【毕业学位论文】（Word原稿）两型东亚飞蝗飞行能力及其相关生理机制研究农业昆虫与害虫防治硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 两型东亚飞蝗飞行能力及其 相关生理机制研究 in in I 摘 要 本文针对群居型、散居型东亚飞蝗的飞行能力及其相关生理生化机制缺乏全面了解的 现状，采用昆 虫飞行自动记录、现代生理生化测试及电镜超微观察 等技术和方法开展了相应研究，主要研究结果如下： 0h 的结果表明：群居型东亚飞蝗具有较强的飞行能力，最远的累计飞行距离可达 65计飞行时间超过 7h；不同日龄的成虫飞行能力有显著差异，以 10 日龄成虫的飞行能力最强。散居型成虫不具备远距离飞行的能力，各日龄成虫飞行能力均极显著低于群居型。 两型东亚飞蝗不同日龄体内糖原和甘油酯含量存在较大差异，群居型甘油酯含量约为散居型的 67 倍。在飞行起始阶段消耗大量糖原， 甘油酯在飞行中一直处于动用状态。散居型成虫体内 5 种与糖类、脂肪相关代谢酶活性均较低；群居型飞行过程中 性较高，比值接近于 1，为糖类和脂类皆能利用的类型。群、散两型东亚飞蝗的飞行能力与能源物质代谢酶活性的高低存在一定的正相关关系。 东亚飞蝗体内的保幼激素（ 行分离测定，其血淋巴中保幼激素的含量甚微，群居型和散居型 4、 5 龄若虫的滴度在 30ng/下；成虫羽化初低于 20ng/大滴度为 型雌、雄成虫体内保幼激素滴度随羽化后日龄增加而升 高， 10 日龄达到高峰，然后随日龄增加而缓慢下降。 720 日龄散居型成虫保幼激素的含量均显著高于群居型。 7 日龄后其飞行肌具有 1:3 粗细丝比例，每根粗丝由六根细丝环绕排列成六角形结构 ； 7 日龄时群居型背纵肌线粒体占肌原纤维的比例 达 而散居型的仅为 线粒体含量的差异可导致能量供应上的显著差别；东亚飞蝗 背纵肌 肌节长度为 肌节长度越长，肌肉的收缩速度越慢，群居型 7、 10 日龄成虫肌节长度小于散居型的。这些差异是群居型的飞行 能力显著强于散居型的原因之一。 关键词： 东亚飞蝗；飞行能力；能源物质；酶活性；保幼激素；超微结构 or no of on as 1. 0 of of 5 is 0t of 2. of of is 7 of a of is is in of in of is , as is 3. be by H is is no 0ng/ml in of is 0ng/ml in of H up as 0H in of 20 is 4. of 7 a :3. is of s in of in of 0 is of to 录 第一章 引言 . 1 . 1 . 2 . 2 . 3 . 3 . 4 蝗型变研究进展 . 5 蝗多型现象 . 5 响飞蝗型变的因素 . 5 幼激素的研究进展 . 6 项研究的目的意义 . 7 第二章 东亚飞蝗飞翔能力测试 . 9 . 9 . 9 验虫源 . 9 行能力测试 . 10 据的统计分析 . 10 . 10 居型飞行能力与成虫日龄的关系 . 10 居型不同日龄成虫的飞行能力及其与群居型的比较 . 11 . 13 结 . 13 论 . 13 第三章 东亚飞蝗飞行能源物质的利用 . 15 . 15 . 15 验虫源 . 15 原的测定 . 16 油酯的测定 . 17 . 18 同日龄虫体糖原含量的动态 . 18 同日龄虫体甘油酯含量的动态 . 19 行过程对不同能源物质的消耗及动态 . 20 . 22 结 . 22 讨论 . 22 第四章 东亚飞蝗能量代谢相关酶的活性 . 23 . 23 与方法 . 23 验昆虫及样品的收集 . 23 活性及蛋白质含量的测定 . 24 据分析 . 24 . 24 动力学示意图 . 24 止状态各日龄酶活性动态 . 25 行不同时间后相关酶活性的变化 . 26 脱氢酶活性比值 . 28 . 29 结 . 29 论 . 30 第五章 东亚飞蝗飞行肌超微结构 . 31 . 31 . 32 验昆虫及肌肉取样 . 32 镜观察 . 32 子显微镜照片分析 . 32 . 32 本结构 . 32 原纤维 . 32 粒体 . 34 气管 . 34 胞核 . 34 结与讨论 . 34 第六章 东亚飞蝗保幼激素滴度的 定 . 37 . 37 . 38 试昆虫 . 38 幼激素滴度的 . 38 . 39 亚飞蝗保幼激素的 . 39 型东亚飞蝗不同时期保幼激素滴度的动态 . 39 . 41 结 . 41 V 论 . 41 第七章 结论与展望 . 43 1结论 . 43 型东亚飞蝗的飞行能力 . 43 源物质积累与动用及飞行相关代谢酶的活性 . 44 亚飞蝗飞行肌的超微结构 . 44 亚飞蝗体内保幼激素滴度的动态 . 45 2本项研究的创新点 . 45 3今后工作展望 . 46 参考文献 . 47 附 录 . 54 致 谢 . 62 作者简历 . 63 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 引言 1 第一章 引言 蝗灾是一类古老的国际性自然生物灾害，在地球的陆地上，除南极洲外，包含近 100 多个国家和地区的农业生产不同程度的受到蝗灾威胁或袭扰，蝗灾所造成的经济损失和巨大影响波及自然生态系 统和社会经济系统两方面（康乐， 1992）。在中国两千多年的历史记载中，造成农业毁灭性灾害的蝗虫主要是东亚飞蝗（ 其大规模、远距离的迁飞时往往造成农业生产上的重大损失。 虫迁飞研究的动态 昆虫的迁飞既不是无规律的突然发生 ，也不是在个体发育过程中对某些不良环境因素的暂时性反应，而是种在进化过程中长期适应环境的遗传特性，是一种种群行为。昆虫 迁飞行为产生的本质是为了适应环境变化，寻觅新生境的一种行为对策。迁飞使得昆虫能够选择适于本身生 存或后代繁衍的生境，从而增大了种群生存繁衍的机率。因此，迁飞通常被看作是昆虫个体丰富的主要原因（ 969;992） 。对迁飞行为调控生理研究表明，昆虫在迁飞过程中与之相关联的是能源物质与激素在飞行与生殖过程中的分配，激素在迁飞过程中起到了决定性的作用，直接影响迁飞行为的发生和结束。由此可见，迁飞行为是在环境、遗传因子的相互作用下形成，内分泌激素，尤其是保幼激素（ 其中起到重要的作用。 自 1957）以来的昆虫迁飞研究： 60 年代初出现第一次重大的转折，人们认识到迁飞是对栖境变化的一种适应，整个迁飞过程是主动的，具有区别于非迁飞性种类的独特行为特征和生理基础。 70 年代中期出现第二次转折，雷达昆虫学的诞生揭示了大气结构和运动特别是中下尺度系统对昆虫迁飞的影响和昆虫对大气风温场的适应与选择，边界顶层现象为人们展示了昆虫迁飞过程的生动画面（翟保平等， 2000）。多年来，人们通过田间调查研究和标记回收等方法，明确了部分昆虫的迁飞规律。但许多具有迁飞能力的农业害虫的迁飞规律仍不清楚。因此，许多昆虫学家把注意力转移到通过飞行磨吊飞测试、风 洞系统气流分析和昆虫迁飞的能量代谢等迁飞生物学方面的研究，试图从生理生态机制上回答昆虫为什么要迁飞，哪些条件影响昆虫的起飞、空中运转和降落情况等。 3S（遥感技术、地理信息系统和 全 球定位系统）技术对于迁飞性害虫的研究和监测将是一种非常有力的手段，国内外的研究人员已经加强这方面的研究。目前 3S（遥感技术、地理信息系统和 全 球定位系统）和昆虫雷达技术已被广泛地应用于农业昆虫研究之中，揭开了迁飞昆虫迁飞过程中过去被视作“黑箱”的迁飞行为及其与多种天气条件的关系和各种生物学参数的奥秘。 3S 技术对于迁飞性害虫的研究和监测 将是一种非常有力的手段。可以预见，通过各国昆虫学家和生态学家的共同努力，迁飞昆虫监测、预测和治理的难题将在不久的将来得到解决（程登发等， 2001）。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 引言 2 虫迁飞的生理生化机制 昆虫迁飞行为的发生是与内在的生理状况和一定的环境条件是相同步的（陈若篪等， 1989）。昆虫迁飞的整个过程都受到外界环境因子的影响，其中以虫口密度、食物质量、光周期、温湿度、气流等因子对昆虫的迁飞影响较大（姚青等， 1999）。 （ 2001）研究了营养、拥挤度和昆虫与植物互作等方面对有翅蚜发育的作用。昆虫迁飞行为的内在动 力，是由内分泌系统控制的或者是由于内分泌改变而形成的。控制迁飞活动的因子还包括部分的体液因子、神经生理、燃料利用、或许还包括翅符负荷的减少等（陈若篪 ,1989） 。 虫飞行过程中能源物质及其动用 昆虫利用脂肪、碳水化合物、氨基酸，或者其中的两种甚至多种作为飞行能源。一般而言，典型的远距离飞行的昆虫主要动用脂类为长时间的飞行能源，但是 也有少数 远距离迁飞的昆虫，如马铃薯甲虫 飞行是用脯氨酸供能的（ 1992）。根据飞行肌的能量代谢特点 ,昆虫在飞行过程中对能源底物的利用情况可以分为三大类 ,即碳水化合物（糖类）利用型、脂肪利用型以及两者皆能利用的混合型。 在大多数昆虫中，碳水化合物为短距离飞行提供能源。包括许多双翅目、膜翅目以及一些鳞翅目 在内的 昆虫。糖类一般 贮存 于飞行肌、脂肪体和肠道 内 ， 主要以糖原和海藻糖两种物质作为其贮备形式；海藻糖以高度可溶的形式存在于血淋巴及各种组织中， 最大的碳水化合物的动用库是血淋巴中的海藻糖 (1975； 1975； 1981， 1983)。碳 水化合物作为能源物质利用的优势在于其高度的水溶性，这种特性可以保证它可以被快速的动用并参与代谢(952)。但是 ， 从结构上看 ， 提供相同能量的碳水化合物的重量是脂肪重量的 8 倍。大多数昆虫的碳水化合物的贮备仅能维持其飞行 3045此，长距离、不间断的迁飞活动不可能仅仅以碳水化合物作为飞行的 唯一 能源供应。 研究表明，许多昆虫，起始的飞行一般由碳水化合物起动，在持续飞行过程中，飞行的能源供应转变为脂肪。飞行肌中的糖原在起始 10s 内就被消耗殆尽 (979)。沙漠蝗 起始飞行的 用脂肪 飞行能源的供应由糖类转变为脂肪的时候，糖类并不是被简单的 消 耗殆尽。在整个飞行过程中，糖类也是飞行肌一直需要的能源供应，其可能的作用是为 环（三羧酯循环）提供中间代谢产物（ 966）。由于糖类本身的特点，在必要的时候，一定的糖类贮备还可以为昆 虫突发 性 的飞行行为迅速提供可利用的能量 (et 1986)。在很多种类的昆虫中，飞行过程中的血淋巴海藻糖的含量是由激素调控的（ 1967； 1974； et 1980； 1986； 1981， 1983； 1986；）， （ 1972）对亚热带粘虫 研究结果表明，这种昆虫 能直接利用取食所获得的糖类而无需将其转化为脂肪作为能源底物。而 飞蝗的飞行肌在利用甘油酯时，所产生的甘油也可以由脂肪体中的甘油激酶转变为海藻糖而直接进入糖酵解循环 （ et 1983） 。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 引言 3 量 代谢相关 酶活性的研究 昆虫的高的代谢速度与飞行肌的结构及飞行相关的酶关系密切。到目前为止，与昆虫能量代谢 方面 前人已经做过一些研究。在成虫羽化后，昆虫在生化上的成熟是与飞行能力的成熟相伴而发生。脑部酶活性与运动能力有关，同时与肌肉组织中控制释放 能量的有关酶的活性密切相关。底物的浓度不能代表利用率，飞行引起血淋巴中的底物浓度的降低，然而这并不能估计底物的利用率，因为底物可以从底物的储备库中得到补充（ ， 1984）。虽然 3 脱氢酶（ 3柠檬酸合成酶（ 是调节酶，但它们的活性可以在一定程度上通过它们所涉及的途径解释代谢循环中的能量流动（ ， 1975） 。 虫飞行肌的结构与功能 昆虫是无脊椎动物中惟一有翅的一类 ,飞行肌是昆虫特有的肌肉类型，昆虫的肌肉属于横 纹肌，与脊椎动物的骨骼肌相同，由许多平行的肌纤维组成。肌纤维是长方形的多核细胞，外面包有薄层的肌膜，内有许多细而平行排列的肌原纤维充塞于其间的肌质所构成。飞行肌结构和发育是迁飞昆虫具备较强的飞行能力的物质保障，是将化学能转变为机械能的“发电机 （罗礼智 ,1996）。飞行肌的结构特点直接影响到它将化学能转变为机械能的潜力。结构决定潜在功能，适宜的飞行肌结构是昆虫迁飞的基础。前人利用石蜡切片、透射电镜等技术已对弄蝶 1967)、夜蛾 975)、小地老虎 (王荫长等， 1986)、粘虫 罗礼智等， 1996) 、棉铃虫 吴孔明等， 1997）等进行了研究。 在偏光显微镜下，肌原纤维呈现出明暗相间的带状构造 ,在明带 (中部有薄膜 (贯穿其间 ,相临薄膜之间的部分构成肌节 ,是肌细胞收缩的基本单位。电镜下可见肌原纤维由粗、细 2种肌丝构成，它们沿肌纤维的长轴并按规则的空间布局互相穿插平行排列。 粗肌丝的成分是肌球蛋白 ,细肌丝的主要成分是肌动蛋白 ,辅以原肌球蛋白和肌钙蛋白 (图 1, 。 肌肉收缩是粗肌丝和细肌丝的相对滑动引起的 ,而粗细肌丝本身长短不发生变化 ,肌丝滑动的动力是肌动球蛋白横桥键角的改变。 昆虫飞行肌中的这些蛋白质不仅构成了粗肌丝、细肌丝、纤肌丝，其中有很多蛋白质还参与肌原纤维的组装和调节，对于这些蛋白质的了解有助于我们理解昆虫飞行肌的发育和探索昆虫飞行能力差异的原因。 飞行蛋白是一种位 于间接飞行肌粗肌丝的特异性蛋白 ,它使肌球蛋白疏水性氨基酸和带电氨基酸重复排列 ,并指导粗肌丝的正确组装 ,有的研究已表明 ,飞行蛋白对正常肌节的结构和肌肉收缩具有重要作用 ,并且它与肌球蛋白杆部相互作用。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 引言 4 图 蝇飞行肌肌节结构及蛋白质组成 1993）检测了豌豆蚜间接飞行肌在发育和降解过程中所含蛋白质的变化与食料、飞行、繁殖的关系。研究表明有翅若蚜的间接飞行肌在 4龄若蚜至成蚜的早期就开始发育，并随着迁飞定居而降解。在饥饿后，只有经 再次取食，间接飞行肌才开始组织降解（ 959）；这表明飞行肌的降解是受外界因素的控制，如食物的适合性和质量；影响飞行肌降解的因素通过调整昆虫体液因子的平衡来实现的。保幼激素就是一个重要的体液因子。 行行为的内分泌调控 迁飞昆虫飞行与生殖进化的基础是在这两个过程之间通过神经内分泌系统构成的生理调控。昆虫中有三种内分泌或者神经因素直接或间接地对昆虫飞行行为有影响：（ 1）脂动激素（ 2）章鱼胺（ 3）保幼激素。 在多数昆虫中，已经明确保幼激素具有影响飞行肌发育和溶解的功能。例如，在加州齿小 蠹1968）和蝽蟓 高的保幼激素滴度可能与产卵的启动有关，从而导致飞行肌的降解。相反，在科罗拉多的马铃署甲虫中 et 1968） ，保幼激素似乎对于滞育后飞行肌的再生是必需的并有可能与迁飞行为有关。在金龟子 侧体活性的状态能影响飞行的方向，要么朝向生殖和取食地点，要么离开。 关于迁飞与 生殖滞育最为明显的关系， 1966)提出，由于保幼激素的缺乏，迁飞是在生殖之前进行的。保幼激素对飞行的影响在一些典型的迁飞昆虫如马利筋长蝽、集栖瓢虫和普累克西普斑蝶中被充分研究。在这三种高度迁飞的昆虫中，已经表明保幼激素对飞行和生殖均有刺激作用。激素的这种双重作用不一定是普遍性的，在一些昆虫中，保幼激素能够导致飞行肌降解中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 引言 5 或者对飞行行为无显著的影响。如果保幼激素主要是作为激素调控变型（变态）而进化的，那么它对成虫生殖发育的作用可能是第二位的。保幼激素调控迁飞行为可能是作为与定殖的生活型相联系的 选择反应而发展的，理想的状态是飞行与生殖两者的参数均能最大化。同一种激素对飞行和产卵均有促进作用是一种对迁飞者后代延续很有效的机制，至少在新的栖息地里首次产卵量会最大。在蝗虫中，神经内分泌系统可能对飞行和生殖均具有调控作用。 964)在沙漠蝗和 飞蝗上发现卵巢发育随着飞行而加快并伴随着在心侧体和脑间叶神经细胞的减少，另外，咽侧体体积与卵巢发育的关系也有循环的变化。 蝗型变研究进展 蝗多型现象 多型性（ 由 8世纪引入 生物界，此后观察注意到许多植物在生长的统一时期的不同形式的变化。在 19世纪末多型性用于蚂蚁的不同级。多型性现在被广泛用于昆虫来描述一个种内不同个体间的差别，在外部特性上的不相似性 ， 如表型的多样性。多型性在昆虫中相当普遍（ 980;986;996;997） ,如膜翅目、直翅目、等翅目、鳞翅目和同翅目等昆虫种内个体多型及表型的多型性。生物进化学家将翅的多型性作为一个模式来研究昆虫的分布、发育和生活史的进化；昆虫生理学家则用其来研究昆虫种 内发育过程中的内分泌调控（ 985;982,1994;996;1997）。 飞蝗型变现象系俄国凯宾于 1870年研究飞蝗 飞蝗有两种形态学形式，并认为是同一物种的两类可互变的现象。 1921年 将蝗灾与型变相联。该理论自提出后，曾一度引起研究者兴趣，并逐步得以完善和充实。当今比较有代表意义的是 1991,1998)、郭郛 (1989)总 结的型变理论。飞蝗在自然情况下和在实验室饲养情况下，都有群居型、散居型两种生态型，群居型、散居型在体色、体型、生活习性、生理特征、发育和行为等方面有明显差异，并且两型之间可相互转化。人们将飞蝗的群居型和散居型的变化过程叫做变型现象，飞蝗的变型是昆虫多态性的一种形式。 响飞蝗型变的因素 种群密度、虫龄与型变关系。郭志永，石旺鹏等（ 2004）通过室外笼罩，室内行为测试等实验，研究了东亚飞蝗群居型和散居型的判定指标，认为 F/足 腿 节 与头部最宽处 之比）可作为四龄以上东亚飞蝗的形态型变判定指标 ,而 E/前翅长度与后足腿节长度之比）可作为东亚飞蝗成虫的形态型变判定指标 。 两型的 F/且同龄期雄虫 F/。 F/C、 E/ 因此 ,确定两型形态型变标准时应将雌、雄虫分开 ,即雌性和雄性散居型第四、五龄及成虫的 F/5、 28、 33和 26、29、 35；雌性和雄性群居型第四、五龄及成虫的 F/5、 27、 31和 25、 28、 33。成虫的 E/ 张龙，李洪海（ 2002）采用东亚飞蝗虫口密度 和龄期研究其由群居型向散居型转变的影响。中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 引言 6 结果表明，不同密度条件下饲养的蝗虫其由群居型转变成散居型的速度不一样。密度越高，转变的速度越慢；当密度过高时，即使由三龄期开始隔离也无法转变其生态型。将处于三龄 期群居型蝗蝻在低密度下隔离，到四龄时为过渡型，到五龄和成虫时为散 居型；而四龄期的群居型蝗蝻经隔离后，在成虫时仍为群居型。所以他们认为三龄期可能是东亚飞蝗由群居型向散居型转变的临界期。超过三龄，即使在低密度下也不易发生生态型转变。 食物与型变关系 。 1968)以沙漠蝗为试虫，在成虫期 运用 E/F, F/为食料是对型变有重要影响。这与 939)、 1995,1996)研究结果基本一致。食物分布、栖境、微气候等非生物因素对型变有重要影响。 温度、光照与型变关系。行为学家 939,1956)结合多年对沙漠蝗及非洲飞蝗的野外观察和试验，主要以蝗蛹的分散、集中、聚集、群集、“晒太阳”活动行为作为判定飞蝗群居型、散居型主要指标，成虫期辅以 E/为温度、光照是影响型变的主要因子之一。 总 之，影响飞蝗型变的主要因素，当前普遍接受的是 1961年 977年 飞蝗种群密度是影响型变的决定性因子，行为是导致型变的直接原因 (1955； 1963)。密度变化首先引发行为改变 (1994)，行为变化胁迫飞蝗作相应的生理调整(1995； 1995； 1996)继而导致生理、生态及生物学典型差异，最终造成两型形态明显差异。环境及其他生物因子通过调节种群密度或胁迫行为改变而间接影 响型变(991； 1994)。 幼激素的研究进展 保幼激素（ 昆虫咽侧体分泌的一种重要的内分泌激素，具有保持幼虫期的特征；维持前胸腺的活性；促进卵巢发育成熟等作用。从 1967 年 发现第一种天然保幼激素以来，至今已经在昆虫体内发现了 7 种天然保幼激素。昆虫的飞