微光环境下草地贪夜蛾的颜色视觉行为反应

蒋月丽, 杨小凡, 黄求应, 李 彤, 梅诗琼, 鲁传涛*, 武予清*

(1.河南省农业科学院植物保护研究所, 河南省农作物病虫害防治重点实验室, 农业农村部华北南部有害生物治理重点实验室, 郑州 450002; 2.河北省农林科学院植物保护研究所, 保定 071000; 3.华中农业大学植物科学技术学院, 武汉 430070)

昆虫在寻找寄主、定位、取食、求偶及产卵等行为过程中,视觉发挥着巨大作用[1-6]。大多数昆虫种类尤其日出型昆虫具有良好的颜色视觉辨别能力。比如,蜜蜂、蝴蝶等能够利用颜色信号快速、准确地定位到不同颜色的花朵,取食、采集花粉和花蜜[7-8];一些日出型昆虫种类对不同颜色粘虫板的趋性存在差异,且对不同颜色表现出不同程度偏好性的行为反应[9-14]。Bullas-Appleton等[15]发现马铃薯小绿叶蝉Empoascafabae对化学气味的刺激反应不明显,在寄主寻找过程中视觉作用远大于嗅觉,对光谱上绿光波段刺激有明显的偏好,对蓝色和黄色波谱刺激有避光反应。

一般认为,由于夜间微光环境的限制,多数夜出型昆虫与人类一样只能看到目标物的灰色影子,无法识别颜色。事实上,夜间自然环境中的颜色信息和白天一样丰富多彩,差异明显,可以强烈刺激某些夜出型昆虫的颜色视觉[16]。比如,夜出型蛾类昆虫可以感知特定光谱范围的光刺激,表现出不同程度的趋性[17-18];在产卵过程中其对特定颜色表现出强烈偏好性[19-21],但是夜出型昆虫微光视觉的概念并未明确定义。Kelber等[22]首次提出夜出型昆虫和日出型昆虫一样具有强大的颜色视觉能力,在其取食、产卵等行为活动中起着至关重要的作用。研究发现红天蛾Deilephilaelpenor能在昏暗的夜晚准确分辨花朵颜色,经过训练、学习,即使星光条件下(0.000 1 cd/m2)仍能在一系列灰色中识别出蓝色和黄色,进而觅食,其选择准确率高达80%以上。同等条件下,人类则无微光识别颜色能力。目前,利用昆虫颜色视觉的光反应特性,研发的灯光和色板诱驱技术,已成为农林害虫绿色防控的重要措施之一,深入研究昆虫光色视觉及其行为特别是夜间微光环境下的颜色视觉反应具有重要的理论意义和应用价值。

草地贪夜蛾Spodopterafrugiperda隶属鳞翅目Lepidoptera夜蛾科Noctuidae灰翅夜蛾属Spodoptera,是联合国粮农组织全球预警的重大迁飞性农业害虫之一,尤其近几年来在全球各国迅速蔓延,已成为热点害虫之一。目前,对草地贪夜蛾的研究,主要涉及生物学习性、预警技术、迁飞规律、化学生态学及分子生物学等方面，而关于颜色视觉的研究甚少,草地贪夜蛾属夜出型昆虫,是否与大多数夜出型蛾类昆虫一样,能够在微光环境下识别颜色、定位寄主、取食、交配和产卵等生物学活动,这些尚不清楚。因此,本研究通过室内行为学测试,研究了微光环境下(光亮度为0.004 3 cd/m2)草地贪夜蛾对5种颜色卡纸的行为响应,试图为进一步揭示草地贪夜蛾微光视觉的行为机理提供理论基础,也为利用其颜色视觉进行物理防控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试昆虫

草地贪夜蛾虫源采自河南省信阳市(114.09°E, 32.15°N)玉米田(品种为‘郑单958’,常规管理),在温度(25±1)℃、相对湿度(70±10)%,光周期L∥D=14 h∥10 h条件下饲养至第5代。幼虫用玉米叶在养虫笼(长×宽×高=30 cm ×30 cm ×30 cm)内饲养至老熟幼虫,将老熟幼虫放入装有蛭石的保鲜盒(20 cm×10 cm×10 cm)内。蛹期鉴定雌雄后,分别于养虫笼内羽化(产卵试验的雌雄试虫混养),成虫每天饲喂10%蔗糖水。选择健壮活泼的3～5日龄雌雄成虫供试。

1.2 主要试验器材

光照培养箱(RXM-358B),宁波江南仪器厂;光纤光谱仪(Avantes AvaSpec-ULS3648),购于北京爱万提斯科技有限公司;监控摄像设备(萤石EZVIZ),购于杭州海康威视数字技术股份有限公司;辐照计(FZ-A),北京师范大学光电仪器厂生产;5种颜色的彩色卡纸:紫色、蓝色、绿色、黄色和红色(包括了长波和短波的常规颜色,光谱值如表1所示),得力集团有限公司生产;养虫笼(100目塑料网纱,长×宽×高=90 cm×90 cm×90 cm),塑料杯(直径10 cm,高6 cm),亚克力长方形透明盒(长×宽×高=30 cm×30 cm×40 cm),亚克力圆管(直径20 cm,长度20 cm,两端未封口),一次性培养皿(直径6 cm)。

表1 不同颜色卡纸的波长峰值

1.3 试验方法

1.3.1不同颜色卡纸对草地贪夜蛾成虫的引诱效果

试验在暗室中进行,温度(25±1)℃,相对湿度(70±10)%,光亮度为0.004 3 cd/m2。养虫笼放入暗室内,塑料杯分别用5种颜色卡纸包裹严实,杯内装入半杯水(用于捕捉趋色落入杯中的试虫),随机放入养虫笼的4个角和中间,每日随机调换位置。每日18:00将3～5日龄草地贪夜蛾雌雄成虫各30头放入养虫笼,次日早上8:00统计每个杯中的草地贪夜蛾雌雄成虫数量。连续测试7 d,用过的试虫不重复使用。

诱集率 = 某种颜色杯子中的成虫数量/试虫总数×100%。

1.3.2颜色对草地贪夜蛾成虫取食行为的影响

试验条件同上。5个培养皿(直径6 cm)均充满琼脂,上面分别覆盖等径的5种颜色圆形卡纸,将盛有10%蔗糖水的离心管插入皿中央。此后,将5个培养皿同样放入亚克力透明盒中的4个角和正中心位置,每日随机调换位置。每日18:00 将3～5日龄草地贪夜蛾雌雄成虫各5头放入盒中,用监控录像设备记录草地贪夜蛾成虫取食蔗糖水的情况(1头成虫每取食1次记为1虫次),至次日6:00止。连续测试7 d,统计其在不同颜色卡纸中取食蔗糖水的虫次。

1.3.3颜色对草地贪夜蛾成虫产卵选择性的影响

试验条件同上。以白色卡纸为参比色,将1种彩色卡纸和白色卡纸(长×宽=20 cm×10.47 cm)各3块等面积间隔贴在亚克力圆管(直径20 cm,长20 cm)内壁上,管内放入健壮3日龄成虫10对,饲以浸透10%蔗糖水的脱脂棉,圆管两开口端内用塑料膜(塑料膜上扎数个小孔以透气)外用纱网罩封。每处理各4次重复,每天调查产卵情况,直到产卵结束。产卵选择率 = 某种颜色卡纸上的落卵量/总落卵量×100%。

1.4 数据统计与分析

利用Excel进行数据整理分析,作图。百分比数据经反正弦转换,用SPSS 19.0软件进行统计分析。不同颜色处理间进行单因素方差分析(one-way ANOVA),并采用Tukey法检验处理间差异显著性;雌雄成虫之间的差异显著性采用t测验。

2 结果与分析

2.1 5种颜色卡纸对草地贪夜蛾成虫的引诱效果

不同颜色卡纸对草地贪夜蛾成虫的诱集效果存在差异(雌:df=4,F=10.028,P<0.001;雄:df=4,F=6.851,P<0.001)其中,蓝色和紫色对草地贪夜蛾雌雄成虫诱集效果最佳,雌雄虫对不同颜色的选择率分别为:蓝色21.43%和18.57%,紫色17.13%和15.70%,显著高于绿色、黄色和红色(P<0.05),而蓝色和紫色之间差异不显著。每种颜色对雌雄成虫的诱集量无显著差异(P>0.05)。

图1 5种颜色卡纸对草地贪夜蛾成虫的诱集效果

2.2 5种颜色卡纸对草地贪夜蛾成虫取食偏好性的影响

紫色、红色、蓝色、绿色、黄色处理组草地贪夜蛾取食选择虫次依次为12、9.4、8.87、8.73虫次和8.4虫次(图2)。5种颜色处理之间无显著差异(P>0.05),表明5种颜色对草地贪夜蛾雌雄成虫取食无显著影响。

图2 5种颜色处理下草地贪夜蛾成虫取食选择虫次

2.3 5种颜色卡纸对草地贪夜蛾产卵选择性的影响

2.3.1草地贪夜蛾对5种颜色卡纸的产卵选择率

5种颜色对草地贪夜蛾产卵选择性存在显著影响(df=4,F=4.844,P<0.05),以白色作为参比色,各颜色卡纸的产卵选择率依次为黄色(40.27%)>绿色(40.17%)>紫色(26.10%)>蓝色(24.51%)>红色(17.38%),其中对黄色和绿色卡纸的选择率显著高于紫色、蓝色和红色,而黄色和绿色之间差异不显著(P>0.05)。表明草地贪夜蛾产卵偏嗜黄色和绿色。

2.3.25种颜色环境下各介质的落卵量及卵总量差异性分析

不同颜色处理组,各介质上的草地贪夜蛾落卵量及总落卵量结果(图4)显示,以白色作为参比时,5种颜色卡纸上的落卵量存在显著差异(df=4,F=4.017,P<0.05);各颜色卡纸的落卵量依次为:黄色(1 411.33粒)>绿色(1 101.33粒)>紫色(917.67粒)>蓝色(780.83粒)>红色(681粒),在黄色卡纸上的落卵总量显著高于紫色、红色和蓝色(P<0.05),红色纸上落卵量最少。白纸、塑料膜上的落卵量以及落卵总量在不同处理间无显著差异(P>0.05)。

图3 草地贪夜蛾对5种颜色卡纸的产卵选择率

图4 5种颜色处理中草地贪夜蛾在各介质上的落卵量及卵总量

对同种颜色处理组中不同介质上的落卵量进行的差异显著性分析,结果发现,除黄色处理中黄色卡纸、白纸和塑料膜3种介质之间的落卵量无显著差异外,其他4种颜色处理组中不同介质上的落卵量均存在显著差异(紫色:df=2,F=4.224,P<0.05;蓝色:df=2,F=5.006,P<0.05;绿色:df=2,F=13.203,P<0.05;红色:df=2,F=13.203,P<0.05);其中,绿色处理组中绿色卡纸和白纸上的落卵量显著高于塑料膜的,但绿色卡纸和白纸二者之间无显著差异(P>0.05);在紫色、蓝色和红色处理组,白纸上的落卵量显著高于色卡纸和塑料膜上的,而色卡纸与塑料膜上落卵量之间无显著差异。

3 结论与讨论

众所周知,夜晚微弱光线下人类不能识别颜色,但是昆虫有着强大的微光视觉(dim-light vision)能力[22]。研究发现,蛾类和蜣螂等夜出型昆虫的微光视觉能力卓越,能在夜间或低光照强度下清晰、准确地获取颜色、大小、偏振光和运动状态等有效的视觉信息,呈现和日出型昆虫相似的视觉行为活动[9,22-25]。杨小凡等[19]认为,微光视觉是指光照强度低于0.3 lx(0.020 7 cd/m2)的微光条件下能够保持良好或较好视觉的能力。本研究测试了光照强度0.004 3 cd/m2的条件下,草地贪夜蛾对不同颜色刺激的行为响应,结果表明,与大多数夜行性动物一样,草地贪夜蛾具有较强的微光颜色视觉能力。

本研究显示,微光环境下草地贪夜蛾成虫能够辨别不同的颜色,对紫色和蓝色表现出明显的趋向性,其对紫色的偏好特性与Mitchell等[26]的研究结论一致。目前,利用颜色诱捕日出型昆虫的研究报道较多,但微光环境下利用颜色诱捕夜出型蛾类害虫的研究甚少(或未见报道)。蒋月丽[13]研究发现,蓝色诱盆与性信息素结合对梨小食心虫Grapholitamolesta引诱作用略高于其他颜色;李传仁等[27]研究了无化学诱剂的条件下,粉红、蓝和绿色3种诱盆对棉田昆虫的诱集效果,结果发现蓝色诱盆对棉铃虫Helicoverpaarmigera和银纹夜蛾Plusiaagnatastaudinger具有较好的诱集效果,与本研究草地贪夜蛾对蓝色趋性明显的结论类似。这些结论至少部分说明夜蛾类害虫在夜间微光活动过程中对蓝色刺激较敏感,由此可利用此特性提高蛾类害虫的监测和防控效率,亦可将自发光的灯具和信息素结合,最大程度地提升诱集效果。

胡璞[28]研究发现棉铃虫夜间访花时明显偏好蓝色和黄色的花;烟草天蛾Manducasexta在夜间访花过程中也先天偏好蓝色,但是训练后其偏好颜色会改变[29]。本研究发现,在5种颜色的趋向试验中,草地贪夜蛾明显偏好蓝色和紫色,但在取食测试中却无明显的颜色偏好,表明在该蛾取食过程中嗅觉信号可能占主导地位,具体原因有待进一步深入研究。

视觉线索在昆虫寻找产卵场所的过程中起着重要的作用[30]。夜蛾类昆虫在产卵过程中对不同颜色的基质表现出不同程度的偏好性,如黏虫Mythimnaseparata雌蛾偏好在黄褐色纸张上产卵,其产卵量和产卵次数明显高于绿色纸张上[20];梨小食心虫在产卵过程中明显偏好黄色和绿色基质[32];苹果蠹蛾Cydiapomonella明显偏嗜粉红色,其产卵选择率和产卵量明显高于其他颜色[21]。本研究发现,以白色作为参比色,在5种颜色中,草地贪夜蛾成虫在产卵过程中明显偏好黄色和绿色,其产卵选择率显著高于紫色、蓝色和红色,该结论与杨小凡等[19]对梨小食心虫的研究结论一致。颜色对不同介(基)质落卵量和落卵总量的影响分析发现,5种不同颜色环境下的白纸、塑料膜上的产卵量及产卵总量之间无显著性差异,说明不同颜色的刺激不会引起该环境下某种介质上产卵量和产卵总量的变化。但在同种颜色不同介质之间的落卵量不尽相同,黄色组,3种介质之间落卵量无显著差异;绿色处理组,绿色卡纸和白纸上的落卵量明显高于塑料膜上的;在紫色、蓝色和红色处理组,均是白纸上落卵量显著高于色卡纸和塑料膜上的,色卡纸和塑料膜之间无显著差异。这些结果进一步说明,草地贪夜蛾成虫产卵偏嗜黄色和绿色。关于参比色(白纸)介入上述5种颜色环境后草地贪夜蛾产卵介质选择性发生变化的影响因素,还有待更深入的研究。

综上所述,微光环境下,5种不同颜色的卡纸对草地贪夜蛾成虫趋向、取食及产卵活动各有不同的影响,在趋向过程中明显趋向蓝色和紫色,在产卵过程中明显偏好黄色和绿色,而在取食过程中没有明显的颜色偏好,这些不同的影响特性,说明草地贪夜蛾成虫的微光视觉行为响应可能存在复杂的环境诱因及内在的行为动机,甚至两者兼而有之,具体原因有待于更深层次的系统研究。该研究在理论上丰富了昆虫微光视觉生态学理论,也为深入研究草地贪夜蛾颜色视觉行为机理提供了基础,应用上为利用昆虫颜色视觉研发草地贪夜蛾物理防控措施提供了科学依据。