变温与持续低温冷暴露对红棕象甲成虫耐寒性的影响

万 婕, 阎 伟, 刘 丽, 李朝绪,

黄山春1, 马子龙3, 覃伟权1*

(1.中国热带农业科学院椰子研究所, 文昌 571339; 2. 海南大学环境与植物保护学院, 海口 571737; 3. 中国热带农业科学院热带生物技术研究所, 海口 571101)



变温与持续低温冷暴露对红棕象甲成虫耐寒性的影响

万 婕1,2, 阎 伟1, 刘 丽1, 李朝绪1,

黄山春1, 马子龙3, 覃伟权1*

(1.中国热带农业科学院椰子研究所, 文昌 571339; 2. 海南大学环境与植物保护学院, 海口 571737; 3. 中国热带农业科学院热带生物技术研究所, 海口 571101)

为明确变温低温与持续低温对红棕象甲成虫耐寒性的影响,探索不同低温环境与红棕象甲成虫冷伤害之间的关系,将红棕象甲成虫进行以下两种处理:(1)持续暴露在0、5、10与15 ℃；(2)雌雄成虫每日暴露于28 ℃ 2 h后再分别置于以上低温下饲养,对两组试虫的死亡率及过冷却点分别进行统计与测定。结果表明:0 ℃低温环境下交替暴露于冷伤害修复温度与低温环境可增强试虫冷伤害修复作用；10 ℃与15 ℃低温环境下交替暴露于冷伤害修复温度与低温环境会削弱试虫冷伤害修复作用；此外,两种处理方式下,雌成虫的过冷却点相较于空白组均呈下降趋势。

红棕象甲; 变温低温冷暴露; 持续低温冷暴露; 冷伤害

红棕象甲[Rhynchophorousferrugineus(Oliver)]属于鞘翅目(Coleoptera)象甲科(Curculionidae),是我国重要的林业检疫性害虫[1],主要为害棕榈科植物,其经济破坏性、传播性、危险性都很大[2]。该虫在海南1年发生3～5代,发育起点温度为17.41 ℃[3]。红棕象甲首次发现于印度南部,随后迅速扩散至整个印度[4],现在亚洲[5-7]、欧洲[8]、北美[9]等地区均有该虫为害记录。从其扩散历史可以看出:红棕象甲出现了明显向北扩散的现象,且目前已突破北回归线23.5°N[10],在我国最北端为害记录在上海市(≈31°N)[5,11]。昆虫是变温动物,其种群的扩散及季节发生动态都与其耐寒性密切相关[12],要明确红棕象甲在不同地理纬度种群的发生动态并提前做好预警措施,预测其向北扩散的潜在区域,首先应充分了解其耐寒性。

自然界中温度的波动显而易见,在研究昆虫耐寒性时,变温环境对昆虫耐寒性影响相较于持续低温环境对昆虫耐寒性影响,同样是需要重点考察的方面。早在1989年Bale就提出,评价昆虫在低温下的存活能力应综合持续低温冷暴露与变温冷暴露试验的结果[13],而大多数昆虫低温冷驯化试验都是暴露于一个恒定低温环境下进行,这直接导致了评价昆虫在气温多变环境中的种群动态指标的不客观性[14-17]。在变温环境下的昆虫耐寒性研究,是为了揭示昆虫在应对自然降温时,其行为上的耐寒策略与生理上的耐寒机制。理论上,低温和较高温度的交替环境相较于持续低温环境存在一个“冷伤害修复”的时间间隔,一定程度上可以提高昆虫在低温冷暴露下的存活率。但目前许多研究表明,这样的“冷修复”作用在不同低温下的变温环境,产生的修复效果不同,存在正向和负向的效果。如Coulson和Bale[18]曾报道在-5 ℃与10 ℃交替变化的冷暴露下,山毛榉跳象(RhynchaenusfagiL.)的存活率较-5 ℃持续低温冷暴露下的存活率高,但却明显低于10 ℃下的存活率;Nedved[19]与Hanc[20]分别报道，与持续低温冷暴露相比较,循环低温暴露能有效提高跳虫(OrchesellacinctaL.)与始红蝽(PyrrhocorisapterusL.)的存活能力,但也有相反情况。因此,在研究变温环境对昆虫耐寒性影响时,首先应明确不同低温和较高温度交替环境对昆虫冷伤害修复作用的影响,这样,不仅有助于进一步探讨昆虫在不同降温系统中的耐寒机制,而且有利于昆虫冷驯化试验中有效驯化温度的选取。

昆虫耐寒性是昆虫长期进化出的一种抵抗外界环境的适应性特征[12],短时间内很难模拟,而耐结冰型(freeze-tolerance)昆虫相较于寒冷敏感型(chill-susceptible),不仅在昆虫适应性进化中耐寒机制更为复杂,难以研究,而且不易于实验室内模拟；寒冷敏感型昆虫可通过实验室内人工处理获得,人为可塑性较强,一定程度上可实现重塑昆虫耐寒性的目的。如Kostal等曾发表过关于黑腹果蝇(Drosophilamelanogaster)的耐寒性由寒冷敏感型人为转变成耐结冰型[21],为昆虫耐寒性研究开辟了另一新领域。鞠瑞亭认为上海地区红棕象甲耐寒性属寒冷敏感型[11]。本研究表明,海南省红棕象甲耐寒性指标与上海地区红棕象甲耐寒性指标存在差异,如海南红棕象甲早期卵的过冷却点(SCP)均值为(-26.19±0.28)℃(未发表数据),而上海红棕象甲为-5.92 ℃[11];海南红棕象甲卵期冷暴露72 h对应的Ltemp50为17.798 ℃(未发表数据),而上海红棕象甲为1.61 ℃[11]。寒冷敏感型昆虫最明显的特征是SCP值与致死低温之间差距较大,SCP对其耐寒性无任何有效的指示作用[22],因此对比以上两者耐寒性指标的差异不难发现,海南红棕象甲耐寒性较上海红棕象甲弱,且耐寒对策为更加典型的寒冷敏感型,耐寒性可塑性更强。

相较于幼虫或卵,红棕象甲成虫在面临外界环境温度的变动时,不论在行为上或生理上,都进化出了更加复杂的适应性特征,且成虫作为主要的越冬虫态之一[3],其是否能顺利越冬是决定下一季节该虫种群成活与否的关键。因此,考察变温与持续低温冷暴露下红棕象甲成虫耐寒性的差异是探讨该虫耐寒性研究的重要组成部分,亦是预测该虫自然种群应对不同低温环境时种群数量波动的一个有效指标。

1 材料与方法

1.1 虫源

将雌雄成虫分为两组,组1用于雌雄成虫持续低温冷暴露试验,其试虫于2012年10月-2013年1月(越冬期间)在海南省文昌市文昌椰子大观园内,利用聚集信息素引诱法[23]收集；组2用于雌雄成虫变温低温冷暴露试验,其试虫于2013年10月-2014年1月,采用与组1相同的收集方法在相同的地点收集。

1.2 试验方法

某些昆虫暴露于其有效发育温度下会导致体内的冷伤害[24]。而对于大部分热带昆虫,0 ℃以上的低温亦能对其造成死亡[25]。因此,本试验选取0、5、10、15 ℃作为试验处理温度。为排除试虫肠道内含物对过冷却点测定的影响[22],所有试虫均饥饿1 d后再进行试验。低温处理在恒温低温冰箱(容声冰箱, BCD-212YM/T-CC)中进行。所有试虫分为2组,组1试虫分别持续暴露于0、5、10 ℃与15 ℃下；组2试虫先置于28 ℃下处理2 h,再分别置于0、5、10 ℃与15 ℃下处理22 h。每日观察并统计组1、组2试虫死亡率,并采用Logistic回归分析分别计算不同低温处理下对应的半致死时间LT50,试验重复3次,组1每次处理雌、雄虫各20头,组2每次处理雌雄虫各10头；随后选取不同低温下处理LT50后仍存活的个体,采用热电偶法[26]对其SCP进行测定。检验试虫是否存活的方法为:经处理的试虫置于室温下恢复1 d后,用针头刺激试虫体表,虫体可继续爬行或出现四肢颤抖现象则视为存活。组1、组2及空白组在存活的幼虫中分别挑选雌雄成虫各10头进行SCP值测定。

1.3 数据处理

采用Probit回归分别拟合不同低温处理下试虫死亡率与时间的关系并计算相应的LT50;采用非参数检验Kruskal-Wallis对组1、组2及空白组的试虫SCP进行比较。所有数据均采用SPSS 17.0进行处理。

2 结果与分析

2.1 变温冷暴露与持续低温冷暴露对红棕象甲雌雄成虫LT50的影响

不论持续低温环境或者变温低温环境,红棕象甲雌雄成虫的半致死时间LT50均随冷暴露温度的上升而增加,且雌成虫LT50均高于雄成虫(图1)。其中,雌成虫15 ℃下持续暴露的LT50最大,为856.23 h,0 ℃下雄成虫持续暴露的LT50最小,为11.87 h;雌、雄成虫持续暴露于0 ℃的低温环境的LT50均小于0 ℃与28 ℃交替变温环境下试虫的LT50,与持续低温冷暴露相比,0 ℃与28 ℃交替变温冷暴露延长了雌雄成虫的LT50,增强了其耐寒性;但这样的变化趋势在10 ℃时出现转折,10、15 ℃与28 ℃交替变温冷暴露下，雌、雄成虫的LT50均小于相同条件下持续低温暴露雌雄成虫的LT50,表明,较温和低温下(10 ℃、15 ℃)的变温处理并未延长雌雄成虫的LT50,相反缩短了其LT50。

图1 不同低温处理对红棕象甲成虫半(数)致死时间的影响Fig.1 Effects of different low-temperature regimes on the LT50 of female and male adults of Rhynchophorous ferrugineus

2.2 变温冷暴露与持续低温冷暴露在不同低温下对红棕象甲雌雄成虫SCP的影响

持续低温冷暴露、变温冷暴露与空白组间个体SCP分布存在差异；空白组中,雌成虫SCP值均低于雄成虫SCP值,但经过冷驯化以后,持续低温冷暴露及变温冷暴露处理的雌、雄成虫的SCP值相比较于空白组试虫均出现了不同程度的下降,且持续低温冷暴露处理的雌、雄成虫SCP均低于变温冷暴露处理的雌、雄成虫SCP；随着驯化温度的上升,变温低温处理下,随着低温处理温度的升高,雄虫的SCP逐渐降低,并最终低于雌虫的SCP。但在持续低温处理下,只在0～10 ℃范围内,雄虫的SCP逐渐降低,而15 ℃处理下,雄虫的SCP高于雌虫。

图2 不同低温处理LT50后红棕象甲存活个体的过冷却点均值Fig.2 Average supercooling points of surviving female andmale adults of Rhynchophorous ferrugineus from different low-temperature regimes

3 结论与讨论

3.1 变温与持续低温冷暴露对红棕象甲雌雄成虫耐寒性的影响

低温环境下昆虫的存活率是时间与温度交互影响的结果[27-29]。0 ℃对红棕象甲雌雄成虫而言属胁迫低温,持续暴露于0 ℃,雌、雄成虫均在短时间(12.11、11.87 h)内造成50%个体死亡；随着暴露低温的上升,持续低温与变温环境下雌雄的LT50均呈上升趋势。此外,与Hanc和Nedved报道的结果[20]相似,低温与一个相对较高的温度交替环境对昆虫的冷伤害在不同低温之间存在“正向”与“负向”修复作用。0 ℃胁迫低温与一个相对较高的温度(本试验设置为28 ℃)交替,可确保试虫每日在这个相对较高温度获得一定时间(2 h)的冷修复机会,进而抵消掉一部分冷伤害作用,延长了试虫的LT50,即产生了“正向”作用；但这个“正向”的冷伤害修复作用并不随暴露低温的上升而增强,而是逐渐转变为“负向”作用。在变温冷暴露试验中,雌、雄成虫的LT50并没有随冷暴露温度的提高而增加,在10、15 ℃(22 h)与28 ℃(2 h)交替变温环境下,雌、雄成虫LT50均低于其在持续低温(10、15 ℃)暴露下LT50。LT50的增加与减少直接反映了昆虫耐寒性的增强或减弱,由此看出较温和低温下的变温冷暴露甚至会削弱试虫的耐寒性。产生这一现象的原因可能是:持续低温冷暴露对昆虫的冷伤害作用是累积的,虽然期间会伴随着昆虫体内蛋白质的变性以及膜脂相的转变[30-31],但长期的变温冷暴露最终还是会导致昆虫死亡；即便存在一个冷伤害修复温度,也不能从根本上恢复昆虫正常的生理状态,更甚者或许会加速昆虫的死亡速率。Cardoso就假设若要减少变温条件下冷驯化对生物体的伤害程度,条件必须是短时间的变温冷暴露[32]。不论变温冷暴露或持续低温冷暴露,雌虫的LT50均大于相同环境下雄虫的LT50,且经持续低温冷暴露和变温低温冷暴露处理后存活雌、雄成虫的SCP出现波动。结果表明,红棕象甲雌、雄成虫耐寒性存在差异,雌虫略高于雄虫；SCP对红棕象甲雌雄成虫耐寒性具有某种程度的指示作用。

3.2 红棕象甲雌雄成虫SCP与其耐寒性的关系

SCP值的降低是某些昆虫冷驯化后的特征之一,是昆虫应对极端低温时,为避免体内结冰进化出的一类抗寒方式[33]。虽然对寒冷敏感型昆虫，SCP值对其耐寒性的指示作用不大,但作为评价昆虫耐寒性的重要方式之一,SCP一直受到研究者们的普遍重视[22]。本试验中,不论变温或持续低温冷暴露后,存活试虫的SCP均下降,这也许可以看作试虫应对低温胁迫时,生理上的一种适应性调整,但又因理论上寒冷敏感型昆虫耐寒性与SCP之间较弱的关联性,研究者们常常会忽视SCP的改变及其背后隐藏的生态学、生物学、生理学等研究意义。昆虫耐寒性本是一门及其复杂的科学,至今,寒冷敏感型昆虫的耐寒机制仍未被人们全面了解,而对昆虫耐寒对策的定义及划分仅根据个别单一耐寒指标未免过于片面,且自然界中不少昆虫存在采取综合耐寒策略适应寒冷环境的现象[34]。红棕象甲成虫属甲虫类,具一定飞行能力,面临胁迫低温时可自主躲避,但不论行为上或生理上的“抗寒反应”都是应对外界环境长期进化的结果。本试验中得出的结果表明:红棕象甲雌雄成虫在经不同低温处理后,存活个体的SCP下降。要解释其中的原因,或深入分析试虫SCP与其耐寒性之间的关联性,还需进一步开展细胞或分子水平的研究。

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(责任编辑：杨明丽)

Effects of fluctuant and constant low-temperature exposure on the cold hardness of the adults of the red palm weevilRhynchophorousferrugineus

Wan Jie1,2, Yan Wei1, Liu Li1, Li Chaoxu1, Huang Shanchun1, Ma Zilong3, Qin Weiquan1

(1.Coconut Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wenchang 571339, China; 2. College of Environmental and Plant Protection, Hainan University, Haikou 571737, China; 3.Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101, China)

To understand the effect of fluctuant and constant low-temperature exposure on the cold hardness of adult of red palm weevilRhynchophorousferrugineus(Oliver), and investigate the relationship between different low-temerature exposure regimes and the cold injuries on insects, (1) theR.ferrugineuswas constantly exposed to 0, 5, 10 and 15 ℃ without any interruption, respectively, this is for constant low-temperature exposure experiment; (2)TheR.ferrugineuswas exposed to 28 ℃ for 2 h then exposed at the four low temperatures (0 ℃, 5 ℃, 10 ℃ and 15 ℃, respectively) for the rest of 22 h,this is for fluctuant low-temperature exposure experiment. Mortality was calculated daily and the supercooling point (SCP) of survivedR.ferrugineuswas determined. The results showed that alternative exposure to 28 ℃ and 0 ℃ could enhance the repairing of cold injury, while the alternative exposure to 28 ℃ and 10 ℃ or 15 ℃ decreased the repairing of cold injury. Variation of SCPs existed between control group and treatment groups suggested that SCPs ofR.ferrugineuswere decreased after LT50of exposing to each low temperature.

Rhynchophorousferrugineus; fluctuant low-temperature exposure; constant low-temperature exposure; cold injury

2014-04-19

2014-07-24

海南省重点科技计划项目(ZDXM20120030, ZDXM20130049)；海南省自然科学基金(311091)

Q 965

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.04.028

* 通信作者 E-mail：qwq268@163.com