群中生殖蚁的数量和亲缘关系如何，以及不同地区种群的繁育系统有何差异，这些问题的研究和解决对有效防治堤坝白蚁具有重要指导意义。

微卫星标记（Microsatellite Marker）作为分子遗传标记之一，具有多态性和杂合度高、稳定性和重复性好、呈孟德尔共显性遗传等优点，已在昆虫学研究中得到广泛应用。由于微卫星分子标记能避开白蚁隐蔽习性产生的诸多困难，已被国内外学者用于研究白蚁的生物学和种群遗传结构。本文作者在国内率先通过微卫星分子标记技术对严重危害堤坝的黑翅土白蚁的繁育结构进行了研究，首次开发出9个多态性好、可用于黑翅土白蚁分子鉴定的微卫星位点。研究结果发现，来自不同省份（广东、江西和湖北）的黑翅土白蚁种群存在遗传分化，但种群间的遗传距离却出奇地小（FST：0.03~0.08）；尽管地理距离相隔300~800 km，但相互之间基因流动却相当大。与散白蚁和家白蚁相比，黑翅土白蚁种群内的遗传多样性较低（等位基因丰富度：5.1~6.3）。

白蚁家庭繁育结构主要包括3 种类型：由一对蚁王蚁后控制的巢群为简单家庭，由3 头以上补充型生殖蚁（都是同一对蚁王蚁后的后代）控制的巢群为扩大家庭，由3 头以上生殖蚁（至少有2 头是没有亲缘关系的同一性别的生殖蚁）控制的巢群为混合家庭。本文作者对危害堤坝林木防护林的黑胸散白蚁进行了巢群繁育结构分析，发现在4 个种群（长沙种群、重庆种群1、重庆种群2、黄冈种群）中，扩大家庭（73.91%）的比例最高，其次为简单家庭（20.29%）和混合家庭（5.80%）。长沙种群的大多数简单家庭由近亲繁殖蚁组建，重庆种群1 的大多数简单家庭由远亲繁殖蚁组建，黄冈种群的简单巢群由上述两种类型的繁殖蚁共同组建。4 个种群的扩大巢群均由小于10 头补充型繁殖蚁组建，而重庆种群2 中的混合巢群属于多蚁后巢群。

3.堤坝白蚁多蚁后巢群的遗传机制

繁殖（繁衍后代延续种族）是动物种群形成、发展和进化的核心问题。在社会性昆虫白蚁中，繁殖是由生殖品级（蚁王和蚁后）来完成的，一个灵活多变的繁殖体系和该体系中各种类型生殖蚁的繁殖能力是巢群稳定和发展的基础，也是白蚁巢群向外扩散和传播的基础。白蚁繁殖体系中除了传统的一王一后外，在许多白蚁种类中还发现一王多后、多王多后的现象。这些多蚁后的巢群不仅是一头蚁后死亡后风险最小化的生存策略，而且赋予巢群更高的存活率、繁殖力和扩散速度。了解这些多蚁后繁殖体系和繁殖生物学的特征有助于深入了解巢群生存和扩张机制，对开展堤坝白蚁的有效防治具有重要意义。

本文作者在堤坝和林地采样过程中，发现在自然界中采集到黄翅大白蚁多蚁后巢群的概率较高。如在江西省抚州市林地中，多蚁后巢体比例高达70%。多蚁后巢群相对于单蚁后巢群，其个体数量更多，能形成的主巢更大，对堤坝的危害更大。而黄翅大白蚁多蚁后巢体中繁殖蚁的来源与遗传关系却一直没有研究报道。鉴于此，本文作者采用微卫星技术，测定黄翅大白蚁多蚁后巢体中蚁王与蚁后的基因型，分析蚁王与蚁后以及蚁后之间的遗传关系。测定多蚁后巢体中兵蚁、工蚁和若蚁（或有翅蚁）的基因型并进行遗传分析，确定了子代个体的蚁后归属；综合蚁后的子代数量、体征及其与蚁王的遗传关系等指标，揭示黄翅大白蚁巢群中蚁王对蚁后交配权的分配机制。研究结果有助于理解多蚁后巢体对白蚁种群扩大与繁衍的生物学意义，并为堤坝白蚁防治提供科学依据。

二、堤坝白蚁的觅食策略

1.能量水平对堤坝白蚁觅食行为的影响

觅食行为是昆虫等动物维持个体和群体发展的基础行为，而堤坝白蚁的觅食行为表现出更多的复杂性与多样性。黑翅土白蚁的觅食工蚁会向外建造辐射性蚁道，通过不断延长主蚁道和使用取食环扩大觅食范围。黄翅大白蚁的大工蚁外出觅食时会同小兵蚁一起排成纵队进行活动。堤坝白蚁自身的能量水平可以影响其群体的觅食策略。如在黑翅土白蚁中，沉默异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate Dehydrogenase，IDH）基因导致觅食工蚁能量水平降低，白蚁为了响应自身能量水平的下降，在降低运动活性的同时会尽力增加其觅食成功率。此外，外部环境可以通过改变白蚁脑部的能量水平进而影响其觅食行为。捕食性蚂蚁和白蚁同巢兵蚁的同时存在使白蚁觅食工蚁的腺嘌呤核苷三磷酸（Adenosine Triphosphate，ATP）显著下降，IDH活性显著增加。这表明当白蚁受到捕食性蚂蚁的威胁时，它们的大脑可能更倾向于一种低效率但更快捷的ATP生成途径，用以满足觅食行为的高能量需求。同时，黑翅土白蚁在觅食过程中遭遇捕食性天敌后，其同巢兵蚁的存在可以缓解天敌带来的捕食压力，这对觅食工蚁准确找到食物至关重要。由此可见，堤坝白蚁的觅食工蚁可以通过调整自身的能量供应及增加外部同巢兵蚁数量来共同缓解捕食压力和保证觅食的成功率。

2.嗅觉神经对堤坝白蚁觅食行为的影响

在觅食过程中，白蚁个体之间需要通过严密的信息交流才能协作完成觅食活动，其中包括食物寻觅、定位、定性和定量以及召集同巢个体进行觅食等。例如，觅食工蚁会释放踪迹信息素协调多头白蚁的活动，从而吸引更多的觅食工蚁发现食物来源，完成群体觅食过程。在很多白蚁物种中已经发现，白蚁会依靠踪迹信息素进行运动，从而表现出明显的踪迹追寻行为。研究还发现，0.1 pg/cm 的踪迹信息素可以显著增加黑翅土白蚁觅食工蚁的运动距离和速度，但其运动转角和角速度却显著降低，表明踪迹信息素的存在使觅食工蚁的运动变得更有方向性和规律性。已有研究发现，神经肽信号系统参与调控昆虫的嗅觉感受。在黑翅土白蚁中，神经肽Y（Neuropeptide Y，NPY）与嗅觉共受体Orco共同作用参与调控工蚁的觅食行为。沉默NPY导致觅食工蚁的Orco表达量显著降低，嗅觉感知能力显著减弱，进而降低白蚁的运动活性和觅食成功率。在不同的捕食压力下，NPY介导的嗅觉识别受损白蚁的觅食成功率显著下降；踪迹信息素和同巢兵蚁的存在均可以缓冲捕食性天敌给工蚁带来的觅食压力，从而提高工蚁的觅食成功率。

三、堤坝白蚁的定向行为机制

1.踪迹信息素对堤坝白蚁的定向作用

踪迹信息素在白蚁外出觅食和归巢定向中起关键作用，白蚁觅食行为是一种群体行为，受踪迹信息素调节，腹板腺是白蚁踪迹信息素的唯一来源，踪迹信息素可被白蚁用来开拓新的食物源。在开放区域，达尔文澳白蚁（Mastotermesdarwiniensis）无法识别人工蚁道的踪迹信息素，但使用“T”形行为选择装置对白蚁进行生物测定，白蚁会优先选择含有踪迹信息素的一端。因此，白蚁踪迹信息素在白蚁觅食和归巢定向过程中起关键作用。Orco在白蚁感受踪迹信息素过程中发挥着关键作用，而且Orco在不同物种之间高度保守，其与嗅觉受体（Olfactory Receptor，OR）形成异源四聚体（Orco-OR），发挥门控离子通道的作用。因此，嗅觉共受体Orco功能缺失会导致嗅觉受体OR介导的气味感受功能受损。沉默黑翅土白蚁的Orco 基因后会增加同巢工蚁之间的攻击行为和威胁行为。沉默黑翅土白蚁的Orco基因后，黑翅土白蚁对踪迹信息素的识别能力显著降低，而且它们也无法正常沿踪迹信息素线行走。因此，沉默Orco基因会破坏白蚁嗅觉系统进而影响白蚁对踪迹信息素的识别。

2.地磁场对堤坝白蚁的定向作用

在自然界中有许多昆虫（如白蚁、蚂蚁、蜜蜂、红火蚁和帝王蝶等）都可以感应地磁场。澳洲磁白蚁通过感应地球磁场来建造巢穴，在室内通过人工模拟改变磁场方向，白蚁巢穴的建造方向及构造也会发生变化。华中农业大学白蚁习性规律与绿色防治课题组最近研究发现，黑翅土白蚁和黑胸散白蚁在地磁场和强磁场（0.1 mT）中均有显著的定向行为，但在消除水平分量磁场中两种白蚁的定向行为消失，这说明水平分量的磁场信息影响白蚁的定向行为。进一步结果显示，当水平分量磁场方向相对于地磁场方向旋转90°或180°时，两种白蚁的定向角度也都相对于地磁场方向旋转约90°或180°。因此，堤坝白蚁和其他社会性昆虫蚂蚁、蜜蜂等一样可以利用地磁场进行定向导航。

尽管在行为学上已经证明很多动物可以感应地磁场，但是有关动物的磁感应机制尚无定论。在光照条件下，通过沉默黑翅土白蚁和黑胸散白蚁的蓝光受体蛋白Cry2基因后，两种白蚁在地磁场中的定向行为消失，同时两种白蚁的运动转角和角速度均显著增加，证明了黑翅土白蚁和黑胸散白蚁磁感应过程都需要光的参与，因此支持光依赖自由基对磁感应假说。此外，黑翅土白蚁和黑胸散白蚁在完全黑暗条件下也存在磁感应行为，使用振动样品磁强计对黑翅土白蚁和黑胸散白蚁样品进行磁性颗粒检测，发现两种白蚁样品均具有明显闭合的磁滞回线，说明白蚁体内含有磁性颗粒。利用脉冲磁场对两种白蚁处理后，黑暗条件下两种白蚁在地磁场中的定向行为消失，但光照条件下两种白蚁在地磁场中却仍然有显著的定向行为。这揭示了两种白蚁在光照条件下利用Cry2 磁感应机制来进行磁定向，而在黑暗中利用磁铁矿颗粒磁感应机制来进行磁定向。

四、堤坝白蚁的生物防治技术

弄清白蚁习性规律有助于针对性地开展堤坝白蚁防治工作。例如，发现昆虫储存蛋白（Hexamerin）基因在白蚁品级分化中发挥重要作用，通过沉默该基因可以诱发工蚁向兵蚁分化并导致白蚁死亡。此外，本文作者在研究堤坝白蚁巢友识别机制的基础上，通过靶向白蚁肠道微生物、嗅觉受体以及神经递质，导致白蚁无法正常识别巢友，破坏巢内社会分工，进而瓦解巢群的正常运行。由此可见，研究堤坝白蚁习性规律对研制绿色高效的堤坝白蚁防治技术具有指导意义。

1.堤坝白蚁习性与昆虫致病微生物的关系

堤坝白蚁巢内种群数量虽多，但其严格的品级分化导致只有少数白蚁享有生殖特权。当少数生殖蚁（特别是蚁王）死亡时，整个巢群随之崩溃。因而，在了解白蚁习性规律的基础上，如何利用其习性规律进行白蚁防治是一项重要研究内容。昆虫致病微生物众多，例如1 g土壤常含有几亿到几十亿个微生物，其中不乏一些昆虫致病微生物（例如昆虫致病真菌绿僵菌）。这些昆虫致病微生物在杀死宿主后数量呈指数型增长，宿主尸体可作为新的传染源向周围扩散。堤坝白蚁巢群位于微生物群落丰富的土壤和腐木中，因而在其觅食、筑巢过程中极易接触致病微生物。此外，白蚁繁育空间较为拥挤，种群密度大，个体之间接触频繁，并且由于“一王一后”或“一王多后”的繁育特点，子代亲缘关系近，巢内遗传多样性低。这些特点导致一些昆虫致病微生物在白蚁巢内极易流行暴发。当少数生殖品级感染致死时，整个白蚁巢群将随之崩溃和死亡。

2.利用金龟子绿僵菌防治堤坝白蚁可行性分析

金龟子绿僵菌是一种应用十分广泛的昆虫致病真菌，在绿色防控鳞翅目、鞘翅目、膜翅目、同翅目等害虫中发挥重要作用，是目前应用最成功、最经济、最广泛、最安全的生物防治制剂之一。华中农业大学白蚁习性规律与绿色防治课题组在白蚁抵御绿僵菌免疫策略以及如何打破白蚁社会免疫机制方面取得了突破性进展，为高效利用绿僵菌防治堤坝白蚁奠定了非常好的工作基础。在理想条件下，金龟子绿僵菌成功入侵白蚁巢群需要经历5 个关键步骤：①外出觅食、筑巢和巡逻时，白蚁从外界环境中接触绿僵菌繁殖体（例如孢子和菌丝），作为感染个体携带绿僵菌进入副巢；②进入副巢后，绿僵菌与巢内白蚁进行一系列适应性斗争，成功逃脱白蚁行为免疫和生理免疫后，绿僵菌孢子在白蚁巢内定殖；③利用巢内白蚁亲缘关系近、接触频繁的生物学特点，绿僵菌从感染个体传播到易感个体，在副巢内部迅速扩散；④利用巢体之间白蚁的交流活动，绿僵菌从感染副巢传播到易感副巢；⑤绿僵菌最终进入主巢，杀死蚁王和蚁后，导致整个白蚁巢群崩溃和死亡。

3.限制堤坝白蚁野外生物防治效果的因素

致病微生物杀灭白蚁的效果受环境因素（如温度、湿度、二氧化碳浓度、酸碱度等）影响较大。例如白蚁巢内二氧化碳浓度较高，对绿僵菌的生长具有抑制作用。此外，白蚁是一种社会性昆虫，能够依赖其复杂的巢群体系，利用行为免疫和生理免疫共同抵御致病微生物的侵染，这种群体免疫策略被称为“社会免疫”。例如，白蚁通过相互理毛行为清理染菌同伴白蚁体表病原微生物，同时在同伴白蚁体表涂抹杀菌物质从而抑制致病微生物的生长。白蚁还会通过吃掉垂死个体、死亡的新鲜白蚁尸体或者掩埋腐烂的白蚁尸体阻止致病微生物的生长和扩散。当致病微生物成功侵入白蚁血腔时，昆虫体内模式识别受体识别病原相关分子模式（如肽聚糖、脂多糖和β-1，3-葡聚糖），随后通过激活细胞免疫（细胞吞噬、包囊作用和黑化反应）和体液免疫（分泌抗菌肽和抗菌蛋白）消灭病原微生物。另外，致病微生物还会分泌毒素破坏白蚁免疫系统和组织器官，白蚁通过激活体内解毒系统（细胞色素P450、谷胱甘肽S 转移酶）和抗氧化系统（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶）清除体内毒素。这些免疫策略成为限制野外白蚁生物防治效果的关键因素。

4.堤坝白蚁生物防治技术的发展前景

堤坝白蚁巢群独特的社会防御体系导致白蚁生物防治的发展一度陷入停滞。这可能是因为：①化学农药经济便宜、药效快，人们更加喜欢使用传统化学防治方法防治白蚁，思想观念有待转变；②随着全球气候变暖，白蚁活动区域北移，一些地方易将白蚁和蚂蚁混淆，缺乏对于白蚁及其生物学特征的认知；③即便知道白蚁的存在，由于白蚁活动隐蔽，不易被发现，造成白蚁危害长期被忽略；④白蚁生物防治技术是一种新兴事物，前期研究和推广投入较大，需要国家和学者们的长期重视和坚定支持。

RNAi 技术可以特异性沉默功能基因和蛋白。在害虫防治领域，RNAi 相关制剂（例如dsRNA 和siRNA）专一性强，对环境友好，作为一种新型的害虫防治策略被科学家广泛关注。本文作者对堤坝白蚁行为进行研究时发现，将细胞色素P450 等相关基因dsRNA 加入黑翅土白蚁的纤维素饵剂（例如滤纸）中，白蚁取食处理的饵剂后体内相关基因表达和蛋白功能被显著抑制。该研究表明RNAi 相关制剂能够应用于堤坝白蚁防治并发挥重要抑制作用。此外，该课题组通过行为学、解剖学、分子生理生化等相关技术首次发现白蚁巢内存在类似“人痘接种”的主动免疫策略——易感白蚁通过清理染菌白蚁体表绿僵菌孢子获得低剂量孢子，低剂量孢子不足以杀死白蚁，但是能够激活白蚁体内免疫系统，提高易感白蚁抗菌能力；随后利用蛋白质组学技术，筛选出一系列与白蚁主动免疫相关蛋白，这为利用RNAi 打破白蚁免疫分子功能、提高白蚁生物防治效果奠定了坚实基础。2019 年至今，本文作者先后获得IDH-alpha、SelT、TG和PFK等10余种免疫相关蛋白及其RNAi抑制剂。这些RNAi 抑制剂能够显著降低白蚁防治抗菌活性，感染金龟子绿僵菌后白蚁死亡率显著上升，相关生物防治成果已成功授权多项国家发明专利。除了RNAi相关制剂，有研究报道证明了减少白蚁肠道微生物群落能够显著提高白蚁对金龟子绿僵菌的敏感度。通过筛选出一些低成本抗生素成功减少了黑翅土白蚁肠道的微生物群落，从经济实用上进一步推动了堤坝白蚁生物防治技术的发展。因此，利用昆虫致病微生物是行之有效的，金龟子绿僵菌防治堤坝白蚁具有很大的发展前途。