高溫天數(shù)和吡蟲啉互作對麥長管蚜世代內(nèi)與世代間生態(tài)表型的影響

曹俊宇，孫東寶，趙 飛

(1.呂梁學(xué)院生命科學(xué)系，山西呂梁 033000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院，農(nóng)業(yè)有害生物綜合治理山西省重點實驗室，山西太原 030031；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；4.山西壽陽旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究站，山西壽陽 031700)

麥長管蚜Sitobionavenae是重要的全球麥類害蟲之一，生活周期短、繁殖能力強，爆發(fā)頻率較高，給麥類作物造成了嚴(yán)重的產(chǎn)量、質(zhì)量損失(Honěketal., 2020; 姜玉英等, 2020)。目前防治麥蚜的主要手段仍然是化學(xué)農(nóng)藥，吡蟲啉作為近幾年發(fā)展較快的新煙堿類殺蟲劑，廣泛用于防治刺吸式口器的害蟲(Yuanetal., 2020; 丁建朋等, 2020)。實際生產(chǎn)中，由于農(nóng)藥利用率的限制，環(huán)境中噴施的農(nóng)藥往往以低劑量藥效發(fā)揮作用，因此，研究低劑量農(nóng)藥的效應(yīng)更有現(xiàn)實意義。考慮到麥長管蚜的防治是在自然環(huán)境溫度不斷變化的條件下進行的，所以麥長管蚜在發(fā)生期間可能會同時受到高溫和農(nóng)藥交互所帶來影響。

麥長管蚜體型小，身體的比表面積大，與外界環(huán)境的熱傳導(dǎo)和熱交流較快，對外界溫度變化非常敏感(Angilletta, 2009)。通常一天當(dāng)中的最高溫可以代表一天的整體溫度趨勢，對生物的影響也較大，尤其是隨著氣候變暖的加劇，高溫天發(fā)生更加頻繁(Huetal., 2020; Reyetal., 2020)，有時甚至?xí)掷m(xù)數(shù)天，因此生活在自然環(huán)境中的生物必將受到重復(fù)數(shù)天的高溫天的影響。迄今為止，高溫對生物存活、壽命、繁殖(Caoetal., 2018; Zhaoetal., 2019; Maetal., 2020)等生活史性狀的研究已受到大量關(guān)注，但與農(nóng)藥結(jié)合對生物生態(tài)表型的考察則較為有限。

已有高溫與農(nóng)藥互作研究表明，兩脅迫互作會產(chǎn)生直接的即時生態(tài)效應(yīng)。例如，高溫天暴露會增加毒死蜱的毒性，顯著降低異痣蟌Ischnuraelegans(Verheyenetal., 2019)和尖音庫蚊Culexpipiens的存活率(Delnatetal., 2019)；高溫和農(nóng)藥吡蟲啉結(jié)合會降低農(nóng)藥對西方蜜蜂Apismellifera致死率(Saleemetal., 2020)。同時還可產(chǎn)生延遲生態(tài)效應(yīng)，早期高溫和農(nóng)藥的處理會延緩處女絲蟌Lestessponsa的生長速率，延長發(fā)育時間(Sniegulaetal., 2017)、影響褐飛虱Nilaparvatalugens成蟲的繁殖性狀(Yuetal., 2012; Chengetal., 2014)。但這些高溫農(nóng)藥互作研究僅考慮對世代內(nèi)性狀的影響，對跨代的影響卻鮮有研究，這將會限制我們對高溫農(nóng)藥互作生物影響的全面評估。

因此，本試驗研究了高溫事件34℃/3 h持續(xù)1 d、3 d和5 d與吡蟲啉互作對麥長管蚜成蚜進行處理后，對母代存活、壽命、繁殖以及子代生長發(fā)育、繁殖、種群參數(shù)等生活史性狀的影響，明確高溫天數(shù)和農(nóng)藥互作對母代以及子代的生態(tài)表型影響，尤其是子代對母代脅迫經(jīng)歷的復(fù)雜響應(yīng)，從而提高高溫農(nóng)藥互作對生物種群動態(tài)預(yù)測的綜合評估能力。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx

為保證非遺傳世代間效應(yīng)分析(Andersenetal., 2005)，實驗室建立了麥長管蚜單克隆品系，該克隆系于2016年5月采自臨汾郊區(qū)的冬麥田(35o55N, 111o16E)，經(jīng)室內(nèi)飼養(yǎng)2年后用于實驗。采用10～20 cm高的小麥幼苗在養(yǎng)蟲籠內(nèi)(34 cm×32 cm×34 cm)飼養(yǎng)。每周更換1次新鮮小麥幼苗。飼養(yǎng)條件：養(yǎng)蟲室溫度22℃±0.5℃，相對濕度50%～70%，光周期L∶D=16 h∶8 h。

1.2 亞致死農(nóng)藥劑量確定

95%吡蟲啉原藥(中農(nóng)聯(lián)合生物科技有限公司提供)。為了確定施藥濃度，根據(jù)Shi等(2011)的浸葉法，方法略有改動，對剛羽化的成蚜進行毒力測定。將吡蟲啉原藥用比例為1∶9的吐溫80(國藥集團化學(xué)試劑有限公司)和丙酮分析純作為溶劑制備成10 mg/mL的原液，再用蒸餾水稀釋成5個系列濃度(0.5, 1.5, 50, 100, 300 μg/mL)，以溶劑蒸餾水作為空白對照，剪取約5 cm長的麥苗將其浸到各個濃度梯度中大約 5～7 s，在空氣中晾干，放入一個由濾紙保濕的培養(yǎng)皿中(直徑90 mm)，10片毒苗/皿，接入30頭成蚜，24 h后記錄存活蚜蟲的個數(shù),每處理重復(fù)3次。數(shù)據(jù)分析選用SPSS軟件中的機值分析法。獲得毒力回歸方程：y=-1.917x + 0.823，選取亞致死濃度LC20= 20 μg/mL為農(nóng)藥處理濃度(表1)，試驗時，毒苗的制備同樣采用浸葉法。

表1 吡蟲啉對麥長管蚜無翅成蚜的毒力

1.3 高溫天數(shù)和吡蟲啉互作對麥長管蚜生態(tài)表型的影響

為了研究高溫天數(shù)與農(nóng)藥吡蟲啉互作對麥長管蚜世代內(nèi)與世代間生活史性狀的影響，其中高溫事件34℃/3 h處理天數(shù)為1 d、3 d和5 d，農(nóng)藥吡蟲啉(有無)處理時間為24 h相結(jié)合，共計6個處理。其中40頭蚜蟲/處理用于母代生活史性狀調(diào)查，另80頭蚜蟲/處理作為備用僅用于子代的采集。

高溫天數(shù)處理：將麥長管蚜成蚜單頭接入插有新鮮無藥麥苗的飼養(yǎng)管后，進行不同高溫天數(shù)的處理，以24 h為周期，定點在34℃培養(yǎng)箱中進行3 h熱處理，其余時間轉(zhuǎn)移到22℃下繼續(xù)飼養(yǎng)，處理天數(shù)為1 d、3 d、5 d。試驗期間麥苗每3 d更換 1次。

高溫+吡蟲啉互作：將麥長管蚜成蚜單頭接入插有浸毒麥苗的飼養(yǎng)管中，進行不同高溫天數(shù)處理，且農(nóng)藥處理時間為24 h，結(jié)束后需將試蟲轉(zhuǎn)移至新鮮無藥麥苗的飼養(yǎng)管中，接著完成余下高溫天數(shù)的處理，直到處理全部結(jié)束。

世代內(nèi)性狀調(diào)查：試驗期間，每天處理結(jié)束后，在第2天調(diào)查記錄1次存活狀態(tài)、產(chǎn)仔情況，并將計數(shù)后若蚜去除，直至供試蚜蟲全部死亡，調(diào)查結(jié)束。存活率是各處理結(jié)束后，存活個體占處理總數(shù)的比例；成蚜壽命是從處理起始開始算起，直到死亡的時間；繁殖同樣從處理起始開始記錄，整個存活時期每頭蚜蟲所產(chǎn)后代的總數(shù)。

世代間性狀調(diào)查：各處理結(jié)束后第二天調(diào)查時，隨機采集30頭子代/處理(共6個處理)新生若蚜置于常溫22℃養(yǎng)蟲室內(nèi)，于每日上午8點記錄死亡個體、蛻皮及產(chǎn)仔情況，并將蛻皮、死亡蚜蟲及新生若蚜去除，直至供試蚜蟲全部死亡。去除逃逸蚜蟲，所有處理蚜蟲均測定了以下指標(biāo)：若蟲死亡率、發(fā)育時間、成蚜壽命、繁殖。若蟲死亡率是指活到成蚜的若蟲占全部測試若蟲的比例。發(fā)育時間是指新生若蚜發(fā)育至成蚜所需的時間。成蚜壽命是指從變成成蚜到蚜蟲死亡的時間。成蚜繁殖是指每頭成蚜所產(chǎn)后代的總數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對數(shù)據(jù)使用Shapiro-Wilks進行正態(tài)分布，發(fā)現(xiàn)試驗中大部分?jǐn)?shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，因此高溫天數(shù)間多重比較采用單因素Kruskal-Wallis進行分析，同一高溫天數(shù)下施藥和非施藥差異顯著性采用Mann-Whitney U檢驗檢驗。存活率顯著性分析均采用列聯(lián)表，非獨立2×2以及2×3表法實現(xiàn)處理間的多重比較(Caoetal., 2018)。以上數(shù)據(jù)都運用SPSS version 20(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)來進行分析。

種群參數(shù)(Zhuetal., 2018)：凈增長率R0=∑lx·mx，平均世代時間G=∑lx·mx·X/∑lx·mx，內(nèi)稟增長率rm=ln(R0)/G，其中X為蚜蟲的蟲齡，lx為蚜蟲在X時的成活率，mx代表蚜蟲在X時所產(chǎn)的后代數(shù)量。在R語言中采用bootstrap程序計算每一種群參數(shù)的均值，并調(diào)用R語言中agricolae包中的sample函數(shù)和kruskal函數(shù)，采用Kruskal-Wallis法來比較各處理相應(yīng)種群參數(shù)的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫天數(shù)和吡蟲啉互作對世代內(nèi)生態(tài)表型的影響

2.1.1母代存活

不同高溫天數(shù)處理(χ2=26.453, df=2,P<0.001)以及高溫和吡蟲啉互作(χ2=34.286, df=2,P<0.001)均對存活產(chǎn)生了顯著影響，且隨著高溫天數(shù)的增加，存活率隨之下降，僅高溫處理下由67.5%下降為12.5%，與農(nóng)藥結(jié)合后由70%下降為10%(圖1)。此外，吡蟲啉的有無在高溫持續(xù)1 d(χ2=0.058, df=1,P=0.809)、3 d(χ2=0.549, df=1,P=0.459)、5 d(χ2=0.125, df=1,P=0.723)后對存活均無顯著影響(圖1)。

圖1 高溫天數(shù)和吡蟲啉互作對母代麥長管蚜存活的影響

2.1.2母代壽命和繁殖

不同高溫天數(shù)處理(χ2=1.739, df=2,P=0.419)以及高溫和吡蟲啉同時作用(χ2=0.352, df=2,P=0.838)均沒有對母代壽命產(chǎn)生顯著影響；且吡蟲啉的存在，在高溫持續(xù)1 d(U=750.000,P=0,623)、3 d(U=809.500,P=0.925)、5 d(U=709.000,P=0.367)后對壽命也均無顯著影響(圖2-A)。

與壽命相似，不同高溫天數(shù)處理(χ2=1.125, df=2,P=0.570)以及高溫和吡蟲啉同時作用(χ2=2.411, df=2,P=0.300)均沒有對母代繁殖產(chǎn)生顯著影響；但吡蟲啉的存在對繁殖卻產(chǎn)生了負(fù)面影響，尤其是在高溫持續(xù)3 d(U=595.500,P=0.032)和5 d(U=557.500,P=0.016)達(dá)到顯著水平，分別降低了0.9±0.5頭若蚜/成蚜和2.1±0.9頭若蚜/成蚜(圖2-B)。

圖2 高溫天數(shù)和吡蟲啉互作對母代麥長管蚜壽命和繁殖的影響

2.1.3母代種群參數(shù)

無論母代是否經(jīng)農(nóng)藥處理，隨著高溫處理天數(shù)的增加，種群內(nèi)稟增長率(rm)、凈繁殖率(Ro)以及平均世代時間(G)都受到了抑制。且與單獨高溫處理相比，高溫和吡蟲啉的互作會對種群參數(shù)產(chǎn)生更加顯著的負(fù)面影響(圖3)。

圖3 高溫天數(shù)和吡蟲啉互作對母代麥長管蚜種群參數(shù)的影響

2.2 高溫天數(shù)和吡蟲啉互作對世代間生態(tài)表型的影響

2.2.1子代存活和發(fā)育時間

母代經(jīng)歷單獨高溫處理對子代若蚜存活率的影響差異不顯著(χ2=0.111, df=2,P=0.946)，但高溫和農(nóng)藥同時作用(χ2=5.425, df=2,P=0.066)卻對該性狀產(chǎn)生臨界顯著影響；且與單獨高溫處理相比，吡蟲啉的存在均會增加子代若蚜的死亡率，在高溫持續(xù)1 d達(dá)到了顯著臨界水平(χ2=3.455, df=1,P=0.055)，存活率下降了23.3%，在高溫持續(xù)3 d后達(dá)到了顯著水平(χ2=6.696, df=1,P=0.010)，存活率下降了33.3%(圖4-A)。

母代經(jīng)歷不同高溫天數(shù)(χ2=2.055, df=2,P=0.358)以及高溫和吡蟲啉同時作用(χ2=0.213, df=2,P=0.899)均沒有對子代發(fā)育時間產(chǎn)生影響；且母代是否經(jīng)吡蟲啉處理在高溫持續(xù)1 d(U=198.500,P=0.304)、3 d(U=129.000,P=0.611)、5 d(U=232.000,P=0.745)對子代發(fā)育均無影響(圖4-B)。

圖4 母代經(jīng)歷高溫天數(shù)和吡蟲啉互作對子代麥長管蚜存活、發(fā)育的影響

2.2.2子代成蚜壽命和繁殖

母代經(jīng)歷不同高溫天數(shù)處理(χ2=2.640, df=2,P=0.267)以及高溫和吡蟲啉互作(χ2=2.010, df=2,P=0.366)均對子代成蚜壽命的影響差異不顯著；且與母代單獨經(jīng)歷高溫處理相比(1 d: 13.3±1.8 d; 3 d: 10.9±1.3 d; 5 d: 14.0±1.2 d)，高溫和吡蟲啉的互作均會延長子代成蚜壽命(1 d: 17.2±0.7 d; 3 d: 15.7±1.6 d; 5 d: 15.3±1.1 d)，尤其是在高溫持續(xù)3 d(圖5-A)。

與壽命相似，母代經(jīng)歷高溫處理(χ2=2.976, df=2,P=0.226)以及高溫和吡蟲啉同時作用(χ2=4.079, df=2,P=0.130)均沒有對子代繁殖產(chǎn)生顯著影響；盡管與母代單獨經(jīng)歷高溫處理相比，母代經(jīng)吡蟲啉處理在高溫持續(xù)1 d(U=195.000,P=0.366)、3 d(U=124.500,P=0.725)、5 d(U=366.500,P=0.421)對子代繁殖均無顯著影響，但是均有輕微的刺激作用(圖5-B)。

圖5 母代經(jīng)歷高溫天數(shù)和吡蟲啉互作對子代麥長管蚜壽命和繁殖的影響

2.2.3子代種群參數(shù)

無論母代是否經(jīng)農(nóng)藥處理，隨著高溫處理天數(shù)的增加，子代種群內(nèi)稟增長率(rm)和凈繁殖率(Ro)均是先下降后上升，平均世代時間(G)逐漸縮短。且與母代單獨經(jīng)歷高溫處理相比，吡蟲啉的存在均會對子代種群參數(shù)產(chǎn)生不同程度的負(fù)面影響(圖6)。

圖6 母代經(jīng)歷高溫天數(shù)和吡蟲啉互作對子代麥長管蚜種群參數(shù)的影響

3 結(jié)論與討論

在世代內(nèi)，對存活和種群參數(shù)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無論吡蟲啉是否存在，隨著高溫天數(shù)的增加，存活率和種群增長率也相應(yīng)減少。說明隨著高溫暴露時間的增加，會降低昆蟲的存活，而減緩種群的增長速度，這與多數(shù)研究結(jié)果相同，如黑脈金斑蝶Danausplexippus不同齡期幼蟲的存活率隨著重復(fù)高溫持續(xù)天數(shù)的增加而逐漸降低(Yorketal., 2002)；麥無網(wǎng)長管蚜Metopolophiumdirhodum成蚜在高溫持續(xù)天數(shù)增加的重復(fù)高溫暴露下死亡率逐漸增加(Maetal., 2013)；白紋伊蚊Aedesalbopictus成蟲暴露在極端高溫天越長，造成的死亡率越大，對種群產(chǎn)生的負(fù)面影響也越大(Jiaetal., 2019)。而對壽命和繁殖而言，無論吡蟲啉是否存在，高溫天數(shù)的增加對壽命、繁殖均無顯著影響。該結(jié)果與Ma等(2004)發(fā)現(xiàn)麥無網(wǎng)長管蚜成蚜隨著高溫天數(shù)的增加，繁殖量和壽命同樣隨著減少的結(jié)果以及Hercus等(2003)研究表明，重復(fù)高溫天數(shù)從1 d增加到4 d，黑腹果蠅Drosophilamelanogaster壽命的延長效果逐漸增強均不一致。這種現(xiàn)象可能是由于與高溫的選擇有關(guān)，高溫34oC/3 h在持續(xù)1 d后產(chǎn)生的脅迫已使得麥長管蚜的壽命、繁殖降到了極限，隨著高溫天數(shù)的增加，已沒有下降的空間，否則只能死亡，而隨著高溫天數(shù)的增加死亡率相應(yīng)增加也充分說明了這一點。此外，相較單獨高溫處理，高溫和吡蟲啉的互作盡管沒有對世代內(nèi)存活、壽命產(chǎn)生顯著影響，但卻對繁殖產(chǎn)生較顯著的負(fù)面影響，這說明高溫天數(shù)和農(nóng)藥互作會提高脅迫的程度，惡化單獨高溫處理所產(chǎn)生的延遲效應(yīng)。這與大多數(shù)研究報道高溫和農(nóng)藥互作會產(chǎn)生協(xié)同影響相一致(Janssensetal., 2017 ; Zhenetal., 2019; Theysetal., 2020)。這種高溫和農(nóng)藥毒性之間存在的正相關(guān)性的原因主要是高溫增加了生物對于農(nóng)藥的攝入量(Holmstrupetal., 2010)。

在世代間，對子代性狀而言，母代經(jīng)歷不同高溫天數(shù)處理，對子代存活、發(fā)育、繁殖和壽命均沒有顯著影響，說明高溫單獨暴露對麥長管蚜生活史性狀的影響并沒有延續(xù)到子代。但是當(dāng)高溫和農(nóng)藥互作后，卻對子代的存活產(chǎn)生顯著負(fù)面影響，且隨著高溫處理天數(shù)的增加，對存活的負(fù)面影響表現(xiàn)先加重后減緩的趨勢，這主要是由于隨著高溫處理天數(shù)的增加，對母代的損傷逐漸增大，造成母代死亡率逐漸增大，但考慮到高溫持續(xù)1 d后造成的損傷較小，同時高溫持續(xù)5 d后較強選擇作用，致使存活下的母代個體適合度相差不大，但持續(xù)3 d就可能會存在適合度較差的母代個體，因此產(chǎn)生的后代質(zhì)量差異也較大，相較其他處理對若蚜存活產(chǎn)生的負(fù)面影響較強。這在子代發(fā)育以及種群內(nèi)稟增長率中也有不同程度的體現(xiàn)。此外，母代經(jīng)歷高溫和吡蟲啉兩脅迫的互作對子代存活和發(fā)育均產(chǎn)生了不同程度的負(fù)面影響，這再次證明高溫和農(nóng)藥互作加強了脅迫程度(Wangetal., 2007 ; Janssensetal., 2017)。但是這種負(fù)面影響并沒有一直延續(xù)，甚至在子代成蚜的壽命、繁殖產(chǎn)生了正面刺激作用。這說明母代的脅迫經(jīng)歷，對子代的負(fù)面影響在前期的發(fā)育過程中通過補償效應(yīng)得到了恢復(fù)(Stoksetal., 2006; Dmitriewetal., 2007)，并產(chǎn)生了一定毒物興奮效應(yīng)(Liangetal., 2014 ; Wangetal., 2016)，刺激生長，因此相較母代種群增長速率的顯著下降，子代種群增長速率卻得到很大的緩解。

總之，麥長管蚜經(jīng)歷高溫和吡蟲啉的互作后顯著抑制了母代種群的增長，但卻對子代的負(fù)面影響僅限于發(fā)育、存活，甚至對子代成蚜性狀產(chǎn)生了刺激作用，闡明世代內(nèi)和世代間生物對于脅迫的復(fù)雜響應(yīng)，表明僅僅根據(jù)一代的影響來預(yù)測脅迫效果尤其是雙重脅迫對生物所產(chǎn)生的影響并不合理，暗示了跨代效應(yīng)對于生物脅迫響應(yīng)的重要性。同時結(jié)果也為氣候變暖和農(nóng)藥雙重脅迫下麥長管蚜種群動態(tài)的預(yù)測、防控提供一定的理論指導(dǎo)。