河南新鄉(xiāng)小麥區(qū)荻草谷網(wǎng)蚜的冬季耐寒性研究

王雪芹，武予清，蔣月麗，李彤，鞏中軍，苗進，段云

(河南省農業(yè)科學院植物保護研究所，河南省農作物病蟲害防治重點實驗室，農業(yè)部華北南部有害生物治理重點實驗室，鄭州450002)

昆蟲是變溫動物，其體溫隨環(huán)境溫度的變化而變化，極端低溫天氣顯著影響著昆蟲種群的生存和發(fā)展(MacDonaldetal., 1999; Sageetal., 1999; 陳豪等, 2010)?？茖W學家們對昆蟲的耐寒性進行了長期研究，直到1899年生物學家Bachmetjew才首次在昆蟲中發(fā)現(xiàn)了過冷卻現(xiàn)象，即昆蟲存在過冷卻點(Supercooling point, SCP)(Somme, 1999; Somme, 2000)，SCP的發(fā)現(xiàn)為昆蟲的耐寒性研究開拓了新的領域。SCP是衡量變溫動物耐寒性強弱的重要指標，代表了昆蟲的最低生存溫度下限；SCP越低，昆蟲的抗寒性就越強(Sinclair, 1997; Sjursen and Somme, 2000; Maetal., 2006; 張飛萍等, 2009)。然而，有趣的是，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境溫度尚未達到一些昆蟲的SCP時，這些昆蟲就已經(jīng)死亡(Andreadis and Athanassiou, 2017)。這說明昆蟲SCP不能完全反映昆蟲抗極端低溫的生存能力。因此，要全面考察昆蟲在極端低溫條件下的生存能力，僅僅通過測定SCP是不夠的，還需分析昆蟲的其它耐寒能力，如冷識別溫度(Discriminating temperature)(Powell and Bale, 2004)和低溫存活率(強承魁和杜予州, 2002; 景曉紅和康樂, 2004; 崔雙雙和賀一原, 2011)。昆蟲冷識別溫度是指在一定時間內昆蟲種群個體死亡80%時的低溫暴露溫度。Powell和Bale(2004)以此溫度評價了麥長管蚜Sitobionavenae的耐寒性，并獲得了理想結果。另外，對于一種昆蟲來說，其在極端低溫下的生存能力最終由其在低溫下的存活率反映。因此，要徹底地了解昆蟲耐寒性水平，分析并預測它們在低溫下的存活率是非常必要的(景曉紅和康樂, 2004)。

荻草谷網(wǎng)蚜Sitobionmiscanthi(Takahashi)或Macrosiphummiscanthi(Takahashi)是我國麥區(qū)的蚜蟲優(yōu)勢種(馬健等, 2008; Jiangetal., 2019)，在我國長期以來被稱為麥長管蚜Sitobionavenae(Fabricius)(李光博等, 1990; 郭予元, 2015)。目前，該蚜蟲的學名問題在我國乃至國際學術界仍存在一定的爭論(鐘濤, 2012)。荻草谷網(wǎng)蚜為寡食性刺吸害蟲，在小麥TriticumaestivumL.整個生育期均可為害，以小麥穗部危害為主，因此又稱“穗蚜”(李克斌等, 2014)。該蚜蟲取食植物韌皮部的汁液，可導致小麥產量和品質降低；還能傳播大麥黃矮病，使得致病植株枯黃矮化、穗小粒少，其本身還能分泌蜜露遮蓋葉片影響植物光合作用，從而嚴重影響了我國麥區(qū)糧食的穩(wěn)產與高產(曹雅忠等, 2006; 徐昭煥等, 2012)。

盡管有文獻報道了麥長管蚜在我國局部地區(qū)的低溫適應性特點并由此分析了當?shù)匦←溙镌撓x種群的來源地(許向利等, 2020)，但到目前為止，國內外關于該蟲耐極端低溫方面的研究報道仍然匱乏。本研究前期調查發(fā)現(xiàn)，荻草谷網(wǎng)蚜盡管在黃淮地區(qū)不能越夏，但在河南新鄉(xiāng)小麥秋苗和早春的麥苗上卻發(fā)現(xiàn)大量不明來源的該蟲種群(資料尚未發(fā)表)，這就引起了我們的疑問，該蚜蟲是否來自本地越冬的種群？如果該蚜蟲是來自本地越冬的種群，其在當?shù)卦蕉陂g的耐寒性及存活率如何？為了解析這些問題，探究該蟲在當?shù)卦蕉目赡苄?，本研究在參考了當?shù)貥O端低溫后，在室內較全面分析了該蟲適應當?shù)氐蜏氐哪秃蕴匦?，以期為本地麥田荻草谷網(wǎng)蚜的預測預報提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試蟲來源和收集

于2020年4月，在河南省農業(yè)科學院農業(yè)現(xiàn)代化基地小麥田(113.41°E, 35°N)采集荻草谷網(wǎng)蚜，采集的蚜蟲用水培小麥苗法(魯艷輝和高希武, 2007)在人工氣候箱(溫度22℃，光周期16 L : 8 D，相對濕度65%)中飼養(yǎng)。該蟲在室內繼代飼養(yǎng)3代后供試。

1.2 試驗儀器

試驗中涉及到的儀器主要有兩種，一是低溫冷光源人工氣候箱(LEDR-400A)(寧波揚輝儀器有限公司制造)，該儀器溫度控制范圍為-15～50℃；二是SUN-V型智能昆蟲過冷卻點測定儀(北京鵬程電子科技中心制造)，該儀器控溫范圍為-40～50℃。

1.3 荻草谷網(wǎng)蚜實驗室種群過冷卻點的測定

隨機收集初羽化有翅孤雌成蚜和無翅孤雌成蚜、1齡、2齡、3齡、4齡若蚜各30頭，用過冷卻點測定儀測定各發(fā)育階段荻草谷網(wǎng)蚜的過冷卻點(SCP)。在進行準備工作時，先把SCP測定儀的感溫探頭用一條透明膠帶固定于一塊紙板上，并將試蟲的背面黏于另一透明膠帶的一端邊緣，然后將待測試蟲貼緊感溫探頭，最后將透明膠帶另一端固定在紙板上，以此防止試蟲與探頭分離。在準備工作完成后，將試蟲置于-40℃的超低溫醫(yī)用冰箱中待測(陳珍珍等, 2015)。蟲體溫度的變化情況由與電腦連接的昆蟲SCP測定儀記錄。測定時試蟲的體溫會逐漸降低，當試蟲體溫下降到某一特定值時，體液開始結冰并釋放出少量的凝固熱，這時試蟲體溫會出現(xiàn)突然回升的現(xiàn)象，而此時的蟲體溫度即為其SCP(歐陽芳和戈峰, 2014)。

1.4 荻草谷網(wǎng)蚜實驗室種群低溫存活率測定

1.4.1河南新鄉(xiāng)近5年冬季極端低溫概況

荻草谷網(wǎng)蚜的冷識別溫度測定和快速冷馴化實驗中的冬季極端低溫信息來自于河南省新鄉(xiāng)市(113.41°E, 35°N)“河南省農業(yè)科學院農業(yè)現(xiàn)代化基地”氣象采集系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)。2017～2021年河南新鄉(xiāng)冬季極端低溫天氣主要出現(xiàn)在1月，該月單日最低氣溫變化范圍為-5～-14℃；其中2018年和2021年1月的月均溫為5年中最低，均為-4℃。

1.4.2冷識別溫度的確定

在參考Powell和Bale(2004)方法基礎上測定荻草谷網(wǎng)蚜1齡若蚜和初羽化有翅成蚜的冷識別溫度。根據(jù)當?shù)叵嚓P氣象資料可知，本地冬季最低氣溫每天基本保持3 h。另外，預試驗確定的試蚜極限耐受低溫為-10℃。據(jù)此，設定不同低溫處理時間為3 h，溫度梯度為-6℃、-7℃、-8℃、-8.5℃、-9℃和-10℃。在測定前，先將15 mL玻璃試管中放入新鮮麥苗(麥苗根部用棉花保濕)，隨后再將試蟲接到麥苗上，并在試蟲接好后將麥苗連同試蟲一起放到超低溫培養(yǎng)箱中暴露飼養(yǎng)3 h；暴露時間完成后，將試管中麥苗換成新鮮麥苗，并于22℃繼續(xù)飼養(yǎng)試蟲，72 h后統(tǒng)計蚜蟲死亡的數(shù)量，計算存活率。每個處理試蟲10頭，每個處理5個重復。

1.4.3快速冷馴化反應

在參考Powell和Bale(2004)方法基礎上進行荻草谷網(wǎng)蚜1齡若蚜和初羽化有翅成蚜的快速冷馴化實驗。處理方法同上。先將試蟲放置在0℃分別保持1 h、2 h、3 h和4 h進行冷馴化，然后將試蟲轉移至超低溫培養(yǎng)箱中(溫度為冷識別溫度)低溫暴露培養(yǎng)3 h；暴露時間完成后，將試蟲轉移至帶有新鮮麥苗的試管中繼續(xù)在22℃的人工氣候箱中飼養(yǎng)，72 h后統(tǒng)計蚜蟲的死亡數(shù)，計算其存活率。以0 h處理蚜蟲為對照。每個處理試蟲10頭，每個處理5個重復。

1.5 數(shù)據(jù)處理

在Excel中進行數(shù)據(jù)整理分析和做圖。用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析。其中不同發(fā)育階段的過冷卻點進行單因素方差分析，差異顯著性檢驗采用Duncan氏檢驗法?；貧w分析采用線性回歸法。

2 結果與分析

2.1 荻草谷網(wǎng)蚜的過冷卻點

荻草谷網(wǎng)蚜不同蟲態(tài)的SCP為1齡若蚜>2齡若蚜>有翅孤雌成蚜>無翅孤雌成蚜>4齡若蚜>3齡若蚜(表1)。其中，1齡和2齡若蚜的SCP均顯著高于3齡和4齡若蚜的SCP(F=10.51,P<0.01)，3齡和4齡若蚜的SCP間無顯著性差異(P>0.05)，無翅孤雌成蚜與其它各發(fā)育階段蚜蟲的SCP間均差異顯著(P>0.01)。另外，不同蟲態(tài)的SCP波動范圍也存在較大差異，其中1齡若蚜的SCP波動范圍最大，為-26.06～-13.14℃；而4齡若蚜的SCP波動范圍最小，為-26.86～-18.23℃(表1)。

表1 荻草谷網(wǎng)蚜若蚜和成蚜的過冷卻點Table 1 The supercooling points of Sitobion miscanthi at different ages

荻草谷網(wǎng)蚜不同發(fā)育階段SCP的頻次分布圖見圖1。1齡若蚜和2齡若蚜的SCP分布比較分散，其中1齡若蚜SCP在-20℃的蟲體個數(shù)最多，占總蟲數(shù)的23%，而2齡若蚜SCP在-21℃的蟲體個數(shù)最多，占總試蟲數(shù)的27%；3齡若蚜的SCP主要集中在-25℃和-27℃，兩者約占總試蟲數(shù)的47%；4齡若蚜、無翅和初羽化有翅成蚜的SCP情況與3齡若蚜的SCP分布基本相似。另外，3齡和4齡若蚜、無翅和初羽化有翅成蚜的SCP分布相對集中，且隨著齡期的增加，不同SCP下的個體數(shù)差異在各蟲態(tài)間總體上呈降低趨勢(圖1)。

2.2 荻草谷網(wǎng)蚜實驗室種群的低溫存活率

經(jīng)低溫處理后，荻草谷網(wǎng)蚜初羽化有翅孤雌蚜和1 齡若蟲的存活率均隨溫度的降低而降低。其中，初羽化有翅孤雌蚜在-6℃、-7℃、-8℃、-8.5℃、-9℃和-10℃時的存活率均值分別為61%、41%、18%、7%、0和0，且-6℃至-8.5℃時的存活率均兩兩間差異顯著(F=10.44,P<0.05)；1齡若蚜在上述6個溫度下的存活率均值分別為60%、40%、36%、20%、16%和0，而-6℃時該蟲的存活率顯著高于其它各溫度處理下的存活率(F=12.81,P<0.05)，且該存活率在-7℃和-8℃間及-8.5℃和-9℃間均差異不顯著(P>0.05)(圖2)。在-8℃、-8.5℃和-9℃三個溫度時這2個蟲態(tài)的存活率間存在顯著性差異(F=16.77,P<0.05)。另外，該初羽化有翅孤雌蚜在-9℃處理下的所有個體均死亡，冷識別溫度為-7.9℃，其存活率顯著低于未處理對照(F=10.44,P<0.05)；而1齡若蟲在-10℃低溫處理下所有個體均死亡，冷識別溫度為-8.5℃(圖2)。

Spearman相關性分析表明，初羽化有翅成蚜和1齡若蚜的處理溫度與其存活率間均存在顯著相關性，它們的相關系數(shù)r分別為0.9851和0.912，顯著水平分別為P<0.01和0.05。線性回歸分析表明，該有翅成蚜和1齡若蚜的處理溫度與存活率間均存在顯著的線性相關性(P<0.05)，它們的線性回歸方程分別為y=14.207x+143.79(R2=0.9477)和y=23.305x+204.90(R2=0.9909)。

圖1 荻草谷網(wǎng)蚜不同發(fā)育階段過冷卻點的頻次分布Fig.1 Frequency distribution of supercooling points of different developmental stages of Sitobion miscanthi

圖2 荻草谷網(wǎng)蚜在不同低溫下的存活率Fig.2 Survival rate of a population of Sitobion miscanthi after direct exposure to a range of sub-zero temperatures注：圖上大、小寫字母分別代表成蟲和若蟲不同處理間的差異顯著性(P<0.05)；星號表示同一溫度下成蟲與若蟲之間存在顯著差異(P<0.05)。下同。Note: Different capital or lowercase letters in the columns indicated significant differences among different temperature treatments (P<0.05). The asterisk meaned significant difference between instar nymph and alate adult of the same temperature treatment (P<0.05). The same below.

在上述確定了荻草谷網(wǎng)蚜的初羽化有翅成蚜和1齡若蚜冷識別溫度基礎上，對它們進行快速冷馴化處理，冷馴化后的這兩種蚜蟲在冷識別溫度下的存活率見圖3。兩種蟲態(tài)的存活率均隨冷馴化時間的增加呈先增加后降低的規(guī)律性變化，存活率變化范圍分別為36%～64%和32%～62%，且各時間處理下該蟲的存活率間均出現(xiàn)了顯著性差異(初羽化有翅成蚜：F=5.23,P<0.05；1齡若蚜：F=7.67,P<0.05)；該低溫存活率在冷馴化2 h時達到最大值，隨后又隨冷馴化時間的增加而逐漸降低；兩種蟲態(tài)在經(jīng)過0℃不同時間冷馴化后，不同時間處理組的存活率均顯著高于0 h無冷馴化對照組的存活率(初羽化有翅成蚜：F=10.44,P<0.05；1齡若蚜：F=12.81,P<0.05)(圖3)。有翅成蚜經(jīng)過1 h冷馴化的存活率與經(jīng)過2 h冷馴化的存活率間差異顯著(P<0.05)，但與經(jīng)過3 h和4 h冷馴化后的存活率間差異不顯著(P>0.05)。1齡若蟲未冷馴化對照處理的0 h的存活率與1 h、2 h、3 h冷馴化的存活率間均有顯著性差異(P<0.05)，但與4 h冷馴化的存活率間差異不顯著(P>0.05)；冷馴化1 h與2 h的存活率間差異顯著(P<0.05)，但它們均與冷馴化3 h和4 h的存活率間均差異不顯著(P<0.05)。另外，該初羽化有翅成蚜和1齡若蚜在經(jīng)過最終4 h冷馴化后的低溫存活率分別為46%和32%，兩者間差異顯著(P<0.05)(圖3)。

圖3 不同時長0℃冷馴化后荻草谷網(wǎng)蚜在冷識別溫度下的存活率Fig.3 Survival rate of a population of the first instar nymph and newly moulted Sitobion miscanthi at the discriminating temperature after rapid cold hardening at 0℃ for increasing periods of time

3 結論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，荻草谷網(wǎng)蚜不同發(fā)育階段各蟲態(tài)的SCP值差異較大，呈不規(guī)律性變化；其中，3齡若蚜的SCP值最低，而1齡若蚜的SCP值最高；盡管如此，該蟲各發(fā)育階段的這些SCP值均明顯低于當?shù)囟镜臉O端最低氣溫記錄。由于SCP反應了昆蟲的最低生存溫度下限(景曉紅和康樂, 2004)，因此，由本研究結果可推測該蟲能適應當?shù)囟镜臉O端低溫天氣。相關的研究也顯示，陜西麥長管蚜種群能在當?shù)卦蕉移銼CP范圍為-27.4～-11.2℃，這與本研究中的SCP范圍相似，這也進一步說明該蟲能夠適應這些地方的冬季極端低溫(許向利等, 2020)。同時，本研究中該蟲1齡、2齡、3齡若蚜的SCP卻隨齡期的增加而降低，這與勞氏黏蟲Mythimnaloreyi的4齡、5齡、6齡幼蟲的結果相似(秦建洋等, 2018)，說明SCP與昆蟲的齡期有關，隨著齡期的增加，SCP的降低反映了昆蟲抗寒能力的增強。相反，本研究中該蟲3齡、4齡若蚜及無翅成蚜均隨齡期的增加，其SCP也逐漸升高；該結果與麥長管蚜、豌豆蚜Acyrthosiphonpisum、茄溝無網(wǎng)蚜Aulacorthumsolani、瘤突修尾蚜Megouracrassicauda和大豆蚜Aphisglycines等的結果具有相似性(Knight and Bale, 1986; Asaietal., 2002; McCornacketal., 2005; 許向利等, 2020)，這說明SCP不但與昆蟲的齡期和蟲態(tài)有關，也可能與昆蟲的營養(yǎng)狀況密切相關(岳雷等, 2013)。另外，荻草谷網(wǎng)蚜不同發(fā)育階段各蟲態(tài)SCP的頻次分布圖進一步表明，同一蟲態(tài)個體間的過冷卻點值也存在較大差異，但隨著齡期的增加，個體間過冷卻點的這種差異也呈逐漸減小趨勢。

本研究低溫暴露試驗結果表明，荻草谷網(wǎng)蚜1齡若蚜和初羽化有翅成蚜的耐極限低溫的溫度較低，分別為-10℃和-9℃。由于極限低溫反映了昆蟲實際抗寒能力(景曉紅和康樂, 2002)，因此在高于-9℃時，荻草谷網(wǎng)蚜的這兩種蟲態(tài)能夠在當?shù)囟練鉁叵麓婊?。同時，昆蟲是變溫動物，其對環(huán)境低溫的耐寒適應性是其生存和進化的重要方面(Bowler, 2005; Teetsetal., 2020)。為此，人們在了解昆蟲的這種低溫適應性時常對其進行冷馴化。昆蟲的冷馴化是指昆蟲在經(jīng)歷亞致死溫度之上的相對溫和低溫后，對低溫傷害抵御能力增強的現(xiàn)象(Bale, 1996)。在自然界，昆蟲對低溫的這種適應性顯然增強了其在嚴酷自然條件下的存活能力。本研究對荻草谷網(wǎng)蚜1齡若蚜和初羽化成蚜進行的冷馴化結果表明，該蟲在冷馴化后的低溫存活率有了顯著提高，這也反映了該蟲可能會通過自然的冷馴化過程從而適應當?shù)氐臉O端嚴寒氣溫。Powell和Bale(2004)研究發(fā)現(xiàn)，通過短時間低溫冷馴化可大幅度提高麥長管蚜若蚜和初羽化有翅成蚜的存活率，說明冷馴化可以提高蚜蟲的耐寒性。另外，許向利等(2020)在對陜西楊凌麥長管蚜的耐寒性研究中也得到了與本研究類似的結果。

本研究結果也表明，SCP作為一種代表昆蟲耐寒力的指標，可以確定昆蟲耐寒性的差異，但并不能完全代表昆蟲在該溫度下的生存能力，而低溫暴露實驗是SCP作為昆蟲低溫下生存能力評價的有益補充。研究也指出，對一些不耐結冰型昆蟲，低溫會導致這些昆蟲在其在SCP以上死亡(景曉紅和康樂, 2002)。因此，適應極端低溫后的昆蟲存活率才能代表昆蟲實際的抗寒力(鄭傲冰和翟保平, 2017)。另外，在實際評估荻草谷網(wǎng)蚜是否能在河南新鄉(xiāng)麥田越冬時，還要結合當?shù)氐臍庀筚Y料具體分析。河南新鄉(xiāng)地區(qū)近5年冬季的氣象資料顯示，該地1月份單日最低氣溫除了2021年的-14℃外，其它年份的最低氣溫都高于或接近于荻草谷網(wǎng)蚜1齡若蚜和初羽化成蚜的冷識別溫度，再加上該蟲自然冷馴化后增強的耐低溫適應性，因此推測在河南新鄉(xiāng)地區(qū)該蟲很可能會在當?shù)囟緲O端嚴寒氣溫下存活，并順利越冬。與本研究地點氣溫相近地區(qū)的研究結果也進一步表明，一些冬季極端氣溫在該蟲冷識別溫度附近的地區(qū)可能會有該蟲存活且越冬的情況，如河南許昌地區(qū)(113.8°E, 34.0°N)(李梅花等, 2008)、陜西楊凌(108.1°E, 34.3°N)(許向利等, 2020)。

總之，隨著當前全球極端氣溫的不規(guī)律頻現(xiàn)，不斷研究局域地區(qū)小麥主要害蟲荻草谷網(wǎng)蚜對極端氣溫的適應性特點可增強該蟲危害特性新的認識。本研究結果指出了荻草谷網(wǎng)蚜各蟲態(tài)的SCP通常低于當?shù)貥O端嚴寒溫度，同時該蟲在不同低溫暴露下的存活率較高，且低溫冷馴化能夠顯著提高該蟲的低溫生存率；這些都充分說明了該蟲能在當?shù)貥O端低溫脅迫下生存和越冬；因此，在預測預報和綜合防治該蟲時應進行其在當?shù)卦蕉x情的調查工作。