高温和吡虫啉长期驯化对禾谷缢管蚜温度响应的影响

王文娜，邢 鲲，赵 飞，张利军

（山西农业大学植物保护学院，山西太原030031）

全球气候变暖、极端高温事件频繁发生对地球生物已产生显著影响，对其生态后果的评估也成为了全球热点[1]。昆虫具有体型小、繁殖快、世代多、对环境变化响应迅速的特点，是评估气候变暖对生物多样性影响的理想对象[2-4]。研究证实，全球温度升高已对昆虫的生长发育、存活、繁殖、分布以及丰富度等核心生命活动产生深刻的影响[5]。而作为化学农药靶标对象，昆虫在自然界中也频繁受到化学农药的胁迫影响[6-7]。随着化学农药广泛、频繁使用，温度与农药的田间互作越来越频繁。因此，开展温度和农药背景下昆虫响应环境的研究，对全球气候变暖下的生物多样性保护和农药应用风险具有重要的意义[8]。

昆虫主要通过基底耐受性和表型可塑性来应对环境逆境。前者代表昆虫内在的耐受能力，例如2 种沙漠蚂蚁撒哈拉银蚁（Cataglyphis bombycina）和二色箭蚁（Cataglyphis bicolor）具有所有陆生动物中最高的热上限阈值[9]；而后者主要指通过亚极端环境数小时的短时锻炼或数天到数周、甚至数年的长期驯化诱导的可塑响应[10]。另外，有研究也发现，其他胁迫也可能对昆虫热耐受性产生交互影响。例如褐飞虱（Nilaparvata lugens）经亚致死农药处理后会增加其高温耐受性[11]。但这些研究重点关注的是昆虫当代或母代环境驯化的可塑性响应，缺乏种群繁衍过程中长期不良环境，特别是高温和农药长期驯化对昆虫温度响应影响的对比研究。

禾谷缢管蚜（Rhopalosiphum padi）属半翅目（Hemiptera）蚜科（Aphididae），是我国及世界各地小麦的重要害虫之一。本试验研究了长期（2 a 以上）亚致死高温（29 ℃）和农药（吡虫啉）驯化对禾谷缢管蚜环境温度生理耐受性以及生态表现响应的影响，旨在为理解温度与农药长期驯化背景环境下的昆虫响应气候变暖生态机制提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试禾谷缢管蚜于2016 年7 月上旬采自山西省农业科学院高寒区作物研究所朔州市试验基地（E113°15′38″，N39° 55′19″）。供试麦种来源于山西省农业科学院作物科学研究所。

1.2 试验方法

1.2.1 麦苗种植 麦种在清水中浸泡15 s 后，均匀撒入盛有湿润营养土的营养钵（12 cm×10 cm）并盖薄土后置于盛有800 mL 清水的塑料盘（23.5 cm×17.5 cm×6.5 cm）内，苗高5 cm 左右时用于蚜虫饲养。为保证麦苗新鲜度，每隔7 d 更换一次。育苗条件为：温度（22.0±0.5）℃，湿度50%～70%，光周期L16∶D8。

1.2.2 试验用虫种群

1.2.2.1 实验室对照种群（CK） 将采集到的蚜虫在山西农业大学植物保护学院养虫室内建立实验室对照种群，并进行长期饲养。因虫源地发生期日均温度22 ℃，日均最高温度29 ℃，所以，养虫室温度为（22.0±0.5）℃，湿度50%～70%，光周期L16∶D8。

1.2.2.2 高温种群（High temperature population，HP） 禾谷缢管蚜生长发育恒温上限为30 ℃，但室内无法长期继代饲养[12]，因此，选择29 ℃作为长期定向驯化高温。于2018 年1 月将部分实验室种群CK接入新鲜麦苗上并放置在（29.0±0.5）℃人工气候箱内（宁波江南仪器厂，RXZ-380B），湿度50%～70%，光周期L16∶D8。研究开始时已成功饲养2 a，连续继代80 代以上。

1.2.2.3 吡虫啉种群（Imidacloprid population，IP）根据章玉萍等[13]的方法，略有改动。先将95%吡虫啉原药（中农联合生物科技有限公司提供）用丙酮配制成10 mg/mL 母液，用蒸馏水按照不同浓度稀释进行育苗，小麦种子种植前先在不同浓度药液里浸泡15 s，然后将药液倒入营养盘，麦苗种植方法同1.1.1，待麦苗长至5 cm 并接入部分实验室种群CK 群体筛选，每4 代再对此种群进行一次毒力测定，并用该次测定的LC50浓度继续进行群体筛选，以此类推。当吡虫啉亚致死浓度为1.5 μg/mL 时，达到种群的稳定浓度。试验开始前一直保持此浓度对蚜虫进行继代饲养。饲养条件为：温度（22.0±0.5）℃，湿度50%～70%，光周期L16∶D8。研究开始时已成功饲养2 a。

1.2.3 驯化条件及当代温度对禾谷缢管蚜耐热性的影响 采用CAO 等[14]的单管饲养法，分别挑取不同背景的驯化种群的健康无翅成蚜各30 头分别置于22、29 ℃人工气候箱内（湿度50%～70%，光周期L16∶D8），6 h 后每管保留2 头若蚜，去除成蚜及多余初产若蚜，每隔2 d 更换一次饲养管内麦叶，每隔1 d 添加一次营养液。饲养至9 日龄成蚜时进行最高临界温度（CTmax）测定。

测定方法参照文献[15]进行。将供试蚜虫独立置于一侧贴有尼龙纱布（0.074 mm 孔径）的蜂巢板（80 mm×80 mm）小孔（直径5 mm、深度5 mm）中，然后用透明塑料板将蜂巢板盖住并用小夹固定，防止蚜虫逃逸。随后将蜂巢板置于由高精度冷热循环油浴装置（Ministat 230-cc-NR，Huber 有限公司，德国；精度0.01 ℃）控温的双层玻璃反应釜中。在22 ℃平衡5 min 后，以0.5 ℃/min 速率升温至30 ℃，再以0.1 ℃/min 速率升温至40 ℃，用索尼摄像机拍摄记录蜂巢孔内每头蚜虫触角或四肢最后一次颤动时间及其对应的温度。

1.2.4 环境背景及当代温度对禾谷缢管蚜生活史性状的影响 分别挑取不同背景的驯化种群的健康无翅成蚜各60 头分别置于22、29 ℃人工气候箱内（湿度50%～70%，光周期L16∶D8），6 h 后每管保留1 头若蚜，去除成蚜及多余初产若蚜，麦叶及营养液处理同1.2.1。于每日8：00，检查各处理每头蚜虫的蜕皮与存活情况。成蚜羽化后，记录每日新生若蚜数后将其用小毛笔轻轻移出饲养管，待所有供试蚜虫死亡后，试验结束。所有蚜虫均测定了发育历期、存活率、寿命及繁殖量。其中，若蚜发育历期为蚜虫从出生至羽化为成蚜的天数；若蚜存活率指活到成蚜的若蚜占全部测试蚜虫的百分比；成蚜寿命为每头成蚜存活天数；繁殖量为每头成蚜的产仔总数。

1.3 统计分析

除逃逸个体外，供试蚜虫均用于统计分析。若蚜发育历期和成蚜寿命数据非正态分布（Shapiro-Wilks 测试，P＞0.05），经平方根转换后用于分析。CTmax、若蚜发育历期、成蚜寿命和繁殖量均采用双因素法进行方差分析，利用邓肯氏新复极差法进行温度下不同种群间多重比较，并利用独立样本t检验进行温度处理间的差异显著性分析（SPSS 20）。若蚜存活率采用列联表法进行显著性分析。种群参数采用Poptools 软件计算。采用Excel 2010 软件作图。

其中，X表示蚜虫日龄；lx表示蚜虫在X日时的存活率；mx表示蚜虫在X日时的繁殖量。

2 结果与分析

2.1 驯化条件及当代温度对禾谷缢管蚜成蚜耐热性CTmax 的影响

驯化条件（F2，173＝9.186，P＜0.001）和当代温度（F1，173＝17.543，P＜0.001）对禾谷缢管蚜CTmax 均有极显著影响，但没有明显的互作效应（F2，173＝0.589，P＝0.551）。在HP（t＝3.729，df＝55，P＜0.001）和IP（t＝2.722，df＝57，P＝0.009）下，2 种当代温度处理间差异极显著，且2 个种群29 ℃处理与22 ℃处理相比分别升高0.58、0.43 ℃。

当代22 ℃下3 个种群的CTmax 均无显著区别（F2，86＝1.796，P＝0.172）。但在当代29 ℃下，3 个种群的CTmax 差异显著（F2，86＝13.434，P＜0.001），HP和IP 较CK 的Ctmax 均显著升高，分别升高0.66、0.47 ℃（图1）。

2.2 驯化条件及当代温度对禾谷缢管蚜生活史性状的影响

2.2.1 若蚜发育历期 当代温度对禾谷缢管蚜的发育历期有显著影响（F1，184＝27.343，P＜0.001），但驯化条件（F2，184＝0.881，P＝0.416）及二者的互作（F2，184＝2.233，P＝0.110）不显著。CK（t＝6.019，df＝85，P＜0.001）和HP（t＝2.856，df＝64，P＝0.006）在当代29 ℃下与22 ℃相比分别显著缩短了0.26、0.12 d，而IP 无显著差异（t＝1.494，df＝29，P＝0.149）（图2）。

2.2.2 若蚜存活率 当代温度（χ2＝7.720，df＝1，P＝0.005）和驯化条件（χ2＝7.652，df＝2，P＝0.022）对禾谷缢管蚜若蚜存活率均产生显著影响。

HP 在2 种当代温度处理下若蚜存活率差异显著（χ2＝7.720，df＝1，P＝0.01），且29 ℃的存活率与22 ℃相比显著降低14.44%。在22 ℃下，3 种种群间的存活率差异显著（χ2＝27.265，df＝2，P＜0.001），IP 与CK 相比存活率下降了50.33%；在29 ℃下，3 种种群间的存活率差异也显著（χ2＝7.652，df＝2，P＝0.022），HP 和IP 与CK 相比分别下降了22.01%和23.13%（图3）。

2.2.3 成蚜寿命 驯化条件对禾谷缢管蚜的成蚜寿命有显著影响（F2，184＝3.442，P＝0.034），但当代温度（F1，184＝2.281，P＝0.133）及二者的互作（F2，184＝1.433，P＝0.241）无显著差异。当代22 ℃下，IP（F2，92＝3.542，P＝0.033）的成蚜寿命显著低于CK及HP，分别缩短了5.04、5.97 d（图4）。

2.2.4 繁殖量 当代温度（F1，184＝17.037，P＜0.001）和驯化种群（F2，184＝4.713，P＝0.01）以及二者的互作（F2，184＝4.544，P＝0.012）对禾谷缢管蚜的繁殖量都有显著影响。CK（t＝2.344，df＝85，P＝0.021）和HP（t＝4.995，df＝85，P＜0.001）在2 种温度处理下繁殖量差异均显著，且2 种种群在29 ℃的平均繁殖量与22 ℃相比分别减少8.98、24.05 头。当代22 ℃下，与CK 相比，HP 的繁殖量增加了10.96 头，而IP降低了11.51 头（图5）。

2.2.5 种群参数 由表1 可知，无论是在22 ℃还是29 ℃发育温度下，HP 及IP 种群内禀增长率均低于CK；22 ℃下IP 的净繁殖率显著低于其他2 个种群，29 ℃下IP 的净繁殖率也低于CK；而HP 的平均世代时间最长。

表1 驯化条件及当代温度对禾谷缢管蚜种群参数的影响

3 讨论

3.1 当代温度处理对不同种群的禾谷缢管蚜成蚜CTmax 的影响

本研究发现，长期热、药以及当代高温驯化均可提高禾谷缢管蚜耐热性。亚致死热驯化提高机体耐热性这种现象在很多物种中被报道。如短时高温处理后的麦长管蚜（Sitobion avenae）[15]、禾谷缢管蚜（Rhopalosiphum padi）[14]、跳虫（Orchesella cincta）[16]和苹果蠹蛾（Cydia pomonella）[17]的致死高温存活率显著提高。这已被证实与热激蛋白诱导表达[18]以及山梨醇和甘露醇等热保护物质升高[19]有关。也有研究证实，农药等其他胁迫条件也可诱导热激蛋白产生，从而使生物对高温产生交互耐受性[20]。长期高温或农药驯化也可能导致GABA 受体基因特异表达[19]。

3.2 当代温度处理对不同种群禾谷缢管蚜生活史性状及种群参数的影响

虽然长期高温、吡虫啉驯化以及当代高温对禾谷缢管蚜成蚜的热耐受性有正面诱导效应，但这种可塑性响应也可能导致负面的生活史代价。本研究发现，长期热药驯化对禾谷缢管蚜若蚜发育历期影响较小，但对若蚜存活率、成蚜寿命及繁殖量、以及种群命运产生较大负面影响。这可能涉及到能量分配与权衡问题，例如朱砂叶螨（Tetranychus cinnabarinus）敏感品系热激后，增加了分子质量分别为97.2、74.3、62.4、53.0、30.3 ku 的5 条条带[21]；类似的，药材甲成虫在38、40、42 ℃分别胁迫2 h 后，其体内Sp Hsp90的表达量明显高于对照组。这说明Sp Hsp90在药材甲抵抗高温胁迫过程中起着重要的作用[22]。更加说明昆虫将更多能量物质用于抵御不良环境，用于繁殖后代的资源就会下降。本研究还发现，吡虫啉种群所产生的繁殖代价最大，这可能与农药胁迫不但诱导热激蛋白产生，还诱导大量解毒酶、保护酶的合成有关[23]，这种耐受性与可塑性间的权衡[24-27]可能会使热适应[28]以及农药适应物种的种群动态在全球气候变暖下面临更严重的威胁。

4 结论

本研究证实，农药长期驯化带来的热耐受性获利较小，生态代价最高，预示着长期农药施用给昆虫适应气候变暖可能带来不利影响。只有充分理解生物在多种环境逆境背景下的响应规律，才能正确评估气候变化对地球生物多样性的影响[29]。这对未来气候变暖和化学农药施用背景下，昆虫发生预测预报和抗药性治理对策制定具有非常重要的现实意义。