入侵湖北的红火蚁鉴定、发生特征及适生区分析

杭行，康立冬，方国斌，刘元明，秦仙姣，雷朝亮，张凯雄，黄求应

1.华中农业大学植物科学技术学院，武汉 430070；2.湖北省植物保护总站，武汉 430070

红火蚁（Solenopsis invictaBuren）是一种重要的检疫性有害生物，对我国农业、生态和公共安全等各方面都构成了严重威胁[1］。2018 年湖北省首次在武汉市蔡甸区发现红火蚁，2021 年又在荆门市、黄冈市和宜昌市发现疫情，引起了各级植物检疫部门的高度重视。现在红火蚁发生和分布情况的主要调查方法是踏查法和诱集法[2］。一般情况下，野外调查人员可以通过蚂蚁样品的颜色、体长、攻击性以及蚂蚁巢穴外观等特征来判断蚂蚁样品是否为红火蚁[3］，但是对于其他蚂蚁样品，需要在室内借助仪器设备和分子生物学方法等进行鉴定[4］。为探求红火蚁在中国的潜在扩散风险，目前对红火蚁适生性分析和潜在分布区预测的研究主要采用地理信息系统AcrGIS[5-6］、相 似 离 度 法CLIMEX[7］和MaxEnt 模型[8］等方法。随着全球气候变化，湖北省的气候环境可能更加适合红火蚁的生存和繁殖。因此，有必要科学评估红火蚁在湖北省的适生区，这对红火蚁未发生区的植物检疫工作具有重要意义[9］。

本研究通过使用形态学和分子生物学的方法对湖北省4个调查点的蚂蚁样品进行鉴定，对确定的红火蚁新发地的发生程度和入侵途径进行了实地调查，综合考虑有效积温、年降雨量、最冷月平均气温和海拔等气象因子分析、生成了湖北省红火蚁适生区分布图，以期为弄清红火蚁在湖北省的实际分布情况和潜在的适生区提供基础数据，并为湖北省红火蚁检疫防控工作提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1）蚂蚁样品采集。本研究鉴定的蚂蚁样品采自湖北省武汉市蔡甸区绿地美湖小区、黄冈市黄州区遗爱湖公园、荆门市钟祥市汇源农谷体验园和宜昌市西陵区体育中心4 个发生地。使用诱集器对蚂蚁进行诱集或用铁铲挖出，装入密封性好的容器中，带回实验室进行形态学和分子生物学鉴定。

2）主要实验装置与设备。监测牌（广州瑞丰生物科技有限公司，中国）、红火蚁采集器（广州瑞丰生物科技有限公司，中国）、体式显微镜（Stemi 508，ZEISS公司，美国）、PCR 仪（T100TMThemal Cycler，BIO-RAD，美国）、电泳仪（DYY-5D，北京六一仪器厂，中国）、凝胶成像仪（GelDoc™XR+，BIO-RAD，美国）。

3）主要试剂。PDA 培养基（青岛日水生物技术有限公司，中国）、氨苄青霉素（Genview，美国）、琼脂糖（武汉擎科生物技术有限公司，中国）、MJM5 HiP⁃er Unversal DNA Mini Kit（Mei5 Biotechnolgy，中国）、E.Z.N.A.®Gel Extraction Kit（Omega，美国）、金牌Mix、2×TSINGKE Master Mix（北京擎科生物技术有限公司，中国）等。

1.2 形态学鉴定

挑取蚂蚁样品在体式显微镜下观察蚂蚁样品的腹柄结、触角、上颚以及唇基形态，使用Stemi 508 体式显微镜观察拍照，与红火蚁的形态特征进行对比鉴定。

1.3 分子鉴定

从上述4个地点采集疑似红火蚁蚁巢带回，每个采集地随机选择1巢，每巢随机选择5只蚂蚁，参考杭行 等[4］的 方法，使 用MJM5 HiPer Unversal DNA Mini Kit 提取基因组DNA。通过特异性引物LCO1490 （5'-GGTCAACAAACATAAA⁃GATATTGG-3'） 和 HCO2198 （5'-TA⁃AACTTCAGGGTGACCAAAAAATCA-3'）扩增蚂蚁样品细胞色素氧化酶I（COI）基因片段。扩增后将PCR 产物送至擎科生物公司进行测序，得到COI基因片段序列，并在NCBI数据库中与红火蚁COI基因进行序列比对。

1.4 发生程度调查

2021 年5−9 月，多次对湖北省红火蚁发生地进行实地调查访问，采用目测法调查记录红火蚁发生地蚁巢数量，调查范围为红火蚁发生区向外扩展5~10 m。发现疑似红火蚁蚁丘时，用15 cm 长的树枝插入红火蚁巢穴，若30 s 内有3 只以上工蚁出巢，此巢穴为活动蚁巢，调查结果仅统计活动蚁巢。

参考GB/T 2326−2009《红火蚁疫情监测规程》对红火蚁发生地进行发生程度分级。实地调查发生地从外地调运带土苗木情况，并询问当地居民及环卫工作人员“是否有被蚂蚁咬伤的经历”“最早什么时候被蚂蚁咬伤”，并对调查地进行拍照记录。

1.5 适生性分析

根据国家气象中心提供的2011−2021 年湖北省27 个基准气象台的经度、纬度、逐日气温和降水量等数据，计算2011−2021 年湖北省年平均降水量和年平均有效积温，建立湖北省气温和降水量数据库。

在红火蚁的生长发育过程中，影响红火蚁种群生长发育最重要的气候因子是气温。参考国内外研究，采用17 ℃作为红火蚁发育起点温度和阈值[10］。不同温度对红火蚁个体的成长发育和种群繁殖的影响主要通过有效积温来反映，在国内外红火蚁适生范围预测中，将产生有翅蚁世代的积温510 DD（日度，degree-days）作为有效积温阈值[11］，红火蚁在有效积温低于510 DD 的地区不能完成繁衍活动。我国红火蚁工蚁的过冷却点为−12 ℃左右[12］，以最冷月平均气温−2 ℃作为预测红火蚁北扩的限制温度。除温度以外，降水量也限制红火蚁的分布，红火蚁在干旱和半干旱的地区难以进一步扩散。采用国内大部分预测研究的红火蚁潜在划分标准，以年降水量510 mm 作为预测临界值[13］。海拔高度也在一定程度限制红火蚁的分布，参考陈晓燕等[14］的研究方法，以1 000 m 为划分界限，超过1 000 m 划分为红火蚁非适生区。

参与插值的协变量包括：>510 DD 年有效积温、−2 ℃低温限制因子、>500 mm 年平均降水量、<1 000 m 海拔高度。将第1 个指标作为决定性气候因子，后3 个指标作为限制性因子（表1）。对这4个图层进行空间叠加分析[15］，去除不满足限制性条件因子的区域，将得到的结果图重新插值，用密度间隔的方法分为4个等级，即高度适生区、适生区、轻度适生区和非适生区，并计算各等级所占面积比例。本研究使用的湖北省地图来自湖北省地理信息公共服 务 平 台（https：//hubei.tianditu.gov.cn/standard⁃Map）。

表1 红火蚁适生区等级划分Table 1 Classification for the suitable areas of the red fire ants

2 结果与分析

2.1 形态鉴定结果

形态鉴定结果显示，采自武汉市蔡甸区、黄冈市黄州区、荆门市钟祥市和宜昌市西陵区4个发生地的蚂蚁样品均具2 个腹柄结，第1 节腹柄结呈扁锥状，第2 节腹柄结呈圆锥状；蚂蚁样品上颚内缘具3 个大齿，唇基中齿发达，刚毛明显；触角10 节，端部2 节成锤棒状；上述特征均与红火蚁特征一致，因此，判定4个发生地的蚂蚁样品均为红火蚁。

2.2 分子鉴定结果

以蚂蚁样品DNA 为模板，使用通用引物LCO1490、HCO2198 进行PCR 扩增，经凝胶电泳检测，在300 nm 紫光灯照射下，目标片段条带清晰，长度为500~750 bp（图1）。

图1 4个蚂蚁样品的COI 基因PCR 扩增电泳图Fig.1 PCR product gels of the four sampling ants

湖北省4 个采样点蚂蚁样品的COI 基因片段长度与红火蚁COI 基因相似度以及在NCBI 数据库数据比对结果见表2。武汉市蔡甸区、黄冈市黄州区、荆门市钟祥市和宜昌市西陵区蚂蚁样品的COI 基因与红火蚁相似度分别为99.90%、99.60%、99.40%和98.0%，4个地点蚂蚁样品COI基因相似度达98%以上的序列ID 为HQ215538.1，可见以上4 个采样点的蚂蚁样品均可鉴定为红火蚁。

表2 湖北省4个采样点蚂蚁样品的PCR产物序列比对结果Table 2 The results of sequence alignments of PCR products in sampling ants from the four locations in Hubei Province

2.3 湖北省红火蚁新发地及其传播途径调查结果

根据上述红火蚁鉴定结果可知，荆门市钟祥市汇源农谷体验园、黄冈市黄州区遗爱湖公园、武汉市蔡甸区绿地美湖别墅区和宜昌市西陵区体育中心均为湖北省红火蚁新发地，发生面积分别为2.67、2.00、6.67、0.33 hm2（表3）。上述4个地点红火蚁危害等级均在中等偏重以上，巢体中均发现了有翅繁殖蚁，说明是成熟蚁巢，入侵定殖时间估计都在3 a 以上。实地调查发现，武汉市蔡甸区绿地美湖小区建设过程中并未从外地调运苗木，但该小区与后官湖绿道相连，后官湖又与2018 年发生红火蚁的世茂龙湾小区相连，并且2 个小区直线距离仅1 km，在红火蚁婚飞扩散距离范围内，推测可能是有翅蚁婚飞扩散而来。黄冈市黄州区遗爱湖公园建造时从南方红火蚁发生区引进了带土的绿化树木，由此携带红火蚁传入该公园的可能性大，由于当地缺乏红火蚁防治技术专业人员，公园管理部门在发现红火蚁后，请非专业人员进行防治导致红火蚁扩散蔓延。钟祥市汇源农谷体验园的红火蚁可能是在温室建造时从南方红火蚁发生区引进带土的三角梅和椰子树携带而来，由于一直饲养在温室中温度适宜，红火蚁在该地成功越冬，工作人员在温室内外的活动使得红火蚁扩散到温室周围的水田和草坪，并通过有翅蚁婚飞扩散建立新巢。对宜昌市西陵区体育中心进行访问调查，发现红火蚁蚁巢集中在体育中心篮球场旁的草坪、杂草丛中，数量多；在该体育中心绿化地建设初期，从南方红火蚁发生地区引入草皮和绿化树木，可能由此携带红火蚁传入。

表3 湖北省红火蚁发生区等级及可能的传播途径Table 3 Classification of the occurrence areas and possible routes of transmission of the fire ants in Hubei Province

2.4 湖北省红火蚁适生区的划分

由图2 可知，湖北红火蚁的轻度适生区、适生区与高度适生区分布广，其中轻度适生区占湖北省面积的13.52%，适生区占湖北省面积的12.97%，高度适生区占湖北省面积的39.42%，占湖北省总面积的65.91%，涵盖了已发现红火蚁定殖的武汉市蔡甸区、荆门市钟祥市、黄冈市黄州区和宜昌市西陵区。湖北省红火蚁非适生区主要分布在十堰市、神农架林区、襄阳市中北部和中东部地区、宜昌市中北部和西南部地区和恩施土家族苗族自治州的大部分地区，占湖北省面积的34.09%。此外，在湖北省其他城市的少部分地较高朝北的地区也是红火蚁的非适生区。

图2 湖北省红火蚁适生区分布图Fig.2 Distribution of the suitable areas of the fire ants in Hubei Province

3 讨 论

自2018 年在湖北省武汉市首次发现红火蚁以来，又陆续在湖北省的荆门市、黄冈市和宜昌市等地发现红火蚁疫情，其发生呈现不断蔓延趋势。为了探明红火蚁入侵湖北省的传播途径，有效监测和控制红火蚁在湖北省的发生和危害，本研究开展了湖北省红火蚁发生程度调查、种类鉴定和适生性分析。采用形态鉴定和分子鉴定相结合的方法，可准确鉴定出蚂蚁样品的具体种类[4］。

红火蚁的传播一方面是通过自然扩散，一般传播距离较短；另一方面，红火蚁通过人类活动传播，如园林、苗木、机具设备和物资调运等，可以远距离传播[16-17］。不同土地利用类型对红火蚁时空扩散影响较大，例如Lin 等[18］调查了中国台湾地区2 个危害程度不同的红火蚁发生区，发现水田、主干道和仓库是主要的3种扩散源，是防控红火蚁扩散传播的重点区域。本研究通过对湖北省红火蚁新发生地的调查发现，红火蚁主要通过苗木调运传入湖北，调运的苗木来自南方红火蚁发生区，红火蚁定殖成功后可能通过婚飞进一步扩散到周边地区。已确定的湖北省红火蚁发生区的危害等级均在中等偏上，而且在巢体中均发现有翅繁殖蚁，说明其为成熟的红火蚁蚁巢，入侵定殖时间估计在3 a 以上。在一些红火蚁发生区，由于缺乏防治经验，采用喷洒液体农药的防治方法导致红火蚁防治效果甚微，甚至出现红火蚁巢体扩散的情况，因此采用正确的监测防控方法对控制红火蚁的蔓延十分关键。二阶段处理法是将毒饵诱杀法与单巢药剂处理法结合。不仅防治效果好，见效快，而且降低了化学药剂使用量，结合了2种方法的优点。此方法在美国和澳大利亚已经成熟[19]，也是目前使用最普遍的方法。

适生性分析能够对外来物种起到早期预警作用[20-21］。薛大勇等[22]利用2 种生物气候模型（CLI⁃MEX 和GARP），以美国现有资料为基础数据进行拟合，预测山东、天津、河北南部和山西南部是红火蚁的自然扩散最北界限。Song等[23］利用MaxEnt模型预测了中国未来气候条件下红火蚁的适生区面积，主要位于中国南部和东南部，未来红火蚁的适生面积将向高纬度地区扩展。本研究预测发现，除湖北省十堰市、神农架林区以及襄阳市、宜昌市和恩施土家族苗族自治州的部分地区因为有效积温低和（或）年降雨量少，无法满足红火蚁的定殖条件外，其他地区分别属于红火蚁的轻度适生区、适生区与高度适生区，占到湖北省总面积的65.91%，这对湖北省红火蚁检疫防控工作提出了很大挑战。

鉴于红火蚁传播速度快、对生物多样性和生态环境危害大和在湖北省适生区广的特点，湖北省植物检疫部门对红火蚁新发地应加强植物检疫，防止调运带有红火蚁的苗木，对红火蚁发生省份调运进入湖北省的苗木、物资等应加强检疫审查，以免再次带入红火蚁。同时，应该通过广播、电视和网络媒体等向民众宣传科普红火蚁的识别特征和危害，让广大群众积极主动报告疑似红火蚁的情况，及早向相关技术鉴定部门报送蚂蚁样品，若确定后尽快采取行之有效的红火蚁根除措施，阻断红火蚁在湖北省进一步蔓延。