短時極端高溫對松毛蟲赤眼蜂成蟲致死作用及子代適合度的影響

劉詩萌，周金成，何 玥，許竟文，董 輝

(沈陽農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，沈陽 110161)

近年來，全球氣候變暖導致極端氣候事件發(fā)生的頻率和強度逐漸增加(IPCC, 2007)。其中，極端高溫事件嚴重影響了世界上許多高產(chǎn)作物種植區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(Taschettoetal., 2009)。田間溫度的變化不僅會對作物生長產(chǎn)生影響，也影響著天敵的控害能力(Gilmanetal., 2010; Diehletal., 2013)。與其它昆蟲相比，寄生性天敵昆蟲不僅要應(yīng)對溫度變化的直接影響，還要應(yīng)對溫度變化影響下寄主質(zhì)量的變化對其造成的間接影響(Stiremanetal., 2005; 潘飛等, 2014; 陳麗芳等, 2015; Hanceetal., 2015)。寄生蜂對環(huán)境的適應(yīng)能力直接決定了其在田間的控害能力(Thomsonetal., 2010)。因此，通過探究短時極端高溫對寄生蜂的影響，將為溫度波動條件下寄生性天敵產(chǎn)品在田間的應(yīng)用提供重要參考。

一般而言，高溫對昆蟲的負面影響主要表現(xiàn)為兩種形式，即致死作用和非致死作用。對寄生蜂而言，短時極端高溫對其致死作用主要表現(xiàn)在瞬時致死和延遲致死兩方面，瞬時致死主要指短時高溫對個體的瞬時擊倒致死能力，表現(xiàn)為高溫對當前發(fā)育階段的瞬時致死率(馬罡和馬春森, 2016)。而延遲致死主要表現(xiàn)在高溫處理后對不同發(fā)育階段或子代的致死作用，如子代蜂羽化率下降等(Potteretal., 2000; 杜堯等, 2007)。有研究表明，以38℃高溫處理阿里山潛蠅繭蜂Fopiusarisanus成蟲2.5 h，成蟲存活率低于60%，子代羽化率低于30%(郭俊杰, 2013)。39℃高溫處理螟黃赤眼蜂Trichogrammachilonis成蟲2 h后，其死亡率高達60%以上(吳靜, 2008)。松毛蟲赤眼蜂Trichogrammadendrolimi蛹經(jīng)歷40℃以上高溫處理后，其羽化率顯著降低(曲忠誠等, 2010)。除了致死作用外，短時極端高溫還會導致寄生蜂個體適合度發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為發(fā)育延緩、壽命縮短、雄蜂精子活力降低、雌蜂不育、繁殖力下降、雌性比降低等方面(Klockmannetal., 2017a, 2017b)。例如，39℃下處理2 h后，椰甲截脈姬小蜂Asecodeshispinarum寄生率下降了40%，子代羽化率和雌性比也顯著降低(金化亮等, 2010)。研究表明，高溫脅迫處理斑痣懸繭蜂Meteoruspulchricornis幼蟲后，其子代蜂幼蟲發(fā)育歷期延長，成蟲體型減小(孟倩等, 2017)。另一研究發(fā)現(xiàn)，以32℃處理玉米螟赤眼蜂Trichogrammaostriniae后，有6.7%的雌蜂不產(chǎn)卵，而當溫度升至35℃時，有60%的雌蜂不能進行正常的生殖活動(陳科偉等, 2006)。因此，在研究短時極端高溫對寄生蜂的影響時，需要從多個方面綜合評價。

松毛蟲赤眼蜂Trichogramnadendrolimi屬赤眼蜂科Trichogrammatidae赤眼蜂屬Trichogramma。該蜂是鱗翅目害蟲的重要卵期寄生性天敵，在生物防治上應(yīng)用范圍最廣(Smith, 1996; 武琳琳, 2014; 張俊杰等, 2015)。在我國東北地區(qū)，玉米螟、黏蟲、棉鈴蟲等鱗翅目害蟲常發(fā)生于夏季作物生長時期(趙培偉, 2015; 張行國等, 2017)。因此，7、8月份的盛夏時期是田間釋放赤眼蜂防治鱗翅目害蟲的最佳時期(張國紅等, 2014; 劉秀軍, 2018)。中國北方和南方7月至8月的日最高氣溫可達到38℃甚至更高(Zhouetal., 2018)。田間由于太陽的直射，氣溫可較當?shù)仄骄鶜鉁馗?℃左右(Zhangetal., 2013)，最高可達到42℃。然而，以往的研究多關(guān)注于恒定高溫對赤眼蜂的影響(李瑩等, 2013; 朱文雅等, 2016; Tianetal., 2017)，雖然一些研究也探究了短時極端高溫對赤眼蜂生長發(fā)育的影響(陳科偉等, 2006; 曲忠誠等, 2010)，但短時極端高溫對不同性別赤眼蜂及其交配和生殖的影響仍缺乏較詳細的調(diào)查。

為探究短時極端高溫對松毛蟲赤眼蜂的影響，本試驗選取42℃高溫處理不同性別松毛蟲赤眼蜂成蟲0.5 h和1 h，以25℃恒定常溫條件為對照，統(tǒng)計并觀測了各處理條件下母代蜂存活率、繁殖力、子代蜂壽命、羽化率、性比和畸形率。研究結(jié)果將為夏季松毛蟲赤眼蜂的田間應(yīng)用技術(shù)提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試松毛蟲赤眼蜂由沈陽農(nóng)業(yè)大學植物保護學院害蟲生物防治實驗室提供，于通用環(huán)境實驗箱(25±1℃, RH65%±5%, 光周期L ∶D=16 ∶8)內(nèi)飼養(yǎng)。以新鮮米蛾Corcyracephalonica卵為中間寄主，在室內(nèi)繁育20代以上。

1.2 方法

本研究采用不平衡試驗設(shè)計，預(yù)設(shè)2種處理因素：(1)短時高溫處理時間(處理0.5 h和1 h)和(2)高溫處理方式(處理雄蜂、處理雌蜂和處理雌、雄蜂)，兩因素共組合成6種處理組合。同時設(shè)置以25℃恒定常溫飼養(yǎng)的赤眼蜂成蜂作為各處理組合的統(tǒng)一對照組。

為防止雌、雄蜂交配，試驗預(yù)先將待羽化的被寄生米蛾卵單卵切下后單管單卵培養(yǎng)。待赤眼蜂羽化后24 h內(nèi)，解剖鏡下鑒定成蟲性別。高溫處理前2 h，提供10%蜂蜜水補充營養(yǎng)。試驗將雌、雄蜂各分為3組，1組在常溫下飼養(yǎng)作為對照組，另兩組分別置于42℃條件下處理0.5 h和1 h。處理結(jié)束后，各組雌、雄蜂進行配對，組合成 7組處理：①雌蜂和雄蜂均不經(jīng)歷高溫的對照組(25/25℃)；②雌蜂不經(jīng)歷高溫而雄蜂經(jīng)歷高溫(25/42℃)，雄蜂處理0.5 h；③雌蜂不經(jīng)歷高溫而雄蜂經(jīng)歷高溫(25/42℃)，雄蜂處理1 h；④雌蜂經(jīng)歷高溫而雄蜂不經(jīng)歷高溫(42/25℃)，雌蜂處理為0.5 h；⑤雌蜂經(jīng)歷高溫而雄蜂不經(jīng)歷高溫(42/25℃)，雌蜂處理為0.5 h；⑥雌、雄蜂均經(jīng)歷高溫(42/42℃)，雌、雄蜂處理0.5 h；⑦雌、雄蜂均經(jīng)歷高溫(42/42℃)，雌、雄蜂處理1 h。每處理組合設(shè)30對雌、雄蜂配對重復。

本實驗高溫處理均在42℃通用環(huán)境實驗箱(42±1℃, RH65%±5%, 光周期L ∶D=16 ∶8)中進行。除高溫處理外，整個飼養(yǎng)過程均在常溫條件下的通用環(huán)境實驗箱(25±1℃, RH65%±5%, 光周期L ∶D=16 ∶8)中進行。

配對后的雌、雄蜂充分交配2 h后，移除雄蜂。雌蜂每日供以足量米蛾卵的卵卡(1 cm×2 cm, 150±50粒米蛾卵)，并喂食10%蜂蜜水，直至雌蜂死亡。將更換下的卵卡放入新的指型管中飼養(yǎng)，直至子代蜂羽化。統(tǒng)計各雌蜂的繁殖力(總寄生卵數(shù))、壽命。子代羽化后，統(tǒng)計子代羽化率(羽化出蜂數(shù)/總寄生卵數(shù))、子代雄性比(雄蜂數(shù)/羽化數(shù))。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗采用雙因素方差分析，檢驗不同高溫處理時間和處理赤眼蜂性別對成蟲瞬時存活率的影響。

雌、雄蜂配對后，試驗各高溫處理組合均以同一組常溫處理雌、雄蜂配對處理作為統(tǒng)一對照。采用卡方檢驗(Chi-square test)分析了不同短時極端高溫處理時間對雌、雄蜂死亡率的影響。采用預(yù)設(shè)比較組的單因素方差分析，檢驗了短時極端高溫處理時間和配對方式對雌蜂壽命、繁殖力、子代雄性比、子代畸形率的影響。采用Duncan氏檢驗對不同處理組合下的實驗指標進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 短時極端高溫對雌、雄蜂致死作用

不同短時高溫處理對雌、雄蜂的致死作用存在顯著影響。與對照相比，短時高溫處理雌、雄蜂致死率顯著降低。42℃處理0.5 h的雌、雄蜂存活率顯著高于處理1 h雌、雄蜂存活率(表1)。

表1 42℃處理0.5 h和1 h對雌、雄蜂死亡率的影響

2.2 短時極端高溫對雌蜂繁殖力的影響

不同處理組對雌蜂繁殖力存在顯著影響(χ2=311.93, df=6,P<0.001)(圖1)。與對照相比，高溫處理的雌蜂繁殖力顯著下降(z=-9.184,P<0.001)。處理0.5 h的雌蜂繁殖力顯著高于處理1 h的雌蜂(z=10.875,P<0.001)。此外，高溫處理雌蜂的繁殖力顯著低于與高溫處理雄蜂交配的雌蜂繁殖力(z=-4.135,P<0.001)。

圖1 不同處理組對雌蜂繁殖力的影響Fig.1 Effects of different treatments on adult fecundity of Trichogramma dendrolimi注：“42/25”，雌蜂經(jīng)歷而雄蜂不經(jīng)歷高溫；“25/42”，雌蜂不經(jīng)歷高溫而雄蜂經(jīng)歷高溫；“42/42”，雌蜂和雄蜂均經(jīng)歷高溫；“25/25”“CK”，雌、雄蜂均不經(jīng)歷高溫的對照組。誤差柄表示標準誤差。紅色三角符號表示平均值。不同小寫字母表示不同處理時間下雌蜂繁殖力在0.05水平下的差異顯著性。下圖同。“*”、“**”和“***”分別表示P<0.05，P<0.01和P<0.001，代表不同短時高溫處理分別與對照組間的差異顯著性。Note: “42/25”, females were exposed to heat while males were not. “25/42”, males were exposed to heat while females were not. “42/42”, both females and males were exposed to heat. “25/25” “CK”, both females and males were not exposed to heat. The errorbars indicated the standard errors. The red triangles indicated the mean. Different lowercase letters indicated significant differences between different treatment time at the level of 0.05. “*”, “**”, and “***” means “P< 0.05”, “P< 0.01”, and “P< 0.001”, respectively, and indicated significant differences between different treatment groups. The same below.

2.3 短時極端高溫對子代羽化率的影響

不同處理組對松毛蟲赤眼蜂子代羽化率存在顯著影響(χ2=79.563, df=6,P<0.001)(圖2)。與對照相比，高溫處理后的子代羽化率顯著下降(z=-5.665,P<0.001)。42℃處理0.5 h的赤眼蜂子代羽化率顯著高于42℃處理1 h的子代羽化率(z=8.446,P<0.001)。

圖2 不同處理組對子代羽化率的影響Fig.2 Effects of different treatments on emergence rate of Trichogramma dendrolimi offsprings

2.4 短時極端高溫對子代性比的影響

不同處理組對松毛蟲赤眼蜂子代雄性比有顯著影響(χ2=211.75, df=6,P<0.001)(圖3)。與對照相比，高溫處理的子代雄性比顯著上升(z=7.033,P<0.001)。42℃處理0.5 h的子代雄性比顯著低于42℃處理1 h的雌蜂(z=-7.646,P<0.001)。與高溫處理雄蜂交配的雌蜂子代雄性比顯著高于與正常雄蜂交配的雌蜂子代雄性比(z=-4.978,P<0.001)。

圖3 不同處理組對子代雄性比的影響Fig.3 Effects of different treatments on male ratio of Trichogramma dendrolimi offsprings

2.5 短時極端高溫對松毛蟲赤眼蜂子代畸形率的影響

不同處理組對松毛蟲赤眼蜂子代畸形率有顯著影響(χ2=25.516, df=6,P<0.001)(圖4)。與對照相比，高溫處理的子代畸形率顯著上升(z=0.543,P<0.001)。

圖4 不同處理組對子代畸形率的影響Fig.4 Effects of different treatments on aberrantion rate of Trichogramma dendrolimi offsprings

2.6 短時極端高溫對子代雌蜂壽命的影響

不同處理組對子代雌蜂壽命有顯著影響(χ2=25.516, df=6,P<0.001)。高溫處理后，雌蜂壽命顯著下降(z=-7.646,P<0.001)(圖5)。

圖5 不同處理組對子代雌蜂壽命的影響Fig.5 Effects of different treatments on survivorship of Trichogramma dendrolimi adults

3 結(jié)論與討論

短時高溫對松毛蟲赤眼蜂的負面影響主要表現(xiàn)為致死作用和非致死作用兩種形式。在本試驗中，較長時間的高溫處理會導致瞬時致死率和延遲致死率升高。這與大多數(shù)研究結(jié)果相符，陽任峰(2013)發(fā)現(xiàn)，隨著短時高溫處理時間的延長，麥長管蚜Sitobionavenae死亡率上升。廖懷建(2014)探究了高溫熱激對稻縱卷葉螟Cnaphalocrocismedinalis的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷高溫后的成蟲所產(chǎn)卵的孵化率顯著低于未經(jīng)高溫處理的成蟲所產(chǎn)的卵。一般而言，昆蟲對其體溫存在調(diào)節(jié)，但當高溫脅迫超過其體溫調(diào)節(jié)能力范圍后，則表現(xiàn)出代謝紊亂，各項生理指標失調(diào)，主要表現(xiàn)為體內(nèi)失水、細胞結(jié)構(gòu)改變、體內(nèi)酶失活等方面，進而導致昆蟲死亡(杜堯等, 2007)。

本研究還發(fā)現(xiàn)短時高溫下雄蜂的瞬時死亡率顯著高于雌蜂。這與一些前人研究結(jié)果相符，顧祥鵬(2019)發(fā)現(xiàn)瓜實蠅Bactroceracucurbitae雌成蟲對短時高溫脅迫的耐受性稍強于雄成蟲。朱紹光等(2010)探究短時高溫對Q型煙粉虱Bemisiatabaci的影響時也得出相似結(jié)果。

研究還發(fā)現(xiàn)，短時極端高溫會降低松毛蟲赤眼蜂的子代適合度。當高溫處理不同性別的成蜂并以不同組合配對時，對其子代適合度的影響不同。

對雌蜂而言，高溫處理雌蜂將導致其壽命縮短、繁殖力下降，子代蜂畸形率增加。這與前人的大多數(shù)研究相符，Sorensen(2005)和Gruntenko(2003)研究表明高溫導致雌成蟲停止分泌蛻皮激素和保幼激素,進而阻礙了生殖細胞的成熟、抑制卵黃合成，造成了繁殖力的降低。賈向風(2014)研究表明桃小食心蟲Carposinaniponesis雌成蟲經(jīng)歷短時高溫后，其卵巢發(fā)育受到抑制，卵巢管長度和卵巢鮮重下降，進而造成產(chǎn)卵量與卵的孵化率顯著下降。本研究推測，高溫導致赤眼蜂雌蜂生殖能力的衰退可能與生殖器官功能障礙有關(guān)，尚需展開更深入的調(diào)查。高溫處理雄蜂則導致子代蜂雄性比顯著上升。一般認為，赤眼蜂的性別由其胚胎染色體的倍性決定，雙倍體受精卵發(fā)育成雌性，而未受精卵則發(fā)育為雄性(潘雪紅, 2007)。因此，高溫處理雄蜂可能導致雄蜂精子活力降低，進而在交配時與雌蜂受精不完全或精子功能發(fā)生障礙，進而導致子代雄性比升高。David(2005)研究也發(fā)現(xiàn)極端高溫會造成多種雄性果蠅Drosophilaspp.不育。葉恭銀(2000)和廖懷建(2014)研究均表明高溫會造成雄蟲精子生長受阻、活力減弱，精子數(shù)量明顯下降。這些證據(jù)表明，精子活力降低導致子代卵受精不充分可能是子代雄性比例升高的原因，但這一假設(shè)仍需要更為深入的研究進行證明或證偽。

在中國以及世界的農(nóng)作物種植區(qū)，夏季田間短時極端高溫現(xiàn)象越來越普遍，本試驗的研究結(jié)果表明短時極端高溫將造成赤眼蜂死亡，適合度下降，進而影響其對鱗翅目害蟲的防控效果。另一方面，短時極端高溫在赤眼蜂的室內(nèi)繁育、儲藏、運輸過程中也有可能發(fā)生，這種短時極端高溫不僅會導致赤眼蜂死亡，也會導致赤眼蜂生殖功能發(fā)生障礙，導致雌蜂繁殖力下降，子代雄性比例升高，使赤眼蜂質(zhì)量下降，進而影響其田間實際控害效果。本研究揭示了短時極端高溫對赤眼蜂的潛在負面影響，研究結(jié)果將對溫度影響下的赤眼蜂生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控及其田間應(yīng)用提供重要借鑒。