基于铷元素标记技术分析多异瓢虫在甘草带与棉田间的迁移范围

薛正轩,蔡志平,张智健,彭天祥,黄志伟,黄恩泽,王佩玲,陆宴辉

(1.石河子大学农学院/新疆绿洲农业病虫害治理与植保资源利用重点实验室,新疆石河子 832003;2.中国农业科学院植物保护研究所/植物病虫害综合治理国家重点实验室,北京 100193)

0 引 言

【研究意义】栖息地管理是害虫管理的重要策略[1,2],通常选择一些特定非农作物功能植物种在田地的边缘。由于田边植物条带是相对受干扰较小的区域,能提供对天敌种群至关重要的资源[3,4],并能增强天敌种群的数量[4,5]。明确天敌在半自然栖息地与作物之间转移行为[6,7],对保护和利用自然天敌、调控棉田控害的防治策略有重要意义。【前人研究进展】研究昆虫转移扩散的方法有很多,包括DNA标记技术[8-10]、荧光标记[11]、花粉标记[12]、同位素标记和微量元素标记技术[13,14]等。其中铷(Rb)元素标记技术逐渐成为广泛应用的一种标记方式[15]。铷元素在自然环境中含量极低,化学性质和钾元素相似,在植物体内易吸收传导,可通过食物链转移到植食性害虫和天敌昆虫体内[16,17]。目前,铷元素标记技术在研究昆虫迁移扩散和半自然栖息地的选择[18,19]以及取食[20]等行为方面变得尤为重要[21,22]。【本研究切入点】多异瓢虫Hippodamiavariegate作为新疆棉田中棉蚜Aphisgossypii的主要捕食性天敌,对棉蚜控制起到主要作用[23]。作物周边种植功能植物带可以增加作物中天敌的丰度[24,25],吕昭智等[26]发现在甘草Glycyrrhizauralensis上寄生的棉黑蚜Aphisatrata能为许多天敌提供替代猎物。课题组前期研究时在棉花苗期发现甘草上涵养了大量的多异瓢虫,可能作为多异瓢虫主要的源库为棉田输送天敌,从而抑制棉蚜的危害。需采用铷元素标记技术,探索多异瓢虫在甘草与棉田之间的转移范围。【拟解决的关键问题】研究铷元素标记猎物后在多异瓢虫成虫体内的滞留期,分析其在甘草带和棉田中的铷元素检出率,以及多异瓢虫在甘草与棉田之间的转移范围,为丰富铷元素标记技术在昆虫生态学研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

室内试验:多异瓢虫成虫来源于中国农科院廊坊科研中试基地,取1日龄成虫试验,棉蚜以棉花为寄主单独饲养。多异瓢虫和棉蚜均于石河子大学人工气候室进行饲养,温度为(28±2)℃, 光照L∶ D=14∶ 10、湿度 (65±5)%。

田间试验:多异瓢虫的成虫均采自石河子大学试验场样地。

试剂:99.9%氯化铷(Rubidium chloride, RbCl)、1 000 μg/mL 铷标液(Rubidium, Rb)、65%硝酸(Nitric acid, HNO3)、30%过氧化氢(Hydrogen peroxide, H2O2)。

仪器:电子分析天平(JA2003N)、消解仪(EHD-24)、电热鼓风干燥箱(WGL-230B)、全自动微波消解萃取仪(型号CEM MARS X)、等离子体发射光谱仪(型号ICAP6300)。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

田间试验于在2021年6～8月在新疆石河子市石河子大学试验场(E 85°57′24″,N 44°19′39″)3个样地进行。供试区是我国棉花主产区,属暖温带大陆季风性气候,年平均气温7℃,年平均降雨量211 mm。采用随机完全区组设计,各地块相距1～3 km。棉田面积平均为7 hm2(范围在5.3～8 hm2)。供试棉花品系为早熟陆地棉新陆早系列,种植模式为1膜6行(行距 60 cm,株距 12 cm,膜宽为 205 cm)。试验地面积为600 m2(20 m × 30 m),3次重复。常规管理,不使用任何杀虫剂。

甘草带均为棉田边处于花期天然甘草带,与试验棉田相距约1 m。通过人为处理,保留长约20 m,宽约1.5 m,面积为(30 ± 2) m2,重复3次。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 自然背景下的铷元素含量

每次采集试验片区内多异瓢虫成虫检测铷元素,如含有则取单只含量最大值为基准值,反之,则取0为基准值。在喷施RbCl溶液前1 d取成虫20头(1只/1.5 mL离心管)保存作为对照,编号并置于-20℃冰箱中保存待测。

1.2.2.2 取食标记猎物后多异瓢虫成虫体内铷元素含量变化

取盆栽棉株2盆放在规格为80目60 cm × 60 cm × 60 cm(长×宽×高)的罩笼内并分别接入(200±20)头棉蚜,以喷雾方式将 2 000 μg/mL 的 RbCl 溶液均匀地喷洒于罩笼内棉花及棉蚜虫体上,1 h后每个笼子分别接入饥饿48 h的多异瓢虫40头。取食48 h后清除所有棉蚜并替换新棉株,补充新棉蚜接到棉株上(每天补充棉蚜(200±20)头/棉株,不喷施 RbCl 溶液)。于喷施后第1、3、5、7、9、11、13、15 d取样。每次取10头成虫单头放入 1.5 mL 离心管中,编号并置于-20℃冰箱中保存待测。

1.2.2.3 成虫在棉蚜发生不同时期不同距离下的铷元素标记

2021年6～8月,在棉蚜发生早期(6月23日)和棉蚜快速生长期(7月8日)利用铷元素标记技术标记处理。采用喷雾方式将 2 000 μg/mL 的 RbCl 溶液均匀地喷洒在有蚜虫和瓢虫活动的甘草植株上,用水量为1L/15m2;喷施后第 3 d分别在甘草上和距甘草条 0～15 m、16～30 m、31～50 m、51～100 m 处棉田中随机采集多异瓢虫成虫10 头;单头放入 1.5 mL 离心管中,编号并置于-20℃冰箱中保存待测,3次重复。

1.2.2.4 铷元素

将多异瓢虫成虫单头放入 20 mL 坩埚中在酒精喷灯上进行炭化;将炭化的虫体放入消解罐,加入HNO34 mL 和H2O20.5 mL,放入微波消解仪中进行消解,设置消解温度和时间为130℃ 10 min、150℃ 5 min 和180℃ 15 min,待消解罐内温度降至室温时,取出消解罐并打开放入消解仪操作台进行赶酸;待剩余2～3 mL时取出消解罐待冷却至室温,再加入部分去离子水以防止蒸发。最后将其移至 5 mL 容量瓶,用去离子水定容至 5 mL 待测。将 1 000 μg/mL 的RbCl 标准溶液用去离子水逐级稀释配制成 0.5、1、2、4 μg/mL 的标准样品,制作不同浓度标准曲线(相关系数R>0.995)。将处理好的样品利用原子吸收分光光度计测定Rb含量,每个样品重复测3次。

1.3 数据处理

检出率(%)= (检测出Rb个体数/样本总个体数)×100%。

采用 Excel 2010 和 SPSS20 软件处理数据,Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 自然背景下多异瓢虫体内的铷元素含量

研究表明,自然背景下未喷施RbCl溶液的多异瓢虫成虫和幼虫,Rb含量均大于去离子水,且不同时期测得不同。表1

表1 多异瓢虫自然背景下铷(Rb)含量

2.2 铷元素在多异瓢虫成虫体内随时间的变化

研究表明,RbCl 溶液喷到棉株及蚜虫上,瓢虫由于取食棉蚜从而使体内获得铷元素。多异瓢虫取食标记棉蚜后的第1 d已检测出被标记的铷元素含量并快速升高,在第3 d达到峰值。随着时间推移,多异成虫体内的 铷元素 含量逐渐下降。到第15 d,多异瓢虫成虫体内的铷元素含量已经接近第1 d检测时的含量,并且趋于背景下的水平值。铷元素在多异瓢虫体内滞留期一般在15 d左右。图1

图1 标记铷元素在多异瓢虫

注:数据为平均值 ± 标准误差

2.3 棉蚜发生不同时期甘草上多异瓢虫的铷元素检出率

研究表明,处于花期的甘草上成虫的铷元素检出率在棉蚜发生早期(6月23日)均高于棉蚜快速生长期(7月8日)。6月23日苗期棉花还未出现大量棉蚜,密度约为13头/百株,而在7月8日棉蚜密度达到1 250头/百株,棉花进入花铃期使得更多的多异瓢虫向棉田迁移寻觅猎物。图2

2.4 棉蚜发生不同时期棉田中多异瓢虫的铷元素检出率

研究表明,棉蚜发生早期(6月23日)和快速生长期(7月8日)中成虫铷元素检出率没有表现规律性的距离效应,其在50～100 m铷元素检出率最低,而棉田中距离甘草条0～5 m和31～50m相对较高于16～30 m和51～100 m,且31～100 m中棉田铷元素检出率水平保持相对稳定。在整个棉田中,棉蚜快速生长期(7月8日)的成虫铷元素检出率是棉蚜发生早期(6月23日)的1.2倍。图3

注:数据为平均值 ± 标准误差,成虫的铷元素检出率

3 讨 论

3.1 自然界中昆虫体内铷元素含量

目前,铷元素标记法作为研究昆虫迁移和扩散的一种有效手段已经被广泛应用[27]。虽然铷元素在自然界含量极低[28],但不能忽略其在自然背景中的水平值。应用铷元素标记技术之前,先测试试验区域内昆虫体内铷元素的自然背景水平,确保标记含量超出其自然水平,防止由于背景昆虫体内铷元素含量与铷元素标记后的含量相似而引起误差[29]。蔡志平等[16]在自然背景区中对异色瓢虫和中华通草蛉检测均未检出。通过对试验区域和人工饲养的多异瓢虫的铷元素含量的测试,发现含量要比去离子水中的铷元素含量高。进行下一步试验时,需将自然背景昆虫体内铷元素含量减去,才能得到标记后的真实水平值。研究发现,来自不同地点的多异瓢虫体内均含有微量的铷元素。

3.2 铷元素在多异瓢虫体内的滞留

铷元素标记可以由生产者经初级消费者传递到次级消费者再到天敌昆虫得到标记[27]。研究发现多异瓢虫第3 d时体内铷元素含量较高,与蔡志平[18]等利用铷元素标记异色瓢虫后第3 d测量铷元素含量处于高水平相符。铷元素含量在多异瓢虫体内随着时间而降低,可能是由于一系列的生理行为有关,不仅包括取食、排泄和产卵[30],并且有研究发现未标记的棉铃虫雌蛾与铷元素标记的棉铃虫雄蛾交配后,雄蛾也能将铷元素标记传递给雌蛾[31]。多异瓢虫体内的铷元素含量的减少会受到多种因素的影响。

3.3 多异瓢虫在甘草与棉田间的转移

由于铷元素可以被植物的叶片或者根部所吸收[28],在田间将RbCl溶液喷到有蚜虫的叶片上。一般利用微量元素进行标记,应选择使用不影响昆虫生长发育和繁殖的种类及浓度[32]。李国平等[31]研究发现高于10 000 μg/mL RbCl使棉铃虫幼虫存活率显著降低,标记浓度不应大于 4 000 μg/mL。宋国晶等[33]标记在田间标记两种盲蝽最适合的浓度为 2 000和 4 000 μg/mL,与蔡志平等[16]采用2 000 μg/mL RbCl溶液标记异色瓢虫相似。根据虫体大小及状态选择2 000 μg/mL标记,没有发现对多异瓢虫产生不良影响。

在棉蚜发生早期和快速生长期时,由于甘草上的棉黑蚜的种群逐渐减少,甘草上的多异瓢虫会转向棉田中的蚜虫进行捕食。一般捕食性天敌异色瓢虫在6～7月高温天气,平均1 d可迁移 1～2 km[34]。与研究结果相似,成虫在百米距离尺度上不存在明显的差异。而多异瓢虫的幼虫由于不像成虫具有飞行能力,所以迁移的距离有限,始终保持在5 m。在大田应用时,一般需要大量待标记昆虫,标记后田间释放,再回捕研究其迁移情况而试验没有人为大量释放被标记瓢虫,由此被标记及回捕虫体的数量很少,因此在明确自然条件下多异瓢虫在棉田与甘草间的转移规律上有一定欠缺。

4 结 论

铷元素在多异瓢虫体内滞留期一般在15 d左右,铷元素标记技术可以在田间有效的跟踪多异瓢虫成虫和幼虫的迁移。棉田边甘草草带上的多异瓢虫会转移到棉田中。成虫的迁移范围主要集中在0～50 m的区域。