饲养密度对大蜡螟实验种群生命表参数的影响

薛琪琪, 门丽娜, 张倩, 祁靖宇, 柳春雨,冯丹丹, 张宇宏, 张志伟,3*

(1.山西农业大学林学院, 山西 太谷 030801; 2.中国农业科学院生物技术研究所, 北京 100081; 3.山西省林业危险性有害生物检验鉴定中心, 山西 太谷 030801)

大蜡螟(GalleriamellonellaL.)属鳞翅目，螟蛾科，是重要的蜂群和蜂巢害虫，给养蜂产业造成严重经济损失。大蜡螟幼虫对野外和人工蜂群的危害都十分严重，被认为是造成一些地区野生蜂群数量减少的原因之一[1]。此外，大蜡螟作为昆虫病原生物毒理学研究的模式生物也受到很多关注[2-4]。其幼虫通常被用作感染模型研究细菌的毒性、致病性及其与宿主的相互作用[5-7]，还常用于线虫诱捕和繁殖[8-10]、寄生蜂扩繁[11]等研究。因此，这些研究都需要大蜡螟的规模化饲养提供足够的虫源。

在饲养过程中，昆虫生长发育受到多种生物和非生物因素的影响，如饲养密度、食物和温度、光照、湿度等[12]。其中密度是最重要的生物因素之一，在对饲养条件优化的同时，饲养密度涉及到试虫发育状态以及饲养空间和食物资源的高效利用，是昆虫饲养过程中一项极其重要的参数。饲养密度会影响鳞翅目昆虫多代抗病能力[13]。在一些鳞翅目昆虫饲养过程中，中等密度饲养的个体免疫力明显高于分离饲养的个体[14]。而昆虫野外种群密度或实验室饲养密度过高均会对昆虫抗病性和繁殖等密度依赖性因子产生负面影响[15-16]。此外，饲养密度过高对个体蛹重、前翅宽度、存活率等多种参数均有不利影响[17-18]。适宜的饲养密度有利于在有限的空间内获得优质或足量的种群或个体[19-22]。

探究大蜡螟种群合适的饲养密度，有利于在短期内获得大量高质量试虫，增大对食物资源的利用效率。本研究通过控制大蜡螟实验种群饲养密度，比较不同饲养密度对大蜡螟种群的影响，探究大蜡螟实验种群饲养的适宜密度，以期为大蜡螟的实验室饲养提供理论和技术支撑，推进大蜡螟作为模式昆虫的免疫和病理学研究。

1 材料与方法

1.1 虫源

供试大蜡螟种群由山西农业大学林学院森林保护实验室提供，该种群于2017年建立，已连续饲养10代以上。大蜡螟成虫交尾、产卵后，将收集的卵放置在方形塑料盒中(13.5 cm×13.5 cm×6.5 cm)，用人工饲料[23]在培养箱(GXZ-3000，宁波乐电)中全暗饲养(30℃、相对湿度60%～70%)。每日19:00观察生长状况，并及时添加饲料。经过结茧、化蛹、羽化后，将成虫放入上方开口的圆柱形玻璃缸(22 cm×20 cm)中，玻璃缸上方开口处覆盖纱布以保持空气流通，缸底放置有滤纸以便每日收集卵。由于成虫虹吸式口器退化，不对成虫喂食。

1.2 生命表分析

把即将孵化的卵分别按20、30、40、60头·300 cm-3的密度接入饲养容器中，每个密度120头个体。每10 d在各处理中分别、同时加入相同质量的过量饲料(40 g)。于每日19：00观察大蜡螟生长状况，及时取出虫茧，并单独放置，记录蛹化时间(老熟幼虫结茧即记为蛹化)。待成虫羽化后，记录其性别和羽化时间。记录雌成虫每日产卵数量，以及雌雄成虫死亡时间，计算成虫寿命。由于大蜡螟幼虫从卵中孵化后会钻入饲料中取食，从饲料中分离幼虫会引入人为干扰，故将卵期和幼虫期合并为卵-幼虫期进行分析。

1.3 数据计算

1.3.1生命表参数 ①特定年龄龄期存活率sxj(age-stage specific survival rate)

式中，x表示年龄，j表示龄期。nxj表示存活到x年龄j龄期的个体数，n01表示生命表研究开始时使用的个体数。

②特定年龄龄期繁殖力fxj(age-stage specific fecundity)

式中，Exj表示nxj产卵的总数。

③种群特定年龄繁殖力mx(cohort age-specific fecundity)

式中，k表示龄期数。

④特定年龄存活率lx(age-specific survival rate)

⑤期望寿命exj(life expectancy)，表示处于x年龄j龄期个体的期望存活寿命[24]。

⑥繁殖值vxj(reproductive value)，表示处于x年龄j龄期的个体对未来种群的贡献[25-27]。

1.3.2种群参数 ①净增殖率R0(net reproductive rate)，表示个体一生中所能产生后代的总数。

②内禀增长率r(intrinsic rate of increase)，由Euler-Lotka公式中的迭代二分法计算[28]。

③周限增长率λ(finite rate of increase)

λ=er

④平均世代周期T(mean generation time)，表示在稳定年龄龄期分布时，种群增加到其大小的R0倍所需要的时间长度。

1.3.3收获率 在每日收获1 000头蛹的稳定饲养种群中，假设R0(h) = 1，基于特定年龄龄期存活率sxj、特定年龄龄期繁殖力fxj，计算不同密度饲养的大蜡螟种群收获率(h)，估算各龄期每日新增个体数(Nj)及饲养系统的龄期结构(Tj)[29]。

1.4 数据分析

采用TWOSEX-MSChart软件[30]，根据年龄-龄期两性生命表理论[31-32]对大蜡螟实验种群数据进行分析。采用bootstrap技术对不同密度处理的数据进行100 000次取样，计算其标准误，比较差异显著性[33-34]。应用Sigmaplot 12.5软件(SyStat Software, Inc., San Jose, CA)绘制数据图。

2 结果与分析

2.1 大蜡螟实验种群生命表参数分析

2.1.1饲养密度对大蜡螟种群各龄期发育及繁殖的影响 饲养密度不同，大蜡螟种群的各种群参数不同。其中，不同密度饲养的大蜡螟种群中的卵-幼虫期在雄性、雌性和全部个体之间表现出相同的趋势。饲养密度为20头·300 cm-3的种群卵-幼虫期显著短于密度为30、40和60头·300 cm-3的饲养种群(P<0.05)，随着饲养密度增加，卵-幼虫期逐渐增长，但密度为40和60头·300 cm-3的种群之间没有显著差异。大蜡螟蛹期并未明显受到饲养密度的影响，密度对成虫寿命影响亦不显著。在各饲养密度中，雄性成虫寿命均显著长于雌性成虫寿命(P<0.05)。蛹期死亡率在60头·300 cm-3种群中最高。

密度为60头·300 cm-3的大蜡螟种群中APOP(adult preoviposition period，成虫产卵前期)显著长于30、40头·300 cm-3密度种群。TPOP(total preoviposition period，总产卵前期)在20头·300 cm-3的种群中最短，随着饲养密度增加显著延长(P<0.05)，但在密度为40、60头·300 cm-3的种群中没有差异。20头·300 cm-3的种群中，雌蛾的繁殖力最高，随密度增加繁殖力逐渐降低，密度增加到60头·300 cm-3时，繁殖力显著降低(P<0.05)，饲养密度对产卵日数没有明显影响(表1)。

表1 大蜡螟饲养密度对种群发育及繁殖的影响Table 1 Effect of rearing density on G. mellonella population development and fecundity

2.1.2饲养密度对大蜡螟种群年龄-龄期存活率的影响 无论大蜡螟种群处于何种密度，在卵-幼虫期的后期均有不同虫态的个体同时出现。种群的卵-幼虫期发育时长以小密度种群(20头·300 cm-3，45 d)最短。4个密度处理，不同虫态间sxj均有明显差别，雄成虫sxj均明显高于雌成虫。密度为20头·300 cm-3的种群蛹期和雄成虫存活率峰值均为最高，分别为0.766 7和0.458 3；而种群雌成虫sxj峰值(0.200 0)仅次于60头·300 cm-3种群(0.225 0)，但密度为60头·300 cm-3的种群sxj在蛹、成虫(雌、雄)阶段波动均较为强烈，存活率曲线出现较大波动。整体而言，密度为20头·300 cm-3的种群存活率最佳(图1)。

2.1.3饲养密度对大蜡螟种群特定年龄存活率及繁殖的影响 不同密度下，大蜡螟实验种群的特定年龄存活率(lx)曲线平稳下降，表明死亡率较低。低密度(20头·300 cm-3)处理下，大蜡螟种群的发育时间(73 d)最短(图2)。无论密度高或低，雌成虫的繁殖率(fx3)曲线峰值均出现在种群雌成虫前期。密度为20、40、60头·300 cm-3的种群，fx3峰值均出现在雌成虫出现的第1 d，分别为934、1 363和548粒卵；而密度为30头·300 cm-3的种群，fx3峰值出现在雌成虫出现的第5 d，为698粒卵。其中，密度为20头·300 cm-3的种群，繁殖力fx3在500以上的天数为6 d，占到种群雌成虫发育时长的25%，为4个密度处理中最优。密度20头·300 cm-3的种群，种群繁殖率(mx)峰值为168.29粒卵，mx值在50以上的有8 d，均多于其他三组处理(图2)。

2.1.4饲养密度对大蜡螟种群期望寿命的影响

大蜡螟各个虫态的期望寿命exj值随着时间推移，呈逐渐下降的趋势。而密度为20、30、40头·300 cm-3的大蜡螟种群，雌成虫exj值在初期呈现先下降后上升的趋势，且在密度30、40头·300 cm-3的种群中，雌成虫exj值分别在雌成虫出现后第5、6 d下降到1，随后急剧上升，而后又逐渐下降(图3)。

图1 不同饲养密度下的大蜡螟种群年龄-龄期存活率 Fig.1 Age-stage specific survival rate (sxj) of G. mellonella population at different densities

图2 不同饲养密度下的大蜡螟种群特定年龄存活率和繁殖力Fig.2 Age-specific survival rate and fertility of G. mellonella population at different densities

2.1.5饲养密度对大蜡螟种群繁殖值的影响

个体在卵-幼虫期和蛹期对大蜡螟种群的繁殖值(vxj)均有贡献，而对种群繁殖值贡献最大的是雌成虫。饲养密度为60头·300 cm-3时,卵-幼虫期vxj峰值最小，为118.39。雌成虫vxj曲线峰值在20头·300 cm-3种群最高(2 873.67)，在60头·300 cm-3种群中最低(2 308.65)。在30、40头·300 cm-3的种群中，呈现出和exj曲线相同的趋势，在峰值出现之前出现一个急剧下降的波动(图4)。

2.2 饲养密度对大蜡螟种群参数的影响

密度20头·300 cm-3的大蜡螟种群内禀增长率(0.136 3±0.003 7)d-1和周限增长率(1.146 0±0.004 2)d-1均为最高，平均世代周期最短，为(48.32±0.84)d。随饲养密度增加，密度为30、40、60头·300 cm-3的大蜡螟种群r、λ显著减小(P<0.05)；T显著长于20头·300 cm-3种群(P<0.05)，但在三个高密度种群之间均无显著差异。密度对净增殖率R0无显著影响(表2)。

2.3 饲养密度对大蜡螟实验种群收获率的影响

本研究基于R0(h)=1计算了不同密度下大蜡螟种群收获率，虽然饲养密度最小的种群(20头·300 cm-3)收获率最高(0.998 6)，在密度为20头·300 cm-3的种群中，需要的蛹期每日新增个体数Nj及雌、雄成虫阶段的种群总个体数Tj最少，但是4个密度饲养的种群收获率均在0.99之上(表3)。

3 讨论

饲养密度对大蜡螟种群的生长及发育具有显著影响。本文采用年龄-龄期两性生命表对不同密度的大蜡螟种群动态及多项参数进行分析，将种群的龄期分化考虑在内，涵括每一个个体，并且涉及雌、雄两个性别[32, 35]。能够对种群动态进行预测，并结合收获效益及种群年龄结构指导高效的昆虫种群维持策略[29, 36-37]。

图3 不同饲养密度下的大蜡螟种群期望寿命Fig.3 Life expectancy (exj) of G. mellonella population at different densities

图4 不同饲养密度下的大蜡螟种群繁殖值(vxj)Fig.4 Reproductive value (vxj) of G. mellonella population at different densities

表2 饲养密度对大蜡螟种群参数的影响Table 2 Effect of rearing density on population parameters of G. mellonella

表3 饲养密度对大蜡螟种群收获率的影响Table 3 Effect of rearing density on harvest rate of G. mellonella population

幼虫的密度对昆虫种群及个体的生长发育会产生较为显著的影响，包括发育历期及多项种群参数。在四种密度饲养的大蜡螟种群中，密度最小的种群(20头·300 cm-3)卵-幼虫期、种群发育历期及TPOP均为最短，随饲养密度增加，均显著延长(P<0.05)；而蛹期及成虫期在不同密度种群间差异不显著。有研究表明，昆虫个体会通过延长幼虫发育时长，以弥补从亲代得到的虫卵较小的劣势[38]，所以推测在高密度饲养的大蜡螟种群中，个体可能会通过延长卵-幼虫期，以弥补因密度增加所导致种间竞争增大而带来的不利影响，保证自身获得足量的能量。大蜡螟的雄成虫寿命显著长于雌成虫[4, 23]，本研究发现这种现象不受种群饲养密度的影响。可能原因是鳞翅目昆虫的雌虫把幼虫期积累的能量以氮源的形式储备起来，用于繁殖后代[39]；而雄虫则把幼虫期积累的能量以脂肪的形式储备起来，用于寻找配偶和竞争生态位[40]，本研究实验种群的雌成虫要产上千粒卵，生殖投入高导致寿命短，而实验种群的雄成虫不需要长距离寻找配偶和竞争生态位消耗过多能量，所以寿命长。

对于成虫阶段取食的全变态昆虫，幼虫期与成虫期获得的能量综合决定了繁殖潜力[41-42]，如一些成虫阶段有摄食习性的鳞翅目昆虫，成虫阶段获得足够的碳水化合物对寿命及繁殖力的优化极其重要[43]，但幼虫期食物短缺也会直接影响繁殖力[44]。大蜡螟成虫虹吸式口器退化，因而其繁殖所需的能量在很大程度上取决于幼虫阶段积累的能量。种群饲养密度增加导致的种内竞争加剧了个体获取足量食物的压力。在食物资源受限的情况下，雌成虫的寿命是靠减少生殖投入而维持的[42]，本研究发现不同密度种群的雌成虫寿命无显著差异，因此，大蜡螟幼虫阶段的食物短缺可能导致了雌成虫繁殖力下降，这也解释了60头·300 cm-3种群中雌性繁殖力明显低于20头·300 cm-3的原因。同时，饲养密度最小(20头·300 cm-3)的种群中内禀增长率r和周限增长率λ均为最优，r和λ把种群的繁殖年龄考虑在内，种群内个体的繁殖年龄，即TPOP越小，种群繁殖潜力越高，反之则越低。饲养密度为20头·300 cm-3的种群TPOP显著低于其他密度(P<0.05)，说明以低密度饲养的大蜡螟种群有更大的繁殖潜力。不同饲养密度对大蜡螟种群卵-幼虫期有显著影响，导致平均世代周期T有显著差异(P<0.05)。净增殖率R0表示理论上一头虫体一代所能产生的子代总数，但不考虑繁殖年龄；虽然饲养密度为20头·300 cm-3的种群R0明显高于高密度饲养下的种群，但是种群中R0的个体差异较大，标准误SE保持在较高水平，所以4组饲养密度下的种群R0之间没有统计学差异。

不同密度饲养的卵-幼虫、蛹、雌蛾和雄蛾之间，在发生时间上均有重迭现象，说明个体间发育速率有差异。特定年龄-龄期存活率sxj、种群特定年龄繁殖力mx、种群年龄净增殖率lxmx在饲养密度最小(20头·300 cm-3)的种群中均较为稳定，且保持在较高水平。随饲养密度增加，存活率有所降低。幼虫与蛹的存活率随密度增高而降低的现象，在其他鳞翅目昆虫如斑点木蝶Parargeaegeria、二点委夜蛾Athetislepigone的饲养中也得到了验证[44-45]。种群饲养密度较低时(20、30头·300 cm-3)，sxj曲线较平滑，且只有一个高峰，说明个体间竞争较小，个体发育较平均；高密度(60头·300cm-3)饲养条件下，sxj曲线波动较大，表明不同个体发育期变化较大，不利于大规模收获特定龄期的虫体，也会导致种群发育历期延长，对于饲养种群而言，发育历期延长就需要更多的人力成本和饲养材料投入。

种群的期望寿命为新生个体的平均寿命，发育历期越短，期望寿命越小[24]。期望寿命exj曲线平滑下降时，表明虫体非正常死亡率较低。在饲养密度为30、40头·300 cm-3的种群中，exj曲线在雌成虫前期下降，随即又升高，是因为羽化初期的雌成虫部分个体寿命短，导致exj曲线明显下降，而羽化中后期的雌成虫寿命相对较长，所以exj表现出又上升后下降的趋势。

推进大蜡螟作为模式生物的相关昆虫免疫，昆虫病理学、毒理学研究需以足量试虫为前提。不同密度条件饲养下的大蜡螟种群，蛹期收获率均在99%以上，可能得益于大蜡螟的高繁殖力以及卵-幼虫期的高存活率。但整体而言，低密度饲养的种群生长及发育情况更优。同时，维持大蜡螟种群规模饲养所需的个体数也最少。综上，大蜡螟实验室种群饲养密度应按照研究目的进一步合理设置。低密度饲养种群更适用于实验室种群维持，个体发育均能保持在较高水平，且利于种群繁殖。若要获得大量试虫，在不要求试虫繁殖，或研究周期充沛的情况下，可适当提高种群饲养的密度以充分利用有限空间。

致谢：诚挚感谢台湾中兴大学齐心教授在生命表理论、软件使用和文章写作方面的细心指导。