麦长管蚜的低温适应性及陕西杨凌小麦田春季虫源分析

许向利, 何乐乐, 俞晓婷, 仵均祥

(西北农林科技大学, 农业部西北黄土高原作物有害生物综合治理重点实验室,植保资源与害虫治理教育部重点实验室, 陕西杨凌 712100)

温度是制约昆虫种群发生、分布以及扩散的重要因素(景晓红和康乐, 2002; 岳雷等, 2013)。在亚热带、温带或寒带地区，冬季持续性低温和春季突发性低温通常会达到冰点以下，为躲避低温不良环境，昆虫形成一系列应对低温胁迫的行为和生理策略(张飞萍等, 2009; 崔双双和贺一原, 2011; 郭婷婷等, 2016)。

极端低温对昆虫致死作用的研究中，过冷却点作为界定耐寒性强弱的指标不容忽视(欧阳芳和戈峰, 2014)。昆虫的过冷却点与虫态密切相关，在长期进化过程中会形成固定的越冬虫态，滞育状态下的过冷却点通常低于同龄期发育状态的过冷却点(McCornacketal., 2005; 崔双双和贺一原, 2011; 岳雷等, 2013)。

极端低温条件下，由于绝大多数昆虫的死亡通常发生在过冷却点以上(Andreadis and Athanassiou, 2017)。因此，在过冷却点测定的基础上，分析低温存活率是评价昆虫耐寒能力的最直观指标，其中低温致死温度可在一定程度上评估昆虫对极端不良低温的耐受能力，并用于预测冬季昆虫存活的低温下限(景晓红和康乐, 2004)。

麦长管蚜Sitobionavenae是小麦生产上重要的世界性害虫，我国小麦产区麦蚜的优势种，该虫主要在小麦穗部危害，因此又称穗蚜(李克斌等, 2014)。麦长管蚜具有迁飞习性，通常认为孤雌生殖蚜在1月份0℃等温线(33～34°N)以北地区不能越冬，我国北方麦区春季虫源主要依靠外来迁入(张向才等, 1985; 罗瑞梧, 1988; 李克斌等, 2014)。陕西杨凌位于108.1°E，34.3°N，麦长管蚜能否以孤雌生殖蚜在该地越冬有待研究。明确麦长管蚜的耐寒性，不仅有助于了解该虫的越冬存活状况，而且可用于预测春季小麦田蚜虫的来源与发生发展动态，对其早中期防治措施的制订具有重要意义。Knight和Bale(1986)测定麦长管蚜实验室种群的过冷却点在-20.5～-27.0℃；Powell和Bale(2004)研究表明麦长管蚜在-9℃条件下其存活率达到20%左右。但国内对麦长管蚜耐寒性研究方面的信息极少，麦长管蚜的过冷却点和低温存活率与当地温度的关系尚不明确。由于昆虫不同地理种群耐寒能力可能是表型可塑性结果，蚜虫的低温致死温度在区域间存在差异(Hazelletal., 2010)，国外关于麦长管蚜过冷却点和低温存活率的研究结果是否适合我国实际尚需研究。鉴于此，本研究在测定麦长管蚜实验室种群过冷却点并分析其低温存活率的基础上，调查自然条件下陕西杨凌小麦田整个生育期田间种群动态，估计当地冬季麦长管蚜存活的可能性，以期为该虫耐寒性研究和准确预测预报提供依据。

1 材料与方法

1.1 试虫来源和收集

2018年10月，在陕西杨凌西北农林科技大学科技园小麦田(108.08°E, 34.29°N)采集麦长管蚜虫源，采用水培小麦苗法(鲁艳辉和高希武， 2007)在人工气候箱(温度15℃±1℃，光周期16L∶8D，相对湿度65%±10%)饲养。 室内继代饲养3代后供试。

1.2 麦长管蚜实验室种群过冷却点和结冰点的测定

收集孤雌生殖麦长管蚜的1龄若蚜，2龄若蚜，有翅型和无翅型3龄、4龄若蚜，以及未产仔蚜的成蚜各40头，采用热电阻型过冷却点测定仪测定麦长管蚜过冷却点。具体方法为：将蚜虫用微量胶固定于测温微探头上，脱脂棉包裹虫体和探头，快速置于-40℃低温槽。虫体温度变化通过数据采集器直接输入计算机，软件自动记录，绘制温度变化图，读取蚜虫过冷却点和结冰点的数值(欧阳芳和戈峰, 2014)。数据采集系统最低温度设置为-40℃，系统每隔1 s采集并记录数据2次。

1.3 麦长管蚜实验室种群低温存活率测定

1.3.1致死温度确定：在预实验确定供试温度的基础上，参考Powell和Bale(2004)方法将孤雌生殖麦长管蚜1龄若蚜以及未产仔蚜的无翅成蚜各10头分别置于15 mL玻璃试管，从15℃培养温度直接转移至-7℃, -8℃, -9℃, -10℃和-11℃酒精浴中暴露3 h，然后分别接于单株小麦苗上在15℃的人工气候箱中饲养，72 h后统计死亡蚜虫(无法协调运动，后同)的数量，计算存活率。将导致约80%死亡率的暴露温度定义为致死温度。以15℃正常饲养蚜虫为对照。每个处理重复5次。

1.3.2快速冷驯化反应：参考Powell和Bale(2004)方法将孤雌生殖麦长管蚜1龄若蚜和未产仔蚜的无翅成蚜各10头分别置于15 mL玻璃试管，在0℃分别保持1, 2, 3, 4和5 h进行冷驯化，后置于酒精浴(处于致死温度)3 h，然后分别接于单株小麦苗上在15℃的人工气候箱中饲养，72 h后统计死亡蚜虫的数量，计算存活率。以15℃直接转移到致死温度的蚜虫为对照。每个处理重复5次。

1.4 自然条件下麦长管蚜种群动态调查

在陕西杨凌(108.08°E, 34.29°N)选择2018年9月底播种的小麦田3块，调查整个生育期(2018年10月至2019年6月)麦长管蚜个体数量。从小麦出苗后第10天开始，随机选取10个样点，每个样点随机调查100茎小麦，每月3次定期调查并记录麦长管蚜个体数量。调查田的小麦品种为小偃22，播种量为7.5 kg/667 m2，常规管理，未施用过任何杀虫剂、杀菌剂或除草剂。

1.5 气象资料的获取

气象资料来自西北农林科技大学科技园的气象采集系统。

1.6 数据处理

所有数据采用SPSS 16.0进行分析。采用Kolmogorov-Smirnov检验麦长管蚜过冷却点和结冰点数据是否符合正态分布。不同发育阶段的过冷却点和结冰点采用单因素方差分析差异显著性；同一龄期不同翅型之间采用Mann-WhitneyU检验分析差异显著性。1龄若蚜和无翅成蚜的存活率数据进行反正弦和平方根转换，不同温度处理之间低温存活率采用单因素方差分析差异显著性；零下低温与存活率的相关性分析采用Spearman相关系数，显著性分析采用双尾T检验；回归分析采用线性回归法。

2 结果

2.1 麦长管蚜实验室种群的过冷却点和结冰点

频次分布表明，麦长管蚜1龄和2龄若蚜的过冷却点波动范围较小，分别为-27.4～-19.2℃和-27.3～-18.3℃，3龄若蚜、4龄若蚜和成蚜的过冷却点波动范围较大，分别为-27.4～-10.7℃, -26.7～-12.5℃和-26.7～-11.2℃(图1)。麦长管蚜的过冷却点和结冰点随龄期增加均显著升高(过冷却点:F7,312=3.610,P=0.001; 结冰点:F7,312=23.863,P<0.001)，其中成蚜的过冷却点显著高于1龄和2龄若蚜(P<0.05)(表1)；3龄若蚜、4龄若蚜和成蚜的过冷却点在不同翅型之间不存在显著性差异(3龄若蚜:Z=-0.077,P=0.939; 4龄若蚜:Z=-0.082,P=0.935; 成蚜:Z=-1.863,P=0.063)(表1)。

2.2 麦长管蚜实验室种群的低温存活率

麦长管蚜1龄若蚜经低温处理的存活率随温度降低而显著降低(F5,24=63.467,P<0.001)，-7～-10℃处理3 h后转移至15℃饲养72 h， 存活率显著低于未处理对照，-11℃处理的所有个体全部死亡。无翅成蚜经低温处理的存活率也随温度降低而显著降低(F4,20=35.007,P<0.001)，-10℃低温处理后无翅成蚜全部死亡。 Spearman相关性分析表明，1龄若蚜和无翅成蚜的处理温度与其存活率之间均存在显著相关性(1龄若蚜:r=0.936,P<0.01; 无翅成蚜:r=0.855,P<0.01)。线性回归分析表明，1龄若蚜和无翅成蚜处理温度与其存活率的回归方程分别为y=21.6x+226.8(R2=0.869,P<0.01)和y=12.2x+119.2(R2=0.658,P<0.01)；致死温度(80%死亡率)分别在-10.5℃和-8.1℃左右(图2)。

图1 麦长管蚜不同发育阶段过冷却点的频次分布Fig. 1 Frequency distribution of supercooling points of different developmental stages of Sitobion avenaeA: 1龄若蚜1st instar nymph; B: 2龄若蚜2nd instar nymph; C: 3龄无翅若蚜3rd instar apterous nymph; D: 3龄有翅若蚜3rd instar alate nymph; E: 4龄无翅若蚜4th instar apterous nymph; F: 4龄有翅若蚜4th instar alate nymph; G: 无翅成蚜Apterous adult; H: 有翅成蚜Alate adult.

表1 麦长管蚜不同发育阶段的过冷却点和结冰点Table 1 Supercooling point and freezing point of different developmental stages of Sitobion avenae

表中数据为平均值±标准误，同列数据后不同小写字母表示经过Duncan氏多重比较差异显著(P<0.05)。Data in the table are means±SE. Different small letters following the data in the same column indicate significant differences (P<0.05) by Duncan’s multiple range test.

图2 低温对麦长管蚜1龄若蚜和无翅成蚜存活率的影响Fig. 2 Effect of low temperature on the survival rate of the 1st instar nymphs and apterous adults of Sitobion avenae将蚜虫从15℃培养温度直接转移至-7℃, -8℃, -9℃, -10℃和-11℃暴露3 h，然后分别接于单株小麦苗上在15℃的人工气候箱中饲养，72 h后统计死亡蚜虫的数量，计算存活率。图中数据为平均值±标准误，图柱上不同大写和小写字母分别表示1龄若蚜和无翅成蚜存活率经过Duncan氏多重比较差异显著(P<0.05)。Aphids were transferred directly from culture temperature (15℃) to -7℃, -8℃, -9℃, -10℃, and -11℃ for 3 h, respectively. They were then placed on wheat seedlings in an artificial climatic chamber at 15℃, and dead aphids were counted and the survival rates calculated 72 h later. Data in the figure are means±SE. Different uppercase and lowercase letters above bars indicate significant difference in the survival rate for the 1st instar nymph and apterous adult, respectively, by Duncan’s multiple range test (P<0.05). 图3同The same for Fig. 3.

麦长管蚜1龄若蚜和无翅成蚜0℃快速冷驯化不同时间后，分别在-9℃和-8℃暴露3 h，随后15℃饲养72 h，存活率在不同时间处理之间均存在显著差异(1龄若蚜:F5,24=3.426,P=0.018; 无翅成蚜:F5,24=2.663,P=0.047)。1龄若虫和无翅成蚜快速冷驯化组存活率均显著高于不进行快速冷驯化的对照(0 h)(P<0.05)，其中0℃快速驯化2 h的存活率最高(图3)。

图3 快速冷驯化对麦长管蚜1龄若蚜和无翅成蚜存活率的影响Fig. 3 Effect of rapid cold acclimation on the survival rate of the 1st instar nymphs and apterous adults of Sitobion avenae将蚜虫在0℃分别保持1, 2， 3, 4和5 h进行冷驯化后置于致死温度(1龄若蚜暴露于-9℃, 无翅成蚜暴露于-8℃)3 h，然后分别接于单株小麦苗上在15℃的人工气候箱中饲养，72 h后统计死亡蚜虫的数量，计算存活率。Aphids were transferred to lethal temperature (-9℃ for the 1st instar nymph and -8℃ for apterous adult) for 3 h after cold acclimation at 0℃ for 1, 2, 3, 4, and 5 h, respectively. They were then placed on wheat seedlings in an artificial climatic chamber at 15℃, and dead aphids were counted and the survival rates calculated 72 h later.

2.3 自然条件下麦长管蚜的种群动态

气象资料数据显示， 2009-2019年陕西杨凌1月份单日最低气温分别为-11.0℃, -8.2℃, -9.7℃, -13.1℃, -10.2℃, -8.6℃, -8.3℃, -14.2℃, -6.9℃, -13.1℃和-7.3℃，其中2019年1月份月平均温度最低为-4.0℃，最高为4.8℃，单日平均最低温度为-7.3℃，最高温度为8.0℃(表2)。自然条件下麦长管蚜田间种群动态调查表明，从2018年10月份小麦播种至2019年6月份收获，麦长管蚜田间种群个体数量存在2个高峰期，分别为11月份和次年5月份；1月份种群个体数量处于最低水平，百茎蚜虫数量仅为0.067头，均为孤雌生殖蚜(图4)。结果说明2018-2019年冬季麦长管蚜在陕西杨凌麦田可以顺利越冬。

表2 2009-2019年陕西杨凌1月份气温变化Table 2 Change in temperature in January from 2009 to 2019 in Yangling, Shaanxi

图4 陕西杨凌2018年10月至2019年6月气温变化和麦长管蚜种群动态Fig. 4 Changes in temperature from October 2018 to June 2019 and population dynamics ofSitobion avenae in Yangling, Shaanxi

3 讨论

过冷却现象是许多昆虫在低温不良条件下为了存活可能利用的普遍方式之一(Andreadis and Athanassiou, 2017)，并且过冷却点高低与虫态有关(岳雷等, 2013)。本研究中陕西杨凌麦长管蚜实验室种群的过冷却点随龄期增加呈显著上升趋势(表1)，该结果与麦长管蚜(Knight and Bale, 1986)、豌豆蚜Acyrthosiphonpisum、茄沟无网蚜Aulacorthumsolani和瘤突修尾蚜Megouracrassicauda(Asaietal., 2002)、大豆蚜Aphisglycines(McCornacketal., 2005)、旋幽夜蛾Scotogrammatrifolii(赵琦等, 2011)、亚洲柑橘木虱Diaphorinacitri和柚喀木虱Cacopsyllacitrisuga(黄治轶等, 2015)以及美国白蛾Hyphantriacunea(邓煜等, 2016)等昆虫过冷却点随幼(若)虫龄期增加而逐渐升高的结果相一致。昆虫过冷却点随幼(若)虫龄增加而升高可能与其体内含水量、能量储备物质以及抗冻耐寒物质变化有关(欧阳芳和戈峰, 2014)。

相比于有翅型个体，麦长管蚜无翅型个体最后一次蜕皮后卵巢小管中基部胚胎已经完全成熟，可在短时间内大量产仔，而且所产1龄若蚜的存活对其种群延续具有重要意义。因此，本研究通过1龄若蚜和未产仔的无翅成蚜来评价零下低温条件对麦长管蚜存活的影响。结果表明，1龄若蚜和无翅成蚜的致死温度分别在-10.5℃和-8.1℃左右(图2)，快速冷驯化可以提高其存活率(图3)。该研究结果与Powell和Bale(2004)麦长管蚜的研究结果相似，说明短时间的快速冷驯化可能是蚜虫躲避不良低温环境的一种有效途径。温带地区桃蚜Myzuspersicae和北极地区蚜虫Myzuspolaris的致死温度在-12.7～-13.9℃范围，但亚热带地区蚜虫Myzusornatus的显著较高(-6.6℃)(Hazelletal., 2010)。豌豆蚜、茄沟无网蚜和瘤突修尾蚜3种蚜虫在-10℃的存活率存在差异，其中豌豆蚜的存活率最高，而瘤突修尾蚜的存活率最低，出现了大量死亡，但不同种类蚜虫的过冷却点在相同发育阶段之间并不存在显著性差异(Asaietal., 2002)。这些结果说明,蚜虫尽管有很低的过冷却点，但大量死亡通常发生在过冷却点以上的亚致死低温区，这种体液结冰前的大量死亡现象可能是冷休克对蚜虫造成的致命伤害，而与冰冻无关(Asaietal., 2002; Bale and Hayward, 2010)。

自然条件下，2009-2019年陕西杨凌1月份单日最低气温在-14.2～-6.9℃。麦长管蚜的致死温度和对短时间快速冷驯化反应的研究结果结合2019年1月份单日最低气温，佐证了陕西杨凌小麦田2019年1月份仍然发现孤雌生殖麦长管蚜继续存活的现象(图2～4)。该结果与麦长管蚜在渭北非极端年份以成、若蚜越冬的调查结果(相建业等, 1994)相一致。陕西杨凌(108.1°E, 34.3°N)与河南许昌地区(113.8°E, 34.0°N)纬度基本相同，连续10年的田间调查表明，麦蚜能以孤雌胎生雌蚜在许昌地区小麦田越冬(李梅花等, 2008)。这些结果说明在1月份平均气温0℃等温线附近的秦岭和淮河以北部分地区麦长管蚜能以孤雌生殖蚜越冬。

麦长管蚜具有远距离迁飞习性(张向才等, 1985; 李克斌等, 2014)，其捕获日期和夏季种群大小受冬季气温的强烈影响(Walters and Dewar, 1986)。我们在调查中发现2019年1月陕西杨凌冬季小麦田存在孤雌生殖麦长管蚜，成蚜和若蚜同时存在，但以若蚜为主，这种现象说明麦长管蚜在北方温带部分地区可以越冬，当地越冬存活个体应该是春季早期虫源之一，是否有迁飞虫源还需进一步的直接证据。