亚洲玉米螟抗寒性的研究

凯里地区亚洲玉米螟耐寒性研究摘要玉米是贵州省第二大粮食作物，常年播种面积约100万hm２，占粮食总面积和总产量均为40%。然而，在玉米害虫为害情况上，玉米螟所带来的经济影响是十分严重的，发生数量大，为害时间长。所以，防治亚洲玉米螟是很重要的任务。由于环境因素等，适宜亚洲玉米螟生长发育的环境条件没有得到有效的控制，使其为害日益加重，发生频率也日益增加，所以，从根本上对亚洲玉米螟的防治是很有必要的。亚洲玉米螟是以滞育的老熟幼虫越冬，越冬是玉米螟生活史中的薄弱环节，越冬幼虫的存活率决定着来年种群数量，越冬存活率的高低与抗寒能力密切相关。因此，开展玉米螟抗寒能力的研究对于准确预测预报亚洲玉米螟种群动态及其防治有重要的理论指导意义。关键词：凯里地区；亚洲玉米螟；耐寒性；植物学 AbstractCornisthesecondlargestfoodcropinGuizhouprovince,perennialsownareaofabout1millionHM2,accountingfortotalgrainsizeandtotalproductionof40%.However,theeconomicimpactofcornborerisveryseriousinthecaseofmaizepestdamage,whichhasalargenumberandlongdamagetime.Therefore,thepreventionofAsiancornborerisaveryimportanttask.Duetoenvironmentalfactors,theenvironmentalconditionssuitableforthegrowthanddevelopmentofAsiancornborerhavenotbeeneffectivelycontrolled,makingitmoreharmfulandmorefrequent,soitisnecessarytocontroltheAsiancornborerfundamentally.AsiancornBoreristhediapauseoftheoldmaturelarvaewintering,winteringistheweaklinkinthelifeofthecornborer,thesurvivalofoverwinteringlarvaedeterminesthenumberofthenextyear,overwinteringsurvivalrateandcoldresistanceiscloselyrelated.Therefore,itisofgreattheoreticalsignificancetostudytheresistanceofcornborertopredictthepopulationdynamicsandcontrolofAsiancornborer.Keywords::Careyregion;Asiancornborer;coldresistance;botany 目录TOC\o"1-5"\h\z\u1前言 41.1亚洲玉米螟的研究概况 41.2研究意义及目的 42研究材料与方法 42.1供试虫源 52.2研究方法 52.2.1过冷却点的测定 52.2.2低温存活率的测定 52.2.3数据处理 53结果与分析 53.1亚洲玉米螟过冷却点与抗寒性的关系 53.2亚洲玉米螟低温处理与抗寒性的关系 74讨论 9参考文献 10致谢 121前言 1.1亚洲玉米螟的研究概况亚洲玉米螟Ostriniafurnacalis，属鳞翅目螟蛾科秆野螟属的一种昆虫。我国玉米螟的优势种是亚洲玉米螟，它体虫小，危害潜力大，分布面积广，是我国玉米等作物的重要害虫，严重影响玉米产区的玉米质量与产量，玉米螟已经成为我国玉米产量不稳定的重要因素。一般年份玉米受玉米螟为害减产10%左右，夏玉米减产更多，严重时可减产30%以上，造成巨大的经济损失。我国昆虫学者在本世纪30年代就开始了对玉米螟的研究工作，50~60年代，昆虫研究者对玉米螟进行了大量研究，明确了其发生规律及其危害情况，到了70年代以后，亚洲玉米螟的研究取得了巨大的成就，促进了玉米螟研究工作的发展。由于亚洲玉米螟的经济重要性，我国非常重视其研究，1983年以来玉米螟研究一直被列入国家重点攻关课题进行协作研究，解决了许多关键问题，在各方面取得了巨大的成功。但在亚洲玉米螟的耐寒性研究上还相当的薄弱。所以研究其耐寒性是十分有必要的，进一步加强对亚洲玉米螟的了解，为其防治提供更加充分的依据。1.2研究意义及目的玉米是贵州省第二大粮食作物，常年播种面积约100万hm２，占粮食总面积和总产量均为40%。然而，在玉米害虫为害情况上，玉米螟所带来的经济影响是十分严重的，发生数量大，为害时间长。所以，防治亚洲玉米螟是很重要的任务。由于环境因素等，适宜亚洲玉米螟生长发育的环境条件没有得到有效的控制，使其为害日益加重，发生频率也日益增加，所以，从根本上对亚洲玉米螟的防治是很有必要的。亚洲玉米螟是以滞育的老熟幼虫越冬，越冬是玉米螟生活史中的薄弱环节，越冬幼虫的存活率决定着来年种群数量，越冬存活率的高低与抗寒能力密切相关。因此，开展玉米螟抗寒能力的研究对于准确预测预报亚洲玉米螟种群动态及其防治有重要的理论指导意义。2研究材料与方法 2.1供试虫源2017年于凯里周边地区玉米收获期采集亚洲玉米螟田间越冬虫源，并置于实验室培养繁殖备用。2.2研究方法2.2.1过冷却点的测定热敏电阻法测定。将热敏电阻测温探头固定在虫体上，然后置于低温冰箱中，以1℃∕min的速度使冰箱内温度下降，温度的变化使热敏电阻值发生改变。2.2.2低温存活率的测定将供试幼虫3、4和5龄幼虫各分为3组，每组30头，分别放置在预设温度的冰箱和光照培养箱中，在恒定温度—20℃、—15℃、—10℃、—5℃、0℃、5℃、10℃、15℃和20℃（误差为±0.5℃）下分别放置48h，低温处理后转移到正常饲养条件下饲养，24h后计算存活率。2.2.3数据处理 所有准备工作完成后，按照研究方案逐步实施，对亚洲玉米螟的过冷却点和低温存活率进行测定，记录真实数据并进行数据分析处理，达到预期目标。3结果与分析 3.1亚洲玉米螟过冷却点与抗寒性的关系环境因素与食物。季节变化昆虫的抗寒能力呈现出季节性的变化趋势，即随着冬季低温的到来，其抗寒能力逐渐增强，冬季过后又随气温的回升，其抗寒力逐渐减弱。一般情况下，昆虫的过冷却点也具有明显的季节性变化（表1）。例如，红褐斑腿蝗（CatantopspinguisStal）成虫的夏季SCP为-4.0℃，冬季为-19.3℃。从表1中可以看出，红火蚁（SolenopsisinvictaBuren）工蚁成虫夏季与冬季之间的过冷却点变化幅度最小，是5.5℃。此外，蛛形纲的甲螨（Phauloppiap）夏季与冬季之间的过冷却点的变化幅度比昆虫要大很多，达到25.9℃。由此可以看出季节变化对昆虫的过冷却点有较大的影响。这可能是由于随着季节性气温变化，昆虫体内产生一些抗冻保护物质，从而使其过冷却点发生适应性的变化。有些昆虫的过冷却点值波动较大，每个季节既有最高值又有最低值。同时，这两部分的比例随着季节性气温的变化有明显的差异。气温较低的月份，较低SCP的比例增加，而且最小过冷却点的值也更低；反之，较高SCP的比例增加，过冷却点最高值也升高。一种昆虫的SCP为何会产生如此大的差异，Sjursen等的解释是，环境变化时一些个体能紧跟微环境的变化，而另外一些个体则需要较长时间的驯化。地理位置。低纬度地区昆虫的过冷却点高于高纬度地区昆虫的过冷却点。例如，从玉米上采集的棉铃虫通州种群（低纬度）的过冷却点极显著高于饶阳种群（高纬度）。麦红吸浆虫（Sitodiplosismosellana）河南辉县（N35°27'）种群和天津（N39°07'）种群的过冷却点差异为6.88℃；二化螟（Chilosuppressalis）福建福州（N26°8'）种群和北京（N39°38'）地区种群的过冷却点差异只有0.23℃。总体来看，不同维度地区同种昆虫的过冷却点差异不是很大，这可能是由于因为食物源的不同或者是生境压力的差异。在南方地区种群中，昆虫过冷却点的个体变异较小，中部和北方地区个体间的变异都明显增加，即靠北的种群个体变异相对较大，接受自然选择的范围扩大。而南方种群通常处于稳定而温暖的气候条件下，缺乏提高过冷却能力的进化压力。由此可见，昆虫过冷却能力和耐寒性的提高有其生理基础和进化上的意义。冷驯化。昆虫在经历一个胁迫温度之上较温和的低温后，能够增强其抵抗低温伤害能力的现象称为冷驯化。这一过程可能是昆虫应对不良环境的进化适应现象。在早春或晚秋气温急剧波动的情况下，许多昆虫可以通过快速冷驯化反应迅速提高它们的耐寒能力，来抵御自然界这种昼夜温度的变化或短时间的低温暴露。昆虫经冷驯化后过冷却点降低。越北腹露蝗滞育卵在5℃适应30d后，平均过冷却点从-20.1℃显著降低到-25.9℃。草地螟（LoxostegesticticalisLinne）[23]幼虫经4℃处理1d的非滞育幼虫冰点为-2.28℃，而处理25d则降低到-4.76℃，过冷却点可从-13.97℃降低到-21.47℃；经4℃处理25，35d的滞育幼虫，其过冷却点分别为-25.82℃和-26.79℃，冰点分别为-5.59℃和-9.13℃。在低温驯化过程中，昆虫可在体内聚集低分子量的多元醇或大分子的抗冻蛋白，这些物质能很好地维持昆虫的过冷却状态。降温速率。在测定过冷却的过程中发现，降温速率影响昆虫的过冷却点。冷却速度越小则过冷却点就越低。在自然界中，昆虫对低温的感受都是一个逐渐的过程，因此，在实验室测定昆虫的过冷却点时有必要考虑以较慢的冷却速率来降温。在0.1～15.0℃•min-1降温速率范围内测定白蛾周氏啮小蜂（ChouioiacuneaYang）和黄粉甲（Tenebriomolitor）老熟幼虫的SCP和FP结果表明，白蛾周氏啮小蜂的SCP和FP与降温速率具有一定的线性关系，而黄粉甲老熟幼虫的SCP和FP与降温速率间的变化不规律，但在这个降温速率范围内随着降温速率的增加，2种试虫的SCP都有缓慢升高的趋势[26]。昆虫的过冷却点在不同的冷却速率内其测定值常不一致，原因可能与环境、营养、发育阶段和虫体结构的不同有关。食物。昆虫取食的食物不同，对过冷却点也有影响。在不同寄主中发育的桔小食蝇（BactroceradorsalisHendel）SCP值存在显著差异，其中以取食浦桃者最高，为-11.03℃，取食苦瓜者最低，为-13.17℃。为害黑松和乌尾松的松突圆蚧（Hemiberlesiapitysophila）雌成虫的过冷却点，显著高于为害湿地松和火炬松的松突圆蚧的过冷却点，二者间过冷却点的温差为0.9～2.3℃。棉铃虫（Helicoverpaarmigera）幼虫取食棉花时产生的滞育蛹的过冷却点，低于取食玉米的滞育蛹的过冷却点。而且采自棉花的棉铃虫个体间过冷却点比较稳定，而采自玉米的个体间变化较大。由于寄主的营养直接作用于昆虫体内抗寒性物质的积累和与低温耐寒能力等有关的生理代谢过程，因此不同寄主对昆虫过冷却点的影响，可能是由于寄主的营养成分和含量的不同所造成的。3.2亚洲玉米螟低温处理与抗寒性的关系上述环境因素与食物、昆虫的发育阶段与生物学状态等因素对昆虫过冷却点的影响最终都是通过昆虫体内含水量、抗冻保护物质的产生与变化来实现的。体内含水量。过冷却点和昆虫体内的总含水量呈正相关，总含水量高的虫体，其SCP也较高。有些昆虫的总含水量基本不变，SCP与结合水含量呈负相关，与自由水含量呈正相关。甘薯天峨（AgriusconvolvuliL.）幼虫和中华通草蛉（Chrysoperlasinica）成虫体内含水量和SCP呈现出较好的正相关，体内含水量高的幼虫，其SCP较高。桑螟（DiaphaniapyloalisWalker）越冬幼虫和异色瓢虫（Harmoniaaxyridis）体内含水量随气温下降逐渐减少，过冷却能力随体内水分的减少而增强，越冬后期随水分的增加而降低。虫体总水含量下降造成血淋巴体积减小，导致无机盐类如K+、Na+和Mg2+含量增大，从而改变了离子平衡电势和跨膜电化学势，提高了通过调节虫体细胞原生质黏性和加大渗透压，来降低虫体结冰的可能性。光滑鳖甲（A.polita）成虫在不同季节的总含水量基本稳定。准备越冬过程中，结合水含量升高，自由水含量降低。结合水含量与SCP高度相关，表明光滑鳖甲通过提高结合水的比例降低SCP。将越冬期水稻二化螟（ChilosuppressalisWalker）幼虫游离水和结合水含量分别与SCP呈正、负相关，说明二化螟幼虫暴露于冬季低温时，通过减少游离水含量而增加结合水含量来降低体液SCP，提高自身过冷却能力。在越冬前将体内游离水排出或部分转化为结合水，以提高体液浓度确保体内较大又连续的水相可被一些组织或高浓度物质分隔，或诱导抗冻蛋白生成等来阻止虫体胞内结冰，从而避免胞内或其它重要部位遭冷害。脂肪。昆虫虫体内总脂肪的含量与其SCP呈负相关，体内脂肪含量越高，其SCP越低。此外，游离脂肪和结合脂肪含量分别与过冷却点呈正、负相关。。甘油含量与过冷却点呈负相关，甘油含量越高，SCP越低。光滑鳖甲体内甘油浓度每增加1mg•mL-1，虫体的SCP降低0.62℃，表明该虫可通过启动体内甘油合成与代谢，来调控其耐寒性以应对低温胁迫。越冬期二化螟幼虫游离脂肪和结合脂肪含量分别与同期SCP呈正、负相关，说明该越冬幼虫可通过自发调节体内两种脂肪比例来增强其耐寒性。小分子碳水化合物。过冷却点与昆虫体内碳水化合物的总量呈正相关。碳水化合物含量越高，SCP越低。总糖含量可作为昆虫耐寒性的一个指标。昆虫血淋巴内的葡萄糖、海藻糖、山梨醇等小分子碳水化合物，可以有效保护虫体免于冰冻的损伤。由于这些物质结冰时被浓缩，它们的存在可以将盐保持在溶液中，保证了体内正常代谢的进行。多元醇的羟基能有效地与水结合，减少水分流动性，从而也减少参与结冰的水分。多元醇类还可以通过调节胞外结冰所引的胞内脱水产生的渗透压变化而稳定蛋白质的结构，减少快速结冰造成的损伤，从而协同血淋巴高效晶核，维持昆虫的耐冻性。海藻糖能稳定膜的结构，从而抑制体内水分降低所引起的膜和凝胶的转相，海藻糖对膜结构的稳定效应大大强于双糖、单糖或多元醇。抗冻蛋白。抗冻蛋白是具有热滞效应，能结合并抑制新的冰晶生长，能抑制冰的重结晶的一类蛋白质。抗冻蛋白可降低溶液的冰点而不影响其熔点，由此产生抗冻蛋白特有的热滞活性（thermalhysteresisactivity，THA）。热滞活性越大，抗冻能力越强。例如，光滑鳖甲的THA的季节性变化与虫体SCP的变化趋势一致，血淋巴的热滞活性每增加1℃，虫体的SCP降低5.26℃。此外，过冷却点和AFP代谢有时间上的对应性，例如昆虫Meracanthacontracta，在2月份当地气温最低时，体液过冷却点最低，AFP积累量也最大；随着气温回升，过冷却点也升高，AFP积累量减少。目前认为AFP合成的调节是气候因子（低温，短日照，低的相对湿度）正向作用于中枢神经系统，导致内分泌激素（AKH，JH等）增加，促使在脂肪体合成AFP。根据氨基酸组成的差异，将AFP分成3种类型：Ⅰ型，富丙氨酸；Ⅱ型，富半胱氨酸；Ⅲ型，不富丙氨酸也不富半胱氨酸。抗冻蛋白的功能除了能产生热滞效应外，还能改变冰晶的形态，能够结合并抑制新的冰晶生长，降低血浆的冰点；另外，它还能抑制冰的重结晶，防止小的冰晶凝聚成大的冰晶。Rubinsky等还发现AFP能阻断Ca+、K+通道，维持细胞膜的稳定性，抑制冰晶对细胞膜的损伤。AFP还可能与昆虫体内水分平衡有关，可增强细胞或体液的保水能力。相比于其他的抗冻保护物质，由于抗冻蛋白能非依数性降低昆虫体液的冰点，因而认为抗冻蛋白在昆虫的抗冻过程中起着十分重要的作用。氨基酸。昆虫进入越冬期后丙氨酸、脯氨酸、丝氨酸等氨基酸含量增加，对比虫体和血淋巴内氨基酸含量可以看出，惟有丙氨酸含量均增加，可以认为丙氨酸为越冬幼虫的主要抗寒物质。丙氨酸参与降低过冷却点的直接证据还没有，但是在极地海洋鱼的研究中发现，抗冻蛋白中60%的氨基酸残基是丙氨酸。抗冻蛋白的主要作用是吸附潜在的晶核，而丙氨酸侧链的甲基起着疏水屏障的作用，阻止了水分子同晶核结合。由此可见，游离丙氨酸可能参与屏蔽晶核的作用，从而降低冰点和过冷却点。4讨论综上所述，影响昆虫过冷却点的因素很多，这些因素相互关联共同发挥作用。季节变化、食物等环境因素影响昆虫的发育和生物学状态，而这些因素对过冷却点的影响最终都是通过昆虫体内甘油、氨基酸、抗冻蛋白等抗冻保护剂的产生与变化来实现的。研究昆虫的过冷却点对于认识其抗寒特性与机理，进而保护农业益虫，防治农业害虫都有重要的意义。参考文献[1]李耀华，刘小宁，马纪.荒漠昆虫小胸鳖甲水通道蛋白基因MpAQP1克隆及低温对其表达的影响[J].环境昆虫学报，2017，39（06）：1326-1333.[2]林浩宇，臧振华，付烈庆，林建辉，梁光红.刺桐姬小蜂对低温胁迫的耐受性评价[J].森林与环境学报，2017，37（03）：379-384.[3]秦明，王红芳，刘振国，王颖，胥保华.蜜蜂耐寒性及其机理的研究进展[J].中国蜂业，2017，68（07）：21-24.[4]秦明，王红芳，刘振国，王颖，王帅，郗学鹏，刘春蕾，张卫星，胥保华.中华蜜蜂和意大利蜜蜂耐寒性能差异比较[J].中国农业科学，2017，50（12）：2380-2388.[5]张柱亭，李静，盘升级.黔东南3种农业害虫的低温适应性[J].江苏农业科学，2016，44（12）：155-156.[6]郭婷婷，于志浩，门兴元，于毅，郑长英，孙廷林，张思聪，李丽莉.双委夜蛾不同虫态耐寒性及体内生化物质含量变化[J].昆虫学报，2016，59（12）：1291-1297.[7]史彩华，胡静荣，李传仁，张友军.环境胁迫下昆虫的耐寒适应机制研究进展[J].植物保护，2016，42（06）：21-28.[8]刘晨，李英梅，陈志杰.南方根结线虫耐寒性研究进展[J].陕西农业科学，2016，62（07）：98-100.[9]任小云，齐晓阳，安涛，韩艳华，陈红印，张礼生.滞育昆虫营养物质的积累、转化与调控[J].应用昆虫学报，2016，53（04）：685-695.[10]唐真正，王谨，刘向蕊，李艺琼，吕宝乾，彭正强，于永浩，刘忞文.热带两种入侵棕榈害虫耐寒性比较[J].植物检疫，2016