草地贪夜蛾雌性先熟现象的稳定性及影响因素分析

毕思佳, 胡本进, 胡 飞, 徐婷婷, 徐丽娜

(安徽省农业科学院植物保护与农产品质量安全研究所, 合肥 230031)

在昆虫中,雄性先熟(protandry)和雌性先熟(protogyny)分别指成虫羽化时间上雄性和雌性物种的差异(Blanckenhornetal., 2007),由于这两种现象主要是雌雄个体发育历期的差异导致,因此也被统称为发育历期的性二型性。在许多昆虫物种中雄性成虫往往比雌性更早出现,如鳞翅目的多种蝶类及蛾类、双翅目的白纹伊蚊Aedesalbopictus等(Rhaindsetal., 1995; Bellinietal., 2018)。草地贪夜蛾Spodopterafrugiperda是鳞翅目夜蛾科的一种重大迁飞性害虫。笔者前期饲养中发现草地贪夜蛾雌虫总是先于雄虫羽化; Huang 等(2021)的研究也发现,在19, 22, 25, 28和31 ℃ 5种温度下,草地贪夜蛾雌虫羽化总是早于雄虫,但草地贪夜蛾是否属于雌性先熟昆虫目前尚未被明确提出,关于影响该现象的因素也未被进一步探讨。

除了温度,光周期和食物也是影响昆虫生长发育的重要因素。光周期能够调节昆虫羽化、飞行、生殖等多种生理现象(Tsurumakietal., 1999; Blochetal., 2013)。正常光周期下小菜蛾Plutellaxylostella雌性多在暗期羽化,雄性多在光期羽化,但当光周期逆转后,小菜蛾两性羽化没有显著的规律(田厚军等, 2022)。粘虫Mythimnaseparata随着光照时间的减少,幼虫发育速度显著提升,产卵前期显著延长(曹雅忠等, 1997)。棉铃虫Helicoverpaarmigera的羽化高峰总是出现在暗期,且当光周期为长光照(16L∶8D)时,棉铃虫的飞行距离和时间较其他处理显著增加,成虫寿命显著缩短(孙晓婷等, 2019)。草地贪夜蛾在光周期16L∶8D, 14L∶10D, 12L∶12D和8L∶16D时雄蛹历期显著长于雌蛹历期,在光周期12L∶12D, 10L∶14D和8L∶16D 时雄性幼虫-成虫历期也显著长于雌性幼虫-成虫历期(孟令贺, 2021)。不同食物由于自身所含营养物质不同使得昆虫的生长发育、生殖等特征表现出明显的差异(任素丽等, 2018; Zhaoetal., 2019)。李引等(2019)研究发现,小菜蛾取食花椰菜Brassicaoleracea后发育历期最短,存活率最高,而取食小青菜B.chinensis则与此相反。王淑枝等(2021)对草地贪夜蛾的研究也发现,当其以玉米及小麦为食时幼虫存活率达90%以上,发育较好,而以花生和大豆为食时存活率低,发育较差。

然而,这两种因素对草地贪夜蛾雌、雄虫羽化的影响尚未见系统报道。本研究从光周期及食物的改变着手展开研究,以期明确草地贪夜蛾的雌性先熟现象是否稳定存在。此外,草地贪夜蛾具有极强的迁飞性,过去的研究表明迁飞性昆虫往往伴随着初羽化时卵巢发育不成熟的现象(Johnson, 1969; Karlsson and Johansson, 2008),那么草地贪夜蛾的雌性先熟是否是迁飞性昆虫的共性,以及光周期和食物的改变是否会对草地贪夜蛾的卵巢发育造成影响也值得进一步探究。因此本研究选取了同为鳞翅目夜蛾科且具有迁飞习性的粘虫和斜纹夜蛾S.litura,观察这两种昆虫是否也存在雌性先熟现象,同时解剖了不同光周期及食物饲养的草地贪夜蛾雌蛾卵巢,以期从多种角度探索草地贪夜蛾的羽化特性,为后期的精准测报提供新依据和新思路。

1 材料与方法

1.1 材料

供试虫源及食物:试虫为在温度(27±1) ℃、相对湿度65%～85%、光周期14L∶10D条件下以人工饲料连续饲养繁殖多代建立的实验室种群。供试食物包括:玉米,品种为“郑单958”;花生,品种为“潍花8号”,均购于安徽省种子大市场;草地贪夜蛾、粘虫、斜纹夜蛾人工饲料分别参考蒋素蓉和付凤玲(2006)、严珍等(2013)和杨亚军等(2020)的报道。

1.2 草地贪夜蛾在3种光周期下的发育历期和雌性先熟现象的观测

将同批孵化的草地贪夜蛾初孵幼虫单头转入放有人工饲料的养虫盒中,在人工气候箱饲养,温湿度同1.1节,光周期分为16L∶8D, 14L∶10D和8L∶16D 3种条件。分别记录化蛹时间、成虫羽化时间和死亡时间,计算各发育阶段历期,羽化后鉴定性别。每种光周期试虫150头,重复3次。

1.3 取食不同食物的草地贪夜蛾发育历期和雌性先熟现象的观测

将同批孵化的草地贪夜蛾初孵幼虫单头转入养虫盒中,分别以玉米叶片、花生叶片、人工饲料饲养,植物组织饲喂组需每日检查更换新鲜叶片,饲养环境同1.1节,化蛹后的第2天单头称重,羽化后鉴定性别。分别记录化蛹时间、成虫羽化时间和死亡时间,计算各发育阶段历期和幼虫存活率、化蛹率、羽化率。每种食物试虫150头,重复3次。

1.4 光周期和食物对不同日龄草地贪夜蛾卵巢发育影响的测定

将同批孵化的草地贪夜蛾初孵幼虫分别在3种光周期下以3种食物饲养,不同光周期处理中,温度、湿度等其他饲养条件同1.1节,取食不同食物处理的饲养条件同1.1节,待化蛹后每日检查草地贪夜蛾羽化情况,鉴定成虫性别,将雌成虫以5%蜂蜜水单头饲养。分别对不同日龄(初羽化至死亡)雌成虫卵巢逐日解剖,以及解剖第1天羽化至最后1天羽化的雌成虫卵巢,解剖方法参照冯波等(2020)的描述,每个处理解剖10头,记录卵巢等级,发育级别的分级参照赵胜园等(2019)。

1.5 草地贪夜蛾、粘虫、斜纹夜蛾的生长发育和性二型性比较

将草地贪夜蛾、粘虫、斜纹夜蛾同批孵化的初孵幼虫分别单头转入养虫盒中,以人工饲料饲养,饲养环境同1.1节,化蛹后的第2天单头称重,羽化后鉴定性别。分别记录化蛹时间、成虫羽化时间和死亡时间,计算各发育阶段历期。每种试虫150头,重复3次。

1.6 数据分析

使用Excel汇总数据,利用Origin作图,采用SPSS Statistics 17.0计算数据,以平均值±标准误表示,用独立样本t检验和单因素方差分析对各参数进行显著性比较,P<0.05表示差异显著(有统计学意义)。

2 结果

2.1 光周期对草地贪夜蛾发育历期和雌性先熟现象的影响

从表1可以看出,草地贪夜蛾在16L∶8D, 14L∶10D和8L∶16D 3种光周期下均能完成世代发育,且幼虫和蛹的发育速度均随着光照的减少而降低。其中14L∶10D和8L∶16D条件下草地贪夜蛾幼虫历期和蛹历期相近,但均显著长于16L∶8D条件下相同阶段的发育历期(P<0.05)。

表1 3种光周期下雌雄草地贪夜蛾各发育阶段平均历期Table 1 Mean duration of various developmental stages of female and maleSpodoptera frugiperda under three photoperiods

在3种光周期下草地贪夜蛾雌性的成虫前期均极显著短于雄性的(P<0.01),两性蛹历期极显著不同(P<0.01)(表1)。从图1也可以看出,3种光周期下草地贪夜蛾雄成虫均晚于雌成虫出现,羽化后第1天均只有雌成虫出现,雄成虫分别在羽化后第3天(16L∶8D)、羽化后第2天(14L∶10D)、羽化后第3天(8L∶16D)出现。此外,3种光周期下雌成虫的羽化高峰也均明显早于雄成虫的。

图1 3种光周期下草地贪夜蛾每日羽化的雌雄成虫数Fig. 1 Daily numbers of eclosed female and male adults of Spodoptera frugiperda under three photoperiodsA∶ 16L∶8D; B∶ 14L∶10D; C∶ 8L∶16D.

2.2 食物对草地贪夜蛾生长发育和雌性先熟现象的影响

取食不同食物对草地贪夜蛾卵历期和成虫历期没有显著影响(P>0.05);取食玉米叶时,草地贪夜蛾雌、雄幼虫历期和成虫前期均最短,显著短于取食其他两种食物时的(P<0.05),取食花生叶和人工饲料的幼虫历期和成虫前期差异不显著(P>0.05);取食花生叶时,草地贪夜蛾雌性蛹历期最短,取食玉米叶时次之,取食人工饲料时最长,三者间差异显著(P<0.05);雄性蛹历期趋势与雌性相似,但仅在取食花生叶和人工饲料间存在显著差异(P<0.05)(表2)。

表2 取食3种不同食物的雌雄草地贪夜蛾发育历期和蛹重Table 2 Developmental duration and pupal weight of female and male Spodoptera frugiperda fed on three foods

以3种不同食物饲喂的草地贪夜蛾雄性蛹历期均极显著长于雌性的(P<0.01),但只有取食玉米叶和人工饲料的雄性蛹历期、成虫前期和蛹重极显著长(重)于雌性的(P<0.01),且取食玉米叶的雌性成虫历期显著长于雄性的(P<0.05);取食花生叶的雌、雄幼虫历期、成虫前期和蛹重差异均不显著(P>0.05)(表2)。这也与图2的羽化规律相一致,取食玉米叶和人工饲料后,草地贪夜蛾均表现出明显的雌性先熟现象,而取食花生叶后,尽管前3 d雌性羽化数量较雄性多,但差异幅度相对较小,且羽化后第1天就有雄性出现,雌性先熟现象没有取食其余两种食物明显。

图2 取食3种不同食物时草地贪夜蛾每天羽化的雌雄成虫数Fig. 2 Daily numbers of eclosed female and male adults of Spodoptera frugiperda fed on three foodsA: 玉米叶Maize leaves; B: 花生叶Peanut leaves; C: 人工饲料 Artificial diet.

评价草地贪夜蛾取食3种不同食物的适合度发现,取食玉米叶的幼虫存活率最高,显著高于取食人工饲料的(P<0.05),而取食花生叶的幼虫存活率最低,仅为38.96%,显著低于取食其他两种食物时的(P<0.05),且取食3种食物的雌、雄虫在化蛹率和羽化率两方面均差异不显著(P>0.05)。由此推测不适宜的食物会降低草地贪夜蛾幼虫的适合度,并影响雌性先熟现象(表3)。

表3 取食3种不同食物时草地贪夜蛾的幼虫存活率、化蛹率和羽化率Table 3 Larval survival rates, pupation rate and eclosionrate of Spodoptera frugiperda fed on three foods

2.3 光周期和食物对不同日龄草地贪夜蛾卵巢发育的影响

分别对3种光周期及3种食物条件下发育的不同日龄草地贪夜蛾卵巢进行解剖,结果发现光周期和食物的改变对草地贪夜蛾的卵巢发育都没有影响,且无论是羽化前期还是后期,其初羽化时卵巢发育级别都为Ⅰ级乳白透明期(图3: A),羽化后1-2 d 发育为Ⅱ级卵黄沉积期(图3: B),羽化后2-4 d 发育为Ⅲ级成熟待产期(图3: C),羽化后4-6 d 发育为Ⅳ级产卵盛期(图3: D),羽化后6-9 d发育为Ⅴ级产卵末期(图3: E)。

图3 3种光周期及3种食物条件下的草地贪夜蛾卵巢发育级别Fig. 3 Ovarian development levels of Spodoptera frugiperda under three photoperiods and three food conditionsA:Ⅰ级LevelⅠ; B:Ⅱ级Level Ⅱ; C: Ⅲ级Level Ⅲ; D: Ⅳ级Level Ⅳ; E: Ⅴ级Level Ⅴ.卵巢发育级别的分级参照赵胜园等(2019)。The grading of ovarian developmental levels referred to Zhao et al. (2019).

2.4 草地贪夜蛾、粘虫、斜纹夜蛾的生长发育和性二型性比较

从表4可以看出,同草地贪夜蛾一样,粘虫和斜纹夜蛾雌、雄卵历期和幼虫历期均没有显著性差异(P>0.05),而粘虫和斜纹夜蛾的雄蛹历期虽均显著长于雌蛹历期(P<0.05),但不同于草地贪夜蛾,粘虫和斜纹夜蛾的整个成虫前期在雌雄间并无显著差异(P>0.05)。

表4 草地贪夜蛾、粘虫和斜纹夜蛾两性的发育历期和蛹重比较Table 4 Comparison of the developmental duration and pupal weight of female and male Spodoptera frugiperda,Mythimna separata and S. litura

从两性蛹重的比较也能发现,草地贪夜蛾雄蛹重为237.40 mg,极显著高于雌蛹重(216.06 mg)(P<0.01),较雌蛹重增加了9.88%;而粘虫和斜纹夜蛾两性蛹重差异不显著(P>0.05),粘虫雄蛹重甚至略低于雌蛹重(表4)。

从图4可以看出,尽管3种试虫都是迁飞性昆虫,但粘虫和斜纹夜蛾均没有同草地贪夜蛾一样明显的雌性先羽化现象(图4: A)。粘虫羽化后第1天雌雄虫均有出现,且雌性和雄性整个羽化期的趋势较为一致,羽化高峰均为第3天(图4: B);斜纹夜蛾羽化后第1天出现雌雄成虫各1头,第2天雌性呈现小高峰,羽化数量达7头明显多于雄性的1头,但雌性整个羽化期间的波动较小,羽化高峰与雄性相比没有明显的差别(图4: C)。

图4 草地贪夜蛾(A)、粘虫(B)和斜纹夜蛾(C)每日羽化的雌雄成虫数Fig. 4 Daily numbers of eclosed female and male adults of Spodoptera frugiperda (A), Mythimna separata (B)and S. litura (C)

3 讨论

雌性或雄性先羽化,作为昆虫羽化行为节律的一种表现形式,是生物钟调节下的内源性节律,但它也会受到外在条件的影响,例如光周期、温湿度、营养物质等(Saunders, 2002; Tanaka and Watari, 2003)。本研究比较了3种光周期对草地贪夜蛾发育和羽化的影响,结果发现光周期的改变不会影响草地贪夜蛾的雌性先熟现象,其总是呈现雌性先于雄性羽化的规律,但幼虫和蛹的发育速度均随着光照的减少而降低,且两性羽化高峰的间隔略有差异,在光周期16L∶8D和8L∶16D时雌性羽化高峰较雄性提前2 d,在光周期14L∶10D时雌性羽化高峰较雄性提前1 d(图1)。童彦(2012)研究发现,美国白蛾Hyphantriacunea是一种典型的雄性先熟昆虫,在光周期18L∶6D和28 ℃时其雄性羽化高峰均较雌性提前2 d,而在光周期16L∶8D和28 ℃及光周期16L∶8D 和25 ℃时雄性羽化高峰较雌性分别提前3 d和4 d。结合上述结果我们发现光周期会显著影响昆虫的生长发育,虽然其对草地贪夜蛾的雌性先熟没有影响,但可能在一定程度上改变两性羽化时间的差距。本研究主要对常见的3种光周期草地贪夜蛾发育和羽化的影响进行了初步比较,今后还可从全光照或全黑暗等更多光照条件的角度进行探索,进一步明确光周期对草地贪夜蛾羽化模式的影响。

草地贪夜蛾作为一种多食性昆虫,尽管对玉米、小麦等禾本科作物较为偏爱,但在缺乏玉米等寄主条件下也会为害花生、大豆、杂草等作物(Cristinoetal., 2008; 魏向敏等, 2020)。食物植物由于物理结构、营养物质比例及性质等方面的差异对昆虫的生长发育和生殖特性会造成不同程度的影响(成卫宁等, 2006; 李子玲等, 2006)。当昆虫营养缺乏时会出现发育历期延长、翅畸形、体型缩小、死亡率增加等现象,例如Emre和Yazgan(1990)对黑痣瘤姬蜂Pimplaturionellae的研究发现,当食料中缺少烟酸或生物素时,其发育速度显著下降,畸形率增加,产卵量下降。李定银等(2019)研究发现,草地贪夜蛾在玉米上孵化率和存活率最高,在菜豆上最低。本研究也发现,当草地贪夜蛾取食玉米叶时幼虫存活率最高(表3),发育速度最快(表2);取食花生叶时幼虫存活率最低(表3),幼虫发育速度与取食人工饲料的类似,但蛹的发育显著快于取食人工饲料的,这可能由于草地贪夜蛾对花生植物的适生性低,无法获取有效的营养物质,导致蛹期的体型和重量显著下降,蛹历期缩短。此外,本研究还发现,草地贪夜蛾取食花生叶片时表现出的雌性先熟现象没有其余两种食物明显,虽然雌性羽化高峰也早于雄性,但其在羽化高峰日的起伏趋势明显弱于取食其余两种食物,且当草地贪夜蛾以玉米叶和人工饲料为食时,羽化后第1-2天只有雌性出现,而以花生叶为食时羽化后第1天雌雄均有出现(图2)。在取食人工饲料的3种夜蛾科害虫发育比较中发现仅有草地贪夜蛾雌性先羽化(图4),但Li等(2014)报道,取食烟草的斜纹夜蛾具备雌性先羽化现象,这些结果表明食物对昆虫的雌性先熟具有一定的影响,有待深层次探究。

关于两性发育历期的差异许多研究认为与性体型二型性紧密关联,例如哥斯达黎加的Spodopteraalbula雌性幼虫期的发育速度显著慢于雄性,这可能是由于其需要更长的发育时间来获得较大的体型(Montezanoetal., 2013)。在本研究也发现,与雄蛹相比,草地贪夜蛾雌蛹重显著降低(表4),这可能是导致其雌性先于雄性羽化的主要原因。这与陈超等(2012)对棉铃虫的研究结果相似。而本研究中粘虫和斜纹夜蛾的两性蛹期虽然在统计学上蛹重具备显著差异,但差异级别远不如草地贪夜蛾蛹重,且粘虫和斜纹夜蛾两性蛹重差异不显著,即不存在蛹期的性体型二型性,这可能是它们不具备羽化时间差异的一个原因。

在一些雄性先熟的昆虫中雄虫可以在即将羽化的雌虫边等待,做好随时交配的准备,提高交配成功率,使繁殖最大化(郑福山等, 2009)。然而,目前草地贪夜蛾这类羽化模式的成因及其对种群繁殖的影响尚不明确。我们推测可能与其世代重叠现象和迁飞性相关。草地贪夜蛾是繁殖力极强的害虫,其在田间常具有暴发性,可以同时存在不同发育阶段的个体,世代重叠极为严重(王京京等, 2020),雌性的先羽化不仅不会影响草地贪夜蛾的交配,还可以避免近亲繁殖,降低畸形率和死亡率,具备一定的进化意义。此外,草地贪夜蛾是一种典型的迁飞性昆虫,该类昆虫卵巢发育常分为5个等级,初羽化时卵粒尚未成熟,这可以使雌蛾具有更强的迁飞能力,从而应对复杂的环境变化(Rankin and Burchsted, 1992)。在本研究中也发现草地贪夜蛾的卵巢发育情况受外在条件的影响较小,在3种光周期和3种食物条件下初羽化时卵巢始终为未成熟期(图3),这可以使其具备良好的迁飞时长和能力。但在本研究中无论是典型的迁飞昆虫粘虫,还是仅具备迁飞特点的斜纹夜蛾,却均没有呈现明显的雌性先羽化现象,两性的蛹重也不具备显著差异;因此草地贪夜蛾雌性先熟现象的成因和生物学意义有待进一步研究。