昆虫耐寒性的类型、测定方法及影响因素综述

王锦林 冯宇倩 宗世祥

摘 要：昆虫为了生存繁衍均要受外界环境的影响，遭受冬季寒冷低温的侵袭。阐明了近些年国内外关于昆虫耐寒性的类型、测定方法及影响因素等方面的研究进展，以期为耐寒性研究提供参考和借鉴。

关键词：昆虫；耐寒性；过冷却点；影响因素

中图分类号 Q96 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）09-32-04

生活在温带和寒带地区的昆虫在长期的发育过程中均要经受冬季寒冷低温的影响。昆虫的耐寒性是指昆虫长期或短期暴露于低温下抵御寒冷仍然存活的能力，这种能力与诸多非生物因素及生物因素均有关。昆虫耐寒性研究至今已成为昆虫生物学及生态学研究的热门领域，本文从昆虫耐寒性的类型、测定方法及影响因素等方面综述了近些年来国内外关于昆虫耐寒性的研究进展。

1 昆虫的耐寒性类型

通常情况下，根据不同昆虫的耐寒特性，可将其分为耐结冰型和不耐结冰型。耐结冰型昆虫的过冷却点较高，可以在过冷却点以下生存，忍受虫体结冰，此类昆虫通过提高过冷却点来诱导胞外结冰，从而避免寒冷对胞内亚细胞结构的伤害。如二化螟（Chilo suppressali）幼虫的过冷却点为-11℃，而冬季在-15℃暴露24h后的存活率仍达60%以上（Atapour et al.，2009）；红脂大小蠹（Dendroctonus valens）越冬幼虫的过冷却点为-11.98℃，但却能在-23.5℃条件下安全越冬（赵建兴等，2009）。不耐结冰型昆虫的过冷却点较低，昆虫不能在过冷却点以下温度存活，一旦结冰就会死亡（Lee，1991），此类昆虫通过降低过冷却点来增加耐寒能力，以降低体液结冰的概率。如大菖蒲夜蛾（Holotropha leucostigma laevis）卵的过冷却点为-34.1℃，以较强的过冷却能力避免寒冷结冰，越过寒冷的冬天（筒井等，1991）。

随着昆虫耐寒性研究的不断深入，许多专家学者又对其进行了更细致地划分。孙绪艮将其分为7种类型：以耐冻性为主的种类，耐冻性+行为回避，以过冷却为主的种类，过冷却+行为回避，过冷却+耐冻性，行为回避以及复合型（耐冻+过冷却+行为回避）（孙绪艮，2001）。但大多数学者比较认同Bale根据昆虫死亡出现时间而进行的类型划分方式，即耐结冰型、避免结冰型、抗寒冷型、寒冷敏感型和随机型（Bale，1996）。

2 耐寒性测定方法

2.1 过冷却点和冰点 昆虫在0℃以下的低温条件仍不结冰的现象称为过冷却现象，而虫体在低温条件下体温持续下降，直至开始结冰，释放潜热，体温陡然上升的点为过冷却点，当释放热量结束后体温又一次开始下降的折点为冰点。尽管一些研究表明部分昆虫在过冷却点以上温度已经死亡，无法用过冷却点来判断昆虫的耐寒性，但这些昆虫中绝大多数的死亡过程都发生在体液溶点以下的过冷却状态，因此，测定过冷却点有助于全面了解昆虫的耐寒性。测定时，一般先将虫体用封口膜包裹固定在热敏电阻探头上，另一端与四路昆虫过冷却点测试系统相连；然后将固定虫体的探头放入高低温试验箱中并用隔热材料（如脱脂棉）包裹，使其从零度开始持续降温；最后，由昆虫过冷却点测试系统通过计算机软件记录虫体表面温度的变化，测出昆虫的冰点和过冷却点。

2.2 低温暴露实验 耐结冰型昆虫的过冷却点较高，在较高的亚致死温区提早细胞外结冰以避免寒冷对细胞内组织造成伤害，虽然这种昆虫的过冷却能力较弱，但却能在低于过冷却点以下的温度存活。不耐结冰型昆虫的冷却点较低，通过降低过冷却点来抵御寒冷，虽然这种昆虫的过冷却能力较强，但在过冷却点以上的亚致死温区也存在死亡现象。因此，对于昆虫耐寒性强弱的评价除了依据过冷却点的变化，还要通过低温暴露实验中的低温存活率、致死中温度或致死中时间、冷伤害上限温度与有效低温总和的关系等进行综合评价（景晓红等，2004）。而在实验过程中，需要解决以下几方面的问题：

2.2.1 暴露温度的设置 根据不同昆虫的种类来设置不同梯度的低温处理，在温度选择过程中要保证在选定的中间温度下，被测种群的存活率达到50%～60%，不能过低导致全部死亡，或太高又全部存活，这样就无法进行不同温度梯度的处理和统计学分析（景晓红等，2004）。对于热带昆虫，0℃以上的亚低温都有可能对其造成伤害，因此，一般设置较高的低温进行处理，如红棕象甲（Rhynchophorus ferrugineus）的卵、1龄、5龄和9龄幼虫以及成虫的温度梯度分别设置为6℃、4℃、2℃、0℃、-2℃和-4℃（鞠瑞亭等，2010）。而对于温带或寒带的昆虫，在0℃以下的低温中都有可能存活较长的时间，因此，温度梯度的设置则偏向于较低温度，如在小翅雏蝗（horthippus fallax）的低温暴露研究中，温度梯度为-15℃、

-20℃、-25℃、-30℃、-35℃和-40℃（Hao et al.， 2004）。

2.2.2 暴露时间 过冷却点以上的低温造成的伤害一般包括直接冷伤害（由快速冷却导致）和间接冷伤害（由长期的冷暴露导致），而低温存活率在一定范围内随着低温暴露时间的延长而降低，因此，研究昆虫耐寒性时，不仅要考虑昆虫瞬间耐受低温的能力，也要考虑昆虫持续耐受低温的能力。在实验中要根据实际情况设置不同的时间梯度，以全面反映昆虫的耐寒性强弱和有针对性地揭示其耐寒性机理。

2.2.3 低温冷却速率 较快的低温冷却速率对昆虫耐寒能力的影响较大，通过采用接近自然昼夜变温情况的0.05℃/min或0.1℃/min降温速率，可以提高昆虫的耐寒性。如对德国小蠊进行低温处理时，以0.1℃/min的速率降温比以1.0℃/min的速率降温的存活率提高了2倍多（刘峰等，2004）。因此，在进行低温处理时要选择较慢的速率进行降温。

2.3 低温驯化 在冬季来临之前，通过对昆虫进行低温胁迫处理来提高其抵御寒冷侵袭的能力。驯化方式主要有2种，一种是短时间的低温驯化，不同种群的飞蝗在0℃和5℃驯化后耐寒性均有所提高，且地理分化特征不受影响（Jing et al.， 2003），但在驯化时要注意低温胁迫的温度及时间；另一种是模拟环境温度，有些昆虫是在实验室内饲养获得的，未经历自然环境下的低温驯化，可以利用气候箱模拟环境温度变化来进行低温驯化后来判断其耐寒性，但在应用时需注意模拟环境温度变化应与昆虫分布区的环境温度变化相一致。

准确测定昆虫的耐寒性对于完整地描述其耐寒性水平，预测其在低温下的存活率以及比较不同种类的耐寒性水平都是非常重要的，而在实际研究中要根据昆虫自身的耐寒类型、试验条件、研究目的等综合因素来确定最佳的测定方法。

3 耐寒性的影响因素

影响昆虫生长发育的非生物因素有很多，包括气候因子（如温度、湿度等）、土壤因素（土壤结构、质地、理化性质等）、地形因素（如坡度、坡位）等（李成德，2004）。在复杂的自然环境条件下，昆虫耐寒性的强弱也受到这些因素的影响，而大多数情况下并不是单一因素作用的结果，而是多种因素共同作用的结果。

3.1 非生物因素

3.1.1 季节性气候变化 生活在温带和寒带昆虫，每年要抵御季节性变化的低温天气，为了适应环境，保证种群的繁衍生长，在长期的进化过程中，昆虫表现出明显的随季节性变化而变化的耐寒特性。如红火蚁（Solenopsis invicta）工蚁的过冷却点按春、夏、秋、冬依次降低（陈浩涛，2010）；飞蝗（Locusta migratoria）卵在夏季和越冬后的耐寒性明显低于秋季，夏季和越冬后平均过冷却点分别为（-22.0±0.8）℃和（-23.4±0.7）℃，致死终温度为-4.8℃和-6.7℃，而秋季平均过冷却点为-26.0±0.1℃，致死终温度为-14.2℃（Jing et al.，2003）；光滑鳖甲（Anatolica polita borealis）成虫在3月和9月的耐寒能力明显强于7月（马延龙等，2009）；冬季苹果蠹蛾（Cydia pomonella）的过冷却点低于夏季（Abbas et al.， 2010）；桔小实蝇（Boctrocera dorsalis）冬季种群的耐寒性显著强于夏季种群（任璐等，2007）。

3.1.2 地理分布区 不同地理分布区域内的昆虫，其耐寒能力也不尽相同。通常情况下，高纬度高海拔地区昆虫的耐寒性强于低纬度低海拔地区，极地地区的桃蚜（Myzus persicae）种群的耐寒能力明显强于温带和热带地区（Hazell et al.，2010）；我国飞蝗（Locusta miratoria）的半致死温度从南到北逐渐升高（Jia et al.，1999）；新疆棉铃虫（Helicoverpa armigera）滞育蛹的过冷却能力、低温生存能力显著强于内地（吴孔明等，2000）；南美斑潜蝇（Liriomyza huidobrensis）的过冷却点随纬度的升高而降低（陈兵，2003）。然而，虽然有些昆虫的地理位置不同，但平均过冷却点却基本相同，如菜粉蝶（Pierisrapae linne）和欧洲卷叶蛾（Adoxop hyesorana）的幼虫。

3.1.3 环境湿度 昆虫体内的水分除了来自食物以外，还通过呼吸系统、体表渗透等吸收周围空气中的水分，环境湿度的大小对昆虫越冬虫态的存活率和耐寒性的影响较大。环境湿度主要包括空气湿度、土壤湿度等栖息地内的小环境湿度。黑粉虫（Tenebrio Obscurus）在未达到严重低湿环境下饲养时，其耐寒性随湿度的增加而减弱（张志建，1989）；在30℃条件下，将东亚飞蝗的卵分别在含水量为7%、11%、15%、19%和23%的土壤中放置7d，其过冷却点随着含水量的增大而减小（Qi et al.， 2007）；甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）越冬蛹的存活率随着土壤含水量的增加而大幅度降低（郑霞林等，2011）。这种现象产生的原因可能是由于冰晶对昆虫的接种效应而造成的，昆虫在适应不良环境条件过程中能改变表皮对水的通透性，以增强对冰晶接种的抵抗力，提高耐寒性，相反，在湿度较大的环境中，由于虫体不能及时脱水而导致其过冷却点升高，耐寒能力降低（梅增霞等，2006）。

3.1.4 低温快速冷驯化 昆虫在生长过程中不仅要抵御长时间的季节性寒冷，还要面对短时间的昼夜温差及突然的降温。在此过程中，部分昆虫会产生冷休克现象，即快速抗寒的反应，也就是说在面对环境温度的突然变化，在昆虫体内会产生一系列变化以保护自身避免非冻害的伤害（Chen et al.， 1987；Lee et al.， 1987）。

低温快速驯化，是通过短时间暴露在低温条件下，诱导昆虫的耐寒能力，提高冷休克下的存活率，以度过短时间寒冷的侵袭，秋季昼夜温差大及短时间的骤然降温是自然界低温快速冷驯化的现象。光滑鳖甲成虫在4℃下冷驯化120min后，在-10℃的存活率为70%（马延龙等，2009），麻蝇（Sarcophaga crassipalpis）的一种非滞育虫态，在0℃冷驯化10～60min后，在-10℃条件下的存活率可从20%提高到80%（Lee et al.， 1987）；异色瓢虫（Harmonia axyridis）成虫在5℃下分别冷驯化3d和5d后，在-5℃下暴露3d的存活率分别提高到60%和65%（赵静等，2010）。

3.1.5 光周期 光周期作为昆虫生活环境中最稳定的因素，对昆虫的越冬具有一定的作用。光周期有规律的季节性变化对昆虫越冬准备具有一定的暗示作用。淡色库蚊（Culex pipiens pallens）在进入越冬之前，通过短日照诱导，会发生一些生理变化。如卵巢滞育、胃紧缩、拒绝吸血、积聚脂肪等，以准备越冬（王仁赉，1979）。短光照诱导的飞蝗能产出耐寒性较强的卵，而长光照的飞蝗产出的卵的耐寒性则较弱（景晓红等，2003）。光周期也是诱导昆虫滞育的主要因素之一，短日照抑制麻蝇（Sarcophaga crassipalpis）脑部激素的释放而导致其蛹滞育，而滞育昆虫体内甘油的积累则有利于提高其耐寒性。同时，光周期也是启动幼虫合成抗冻蛋白（AFPs）的一个重要环境因子，如赤翅甲虫（Dendroides canadensis）抗冻蛋白的合成过程具有昼夜周期性变化，不仅需要适宜的温度，也需要一定的光周期。此外，光周期也有启动多元醇合成的作用。

3.2 生物因素 影响昆虫耐寒性的生物因素主要包括昆虫自身、寄主植物类型和人类活动等。

3.2.1 昆虫自身 影响昆虫耐寒性的自身因素主要包括3个方面：①个体生理状态：生理状态不同，耐寒性不同，家蚕（Bombyx mori）受伤卵的过冷却点高于正常卵的过冷却点（Suzuki et al.， 1983）。②不同发育虫态：通常，昆虫越冬期虫态的耐寒性最强，其次为休眠或滞育期，而发育期的最差。舞毒蛾（Lymantria dispar）成虫在-4℃时只能存活30min，而其卵在-20℃也不会死亡；凹唇壁蜂（Osmia excavate）越冬成虫的滞育和非滞育阶段的过冷却点分别为-26.48℃和-18.4℃（魏永平，2001），甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）不同虫态耐寒性由强至弱分别是蛹、幼虫、成虫和卵（江幸福，2001）。③同一虫态内不同的发育阶段：结茧2d的苹果蠹蛾幼虫过冷却点为（-15.1±1.2）℃，而结茧5d的则为（-20.2±0.2）℃（Abbas et al.， 2010）；白马蝠蛾（Hepialus baimaensis）1～3龄幼虫的过冷却点明显低于其它虫龄（杨大荣，1991）。

此外，有关昆虫的耐寒性和滞育之间的关系有3种主要的模式：①耐寒性与滞育有关；②一些越冬昆虫在滞育后达到最大的耐寒性；③耐寒性与滞育无关，在非滞育阶段也有所表达（Chen et al.， 1987； Lee， 1991； Goto et al.， 2001）。了解昆虫越冬虫态是否存在滞育现象，也是研究其耐寒性的重要部分。

3.2.2 寄主植物的类型 越冬前，昆虫取食大量的寄主植物，为越冬储存能量（杨燕涛，2002；钟景辉等，2009）。由于取食不同的寄主植物，其耐寒能力也有所不同。取食白菜、印度芥菜、包心菜和油菜的越冬豌豆细纹跳甲（Phyllotreta undulata）平均冷却点分别约为-9.6、-10.9、-14.5和-13.5℃（Hiiesaar et al.， 2009）；棉铃虫（Helicoverpa armigera）幼虫取食普通棉花和Bt抗虫棉后，滞育率和耐寒性均有差异（Ouyang，2011）；黑豆蚜（Aphis fabae）从夏季豆类寄主转移到冬季卫矛上时其过冷却点由-24℃上升到-10℃左右（Gash et al.， 1985）。这可能是由于不同的寄主植物表面或内部的一些固体颗粒、微生物或植物本身产生的食物残渣留在昆虫消化道内，促使昆虫体内结冰，降低耐寒性。此外，取食不同的寄主植物后，经过新陈代谢，昆虫的体内的含水量、能量储备、耐寒物质积累、发育进度等均可能产生一定的变化，从而影响越冬期的耐寒能力（Hunter et al.， 1997）。

3.2.3 人为因素 除了上述因素以外，昆虫的耐寒性还受到人类活动的影响，我国北方农业生产中普遍的大棚种植为昆虫提供了温暖的越冬场所，降低了美洲斑潜蝇的抗寒性，限制了其在越冬纬度以上的更高纬度地区的基因交流（Chen et al.，2005）。

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