光照节律及强度对黑水虻成虫行为及繁殖能力的影响

◆作者：周海泳阮明君李楚君陈柏宇李浩伦李昌鹏朱剑锋张 芸胡文锋＊

◆单位：1.深圳市海量农产品投资有限公司；2.华南农业大学食品学院；3.广州无两生物科技有限公司；4.生物源生物技术（深圳）股份有限公司；5.中山大学生命科学学院

黑水虻，也称为亮斑扁角水虻（Hermetia Illucens L.），是一种双翅目水虻科的昆虫，起源于南美洲。在我国，黑水虻主要分布在广东、广西、海南、云南、福建、湖南和湖北等地区（安新城等，2007）。黑水虻具有繁殖能力强，转化率高等特点，能分解禽畜粪便、餐厨垃圾及动物尸体等有机垃圾（BONDARI等，1987）；其幼虫含丰富的蛋白质、脂肪等营养物质，可用于开发饲料蛋白、饲料油脂（李天昊等，2017），具有广阔的市场前景和社会效益。目前，国内外对黑水虻的研究主要在黑水虻养殖、有机垃圾的生物降解及资源化利用方面，关于光照对黑水虻成虫繁殖影响的内容较少。

光照是昆虫赖以生存的重要因素，大部分昆虫都具有趋光性。趋光性是昆虫通过视觉器官中的感光细胞对特定范围内的光谱产生感应，并做出定向活动的现象。趋光性对采食、交配和产卵等活动起到重要作用（边磊等，2012）。研究表明，黑水虻成虫的繁殖行为受光照影响，不同光照环境下活跃度也不同（Holmes等，2017）。白天光照强度与其交配活跃度显著相关，当阳光强度低于63μmol/(m2·s)，黑水虻的繁殖活跃度较低，甚至没有进行交配；当光照强度达到200μmol/（m2·s）时，75%成虫会进行交配，而在冬季正午阳光充足的时段，黑水虻成虫的活跃度及繁殖情况明显加；黄苓等（2008）指出，当阳光光照强度7800 lux以上时，成虫活跃度高并进行产卵行为。

节律常常对昆虫的生理和行为造成很大的影响，如孵化、羽化、交配、产卵等。Qiu等（1996）发现，改变光照周期会导致Period基因的mRNA表达相位发生变化，短光照周期条件下（8 h光照∶16 h黑暗），Period基因的mRNA峰值提前；长光照周期条件下（16 h光照∶8 h黑暗），Period基因的mRNA峰值推迟，进而改变果蝇的昼夜节律。黑水虻成虫的繁殖活动也具有生物节律，太阳光下照射，交配主要集中在上午时段（黄苓，2008）；Kim等（2008）发现，黑水虻成虫在羽化后第2天开始交配，并在第3天活跃性最高，且交配行为主要发生在10:00～16:00，因为这一时间段光照强度总体最大。

光照强度和节律影响黑水虻成虫的交配情况及产卵量。目前，黑水虻繁殖生产主要通过太阳光对其交配产卵进行补光促进（Tomberlin等，2009）。自然条件下，太阳光照强度和节律缺乏稳定性和均匀度，无法保障黑水虻虫卵的稳定供应。现阶段国内外关于光照对黑水虻繁殖力影响的探究还比较少。鉴于此，本试验旨在通过研究光照强度和光照节律等因素对黑水虻成虫行为及繁殖能力的影响，用于促进黑水虻成虫在黑暗条件下的活跃度及繁殖能力，从而为黑水虻成虫繁殖提供参考，促进行业的发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黑水虻虫卵、虫蛹、成虫，均由广州无两生物科技有限公司提供。

试验器材包括碘钨灯，产卵板（15×5×2cm），养虫笼（50cm3，25 cm3），电子温度计，光照强度测量仪，摄像头，电子称，遮光布，一次性饭盒，小网袋，锥形瓶、温湿度计、培养箱、烘箱、定时开关。

试验开始前，在孵化室内密切观察虫蛹，在成虫破蛹（羽化）后24h内分开雌雄饲养，蜂蜜水饲养一天，在48～72h内完成挑选转移（即实验采用3日龄成虫）。

1.2 不同光照强度对黑水虻成虫飞行及交配行为的影响

将9个养虫笼（25 cm3）分配在碘钨灯的照射范围内，分成3组，每组3个养虫笼。光照强度测量仪放在笼子里面测量光强，分成3000、500、110 lux三个光照强度，组内笼子光照强度保持基本一致。在每个养虫笼左侧距离养虫笼2 m处放置摄像头。每个笼子中部气温相近，放入3日龄成虫5对。碘钨灯照射时间为9：00～18：00，同时打开录像装置。实验进行3天，期间每8h喷一次水。在所得视频中以每5min为一段按照平均时间间隔抽取5个视频观察统计黑水虻成虫的飞行次数以及尝试交尾次数。

飞行数指黑水虻成虫离开笼子底部或侧面，在空中飞行的数目（可以是同一成虫多次飞行，也可是不同成虫的飞行）；尝试交尾数指雄虫和雌虫尝试交尾的次数（每一对成虫交尾记为1次），若成虫在空中尝试交尾，则记录为交尾数，而不记录为飞行数。

1.3 光照节律对黑水虻成虫行为及繁殖能力的影响

1.3.1 光照节律对黑水虻成虫活跃性的影响

将装有定时开关的碘钨灯置于养虫笼（50 cm×50 cm×50 cm）正上方，对养虫笼进行遮光处理，并确保每个养虫笼所受光照强度相同。实验设计5种光照节律（L表示光照的小时数；D表示遮光黑暗处理的小时数）：L:D=6L∶18D，L∶D=12L∶12D，L∶D=18L∶6D，L∶D=24L∶0D，L∶D∶L∶D=6L∶6D∶6L∶:6D。分别在五种养虫笼中放入25对3日龄黑水虻成虫，按照其光照节律开关碘钨灯光源，利用摄像头记录成虫飞行数和交尾数，持续观察3天。实验重复3次。

1.3.2 光照节律对黑水虻成虫产卵的影响

称取同一批次黑水虻虫蛹50 g，分别在5个不同光照节律对应的养虫笼中放入10 g虫蛹和产卵板。待黑水虻羽化成虫，按照养虫笼不同的光照节律开关碘钨灯光源，光照四天后，每天定期更换产卵板，收集成虫所产虫卵，记录数据。实验持续15天，至黑水虻成虫死亡结束，统计每种养虫笼中成虫雄雌数目。实验重复3次。

1.4 数据统计及分析

数据用Excel整理试验数据，SPSS 24.0进行数据分析处理，数据在进行相应的统计分析前需要采用Shapiro-Wilk test检验变量是否符合正态分布规律，对于符合正态分布的变量可直接使用单因素方差分析进行差异性检验，并用Turkey's法进行多重比较，并进行方差同质性检验。对于不符合正态分布的变量用非参数检验分析，结果用“平均值±标准误”表示，并进行多重比较。P＜0.05表明差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同光照强度碘钨灯光照对黑水虻成虫行为和繁殖能力的影响

由图1可知，在同一时段，黑水虻成虫的飞行次数和交尾次数随着光照强度的减弱呈下降趋势，且总体上差异显著（P＜0.05）。光照强度为3000 lux时成虫飞行数最大，为60.07±10.26，光照强度为110 lux时成虫飞行数最小，为19.31±3.39，两者差异显著（P=0.001）。而光照强度500 lux时成虫飞行次数为33.00±5.18，与上述两组差异不显著（P＞0.05）。黑水虻成虫交尾数情况与飞行数情况相同，光照强度为3000 lux时成虫交尾数最大，为13.93±2.64，光照强度为110 lux时成虫交尾数最小，为3.29±0.87，两者差异显著（P=0.001）。而光照强度500 lux时成虫交尾次数为6.36±1.38，上述两组差异不显著（P＞0.05）。

由图2所示，在不同的时间段，黑水虻成虫的活动程度不同，总体上黑水虻上午时间段比下午更加活跃，飞行次数以及尝试交尾次数的分配在时间段上差异显著（P＜0.001，P=0.002）。黑水虻在第一天上午的飞行次数（32.60±4.291）与第二天上午的飞行次数（28.82±3.611）差异不显著（P＞0.05），二者均大于下午飞行次数（15.00±2.772），（P≤0.005）。第一天上午的尝试交尾次数（6.93±1.171）与第二天上午尝试交尾次数（4.69±0.763）差异不显著（P＞0.05），二者均大于下午的尝试交尾次数（2.7±0.643）（P≤0.005）。

在固定的光照强度和时间段下，开灯后每隔5 min记录一次时间点。从图3中可以看出，黑水虻的飞行次数以及尝试交尾次数在所测的时间点上呈现依次递减的趋势，且两者总体上均差异显著（P＜0.001）。5 min时，黑水虻成虫在飞行次数上最大（50.52±5.742），25 min时，飞行次数上最小（11.33±3.711），（P＜0.001）。黑水虻的飞行次数各相邻时间点之间差异不显著（P＞0.05），其余组间比较差异显著（P＜0.05）。同样，在5 min时，黑水虻尝试交尾次数上最大（11.78±1.520），20 min时，尝试交尾次数最小（1.52±0.487），P＜0.001。黑水虻的尝试交尾次数各相邻时间点之间差异不显著（P＞0.05），其余组间差异显著（P＜0.05）。

2.2 不同光照节律对黑水虻成虫活动的影响分析

由图4可知，光照节律分别为6L∶18D和12L∶12D的黑水虻成虫飞行数最多，分别为29.83±6.58和29.50±8.67，光照节律为6L∶6D∶6L∶6D的最少，仅为13.00±2.27，但不同光照节律对黑水虻成虫飞行次数的影响差异不显著（P＞0.05）。而光照节律对于黑水虻成虫交尾数的影响，光照节律6L∶18D的黑水虻成虫交尾数最多，为20.83±4.90，光照节律18L:6D次之，为19.67±5.50，而光照节律6L∶:6D∶6L∶6D成虫交尾数最少，仅为7.67±1.98，但不同光照节律对黑水虻成虫交尾次数的影响差异不显著（P＞0.05）。

图1 同一时段不同光照强度对黑水虻成虫飞行次及交尾数的影响

图2 时间段与黑水虻飞行次数及尝试交尾次数关系图

2.3 不同光照节律对黑水虻成虫产卵的影响分析

该阶段实验考虑到每组重复实验过程中可能受潜在环境因素的影响，且每组黑水虻成虫雄雌比例不相等，根据每组黑水虻成虫雄雌的实际对数，将产卵量按比例统一折算为50对黑水虻成虫产卵量。由于试验种群所在地自然光照节律一般为12L:12D，以光照节律12L∶12D组为基准，折算不同光照节律黑水虻成虫的相对产卵量，利用成虫相对产卵量进行对比分析。

由图5可知，光照节律为12L∶12D的黑水虻成虫相对产卵量最低，光照节律18L∶6D成虫相对产卵量最大，为1.134±0.20，但各光照节律组间差异均不显著（P＞0.05），说明光照节律对黑水虻成虫产卵量影响不显著。

图3 时间与黑水虻飞行次数及尝试交尾次数关系图

图4 不同光照节律对黑水虻成虫飞行数及交尾数的影响

图5 不同光照节律对黑水虻成虫相对产卵量的影响

3 讨论

3.1 不同光照强度碘钨灯光照对黑水虻成虫行为和繁殖能力的影响

本试验采用羽化后24～48h内的黑水虻成虫，结果显示，黑水虻的飞行次数及尝试交尾次数出现随着光强增大而上升的趋势，且差异性显著。得出结论，黑水虻成虫的活跃度在高光强下要比低光强下高，与Tomberlin（2002）的研究结果一致。张光全（2007）表明，当光照强度为1～1500 lux时，小蠹雌成虫的起飞量随光照强度的增加而增加，且在1500 lux时起飞量达最大，而超过1500 lux时，起飞虫量又逐渐减少；瓜实蝇成虫在2400 lux下开始进行飞行活动，飞行的群体数量随着光照强度的升高而增强，最适飞行活动的光照为9600 lux，但当光照强度高于12000 lux时，对其飞行行为有抑制作用，活跃成虫的数量随着光照强度的升高而降低（崔志富，2016）。

研究表明，阳光是影响交配的至关重要因素。太阳光照射下，黑水虻的日交配量可达70对以上（黄苓，2008）。本实验是利用室内灯光对黑水虻进行光照照射，且上午与下午的灯光环境一致。结果显示，上午时段黑水虻的飞行次数及尝试交尾次数比在下午时段更多更活跃，且主要集中在上午时段。黄苓等指出，85%的交配都发生在上午时段。早上8:30，当光照强度达到70μmol/（m2·s），黑水虻开始交配；140μmol/（m2·s）时，达交配高峰期；下午13:00之后，几乎没有出现交配现象，即使光强达到200μmol/（m2·s）。据此可推测，黑水虻成虫的活跃度除了与光照强度有关，还与生物节律、生活习性等相关。

3.2 不同光照节律对黑水虻成虫活动的影响分析

光照节律是昆虫乃至多种生物用于预测季节及气候变化的信号之一，在过往的研究中均有关于光照节律对昆虫生理和行为的影响。涂小云等（2013）研究发现，光照节律周期分别为14L∶10D、16L∶8D、18L∶6D、20L∶4D、22L∶2D时，对毛健夜蛾成虫的总交配率或暗期交配率均有显著性差异，而交配起始时间及高峰时段会随断光时间的延后而推后；韩桂彪等（2000）将枣粘虫成虫从光照周期为14L∶10D的环境中转移至0L∶24D时，表现出明显的生物节律，但将其转移至24L∶0D的光周期环境时，其交配行为变得不活泼且不规则。

本试验中用飞行数和尝试交尾数作为黑水虻成虫活跃程度的指标，此时黑水虻处于求偶交配阶段，所以这些活跃程度的指标也部分反映了黑水虻交配阶段受光照节律影响的情况。本实验设置了5个光照节律组，最后实验结果表明，各组飞行数和尝试交尾数均差异不显著。

本试验中，黑水虻在上午时间段里的飞行数和尝试交尾数比下午时间段更多，但同一时间段的不同光照节律活跃程度没有显著差异。推测黑水虻成虫可能存在某些我们未知的生物机制，可以感受时间的变化，且对成虫活跃程度的调控受光照节律的影响小，与果蝇体内的miR-279可通过调节JAK／STAT途径类似。黑水虻成虫的生命周期较短（9～14天），为了能顺利繁衍后代，可能存在另外一种生物机制，以克服生命周期短、求偶不成功等困难。而生物的活动是要消耗能量的，越活跃，消耗的能量就越多，更易死亡（Makkar等，2014）。根据试验过程的粗略统计，不同光照节律组之间，成虫的存活时间没有明显差异，即使是6L:18D组和24L:0D组，其每天成虫死亡率与其他组也大致相同，推测与黑水虻成虫的生命周期有关。Holmes等研究发现，光照时长显著影响黑水虻幼虫到羽化阶段的生长发育。该研究设置了3个光照节律组：0L∶24D，8L∶16D，12L∶12D，所有幼虫均能羽化，而12L:12D组所需时间最短；同时，比较从卵中孵化到成虫的生命历程所需时间，0L∶24D组需要的时间最长。结合本试验的结果，推测光照节律对黑水虻的影响在成虫阶段之前比较显著，而对成虫影响差异不显著。

3.3 不同光照节律对黑水虻成虫产卵的影响分析

张方平等（2009）研究了光照节律对斑翅食蚧蚜小蜂的影响，结果表明，产卵量在长光照条件（16L:8D）时最多，短光照条件（10L:14D）时最少，差异显著；汤玉清等（1993）研究了荔蝽卵平腹小蜂在5个光照节律（24L∶0D、18L∶6D、12L∶12D、6L∶18D和0L∶24D）下的日产卵情况，结果表明，在5个光照节律之间，平腹小蜂日产卵量没有显著差异，在无光照条件下也可以正常产卵，但在一天中不同时间的产卵数有显著差异。本试验的相对产卵量是以12L∶12D组的产卵量为基准1，将各组的总产卵量进行转换得到各组间相对产卵量，虽然其他4组的相对产卵量大于1，但各组间差异不显著。光照节律可能通过加速或延迟动物性腺的成熟，如缩短光照可诱发美洲红点鲑性腺提前成熟，延长繁殖期（Peter等，1979），从而增加产卵量。有研究表明光照节律影响生殖细胞的输送，如斜纹夜蛾雄虫精子的输送会受到光照节律的影响，当处于24L∶0D或0L∶24D的环境时，斜纹夜蛾雄虫体内精子的形成和输送会受到抑制（Seth等，2002），严重影响交配和产卵。

4 结论

综上所述，在黑水虻生存环境稳定前提下，在光照强度3000 lux范围内，随着强度增大，黑水虻的生长繁殖活动及产卵量增加；在设置的5个光照节律中，成虫在的活跃程度和相对产卵量均无显著差异。后续将进一步探究光照节律与光照强度等因素的交互作用对于黑水虻的影响，并合理控制，促进黑水虻的繁殖活动。