CO2浓度升高对阿尔蚜茧蜂寄生及后代蜂适合度的影响

杨泽远，张克信，刘长仲

（甘肃农业大学植物保护学院，兰州 730070）

0 引言

大气中温室气体的浓度在近些年来呈显著的上升趋势，其中CO2浓度升高对全球气候产生了很大的影响[1]。CO2是植物进行光合作用的原料之一，大气CO2浓度的改变不仅对植物产生影响也会对整个生态系统产生影响。大气CO2浓度升高对农业害虫及其天敌的发生动态的影响与人类农业生产活动息息相关，是近年来广泛研究的热点。揭示CO2升高对阿尔蚜茧蜂寄生及后代蜂适合度的影响，可以预测CO2浓度升高下阿尔蚜茧蜂作为生防天敌的防控效率[2]。研究结果对应用阿尔蚜茧蜂防治豌豆蚜有重要意义。

生态系统中植物、动物广泛受到大气CO2浓度变化的影响[3]。植物对CO2浓度升高非常敏感，CO2浓度对蚕豆(Viciafaba)等C3植物的光合速率、生长和营养成分具有显著影响[4]。CO2浓度升高不仅直接影响植物生理和生态学特性，而且间接地影响植食性昆虫[5]。大气CO2浓度升高还可能通过食物链对天敌昆虫产生不同程度的影响。如随着CO2浓度升高，寄生在麦长管蚜(Sitobionavenae)上的蚜茧蜂羽化率下降，对蚜虫寄生效果更加明显，CO2浓度升高显著改变了蚜茧蜂的寄生喜好[6-7]，但并未发现大气CO2浓度升高显著影响寄生蜂对舞毒蛾(Lymantriadispar)的寄生作用[8]。目前对阿尔蚜茧蜂的研究主要集中在生物学特性、寄主选择行为、寄生环境条件以及寄主协同进化等方面，国内仅对该蜂繁殖与环境因子、寄生与寄主之间的关系等方面有过报道[9]，关于CO2浓度升高对阿尔蚜茧蜂的影响研究甚少。大气CO2浓度升高对不同种类的寄生性天敌昆虫的影响不同，尚缺乏广泛的研究。

豌豆蚜(AcyrthosiphonpisumHarris)是重要农牧业害虫。豌豆蚜主要在苜蓿、豌豆、蚕豆等植物上以刺吸的方式为害，是中国豆科木本植物的主要害虫之一。阿尔蚜茧蜂是豌豆蚜(Acyrthosiphonpisum)的重要寄生性天敌，在生物防治中应用前景广阔，有重要的经济和环保意义[7]。本研究以豌豆蚜为寄主，阿尔蚜茧蜂为寄生性天敌，观察了3个CO2浓度条件下连续3代阿尔蚜茧蜂的寄生及其后代蜂的发育和寿命，以探究阿尔蚜茧蜂对不同CO2浓度下豌豆蚜的寄生及后代蜂适合度的影响，为阿尔蚜茧蜂的应用以及豌豆蚜的监测预报提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验设置了3 个CO2浓度处理：对照CO2浓度(380 μL/L)、中等浓度(550 μL/L)和高浓度(750 μL/L)。

本试验用绿色型豌豆蚜和阿尔蚜茧蜂均采于甘肃农业大学试验基地，蚜虫饲养在品种为‘临蚕2’的蚕豆植株上，建立豌豆蚜实验种群，将羽化后的雌、雄成蜂转移至饲养有豌豆蚜种群的养虫笼内寄生繁殖，建立蚜茧蜂种群。试验于2018年5月—2021年5月在甘肃农业大学植物保护学院昆虫生态实验室进行。

1.2 试验方法

1.2.1 寄主准备试验在温度为(24±1)℃、湿度60%～75%RH、光周期16 h:8 h(L:D)的人工气候箱（型号为SPX-250-GB-CO2）中进行。挑取足量成蚜放在蚕豆植株上，等到其产仔蚜6 h后，去除成蚜，等到仔蚜生长至2龄若蚜以供试验。

1.2.2 寄生蜂准备将僵蚜装入试管中，取出羽化24 h内的阿尔蚜茧蜂备用。

1.2.3 寄生试验待人工气候箱中种植的蚕豆长到约10 cm 高时，分别将蚕豆植株与根部土壤一并移入养虫笼中，每隔2 d对植株浇水一次。挑取2龄若蚜50头接入养虫盒内蚕豆植株上，定殖2 h后接入羽化24 h内未交配的雌、雄蚜茧蜂各1头，并补充10%蜂蜜水作为营养，任其寄生6 h后，移除蚜茧蜂，将蚜虫置于原条件人工气候箱内继续饲养直到僵蚜出现，待其羽化后重复上述试验连续处理阿尔蚜茧蜂3代。每日观察记录僵蚜数量、蜂的羽化时间、羽化数，每个处理设重复5次。寄生率和羽化率依据式(1)和(2)计算得出。

1.2.4 后代蜂适合度试验同前述寄生试验的条件进行试验，观察记载后代蜂雌雄数量、僵蚜出现时间和蜂的寿命。重复5 次。计算后代蜂的雌性比例、发育历期和寿命。后代蜂的雌性比例是指雌蜂数与出蜂总数的比值(%)，后代蜂发育历期是指释放蚜茧蜂到后代蜂羽化所经历的时间(d)，后代蜂的寿命是指蜂羽化后到死亡的时间(d)。计算见式(3)～(5)。

1.2.5 数据处理 试验所得的数据，利用GraphPad Prism8.0 软件进行two-way ANOVA 统计分析。图中所出现的误差处理方式均为平均值±标准差(mean±SD)。

2 结果与分析

2.1 不同CO2浓度对阿尔蚜茧蜂寄生率、羽化率、后代雌性比例的影响

随着CO2浓度的升高，阿尔蚜茧蜂各世代的寄生率、羽化率和雌性比例均显著降低(P＜0.05)。对照CO2浓度(380 μL/L)下F1、F2和F3代阿尔蚜茧蜂的寄生率、羽化率及雌性比例都是最高，寄生率分别为63.43%、64.00%和63.71%，羽化率分别为98.24%、97.74%和97.72%，雌性比例为55.03%、55.70%以及54.33%，高CO2浓度(750 μL/L)下阿尔蚜茧蜂的寄生率为54.00%、53.43% 和53.14%，羽化率为91.00%、90.34% 和90.35%，雌性比例为45.90%、46.16%和45.78%（表1）。此外，在同一CO2浓度的不同世代下阿尔蚜茧蜂的寄生率、羽化率及雌性比例相差不大，差异不显著(P＞0.05)（表1）。CO2浓度对阿尔蚜茧蜂的寄生率、羽化率和雌性比例有极显著影响(P＜0.01)，世代因子对其无显著影响(P＞0.05)（表2）。CO2浓度和世代的交互作用对阿尔蚜茧蜂的寄生率(F4,54=0.19,P=0.9447)、羽化率(F4,54=0.13,P=0.9689)以及雌性比例(F4,54=0.41,P=0.7971)均无显著影响（表2）。

表1 CO2浓度的升高对阿尔芽茧蜂寄生率、羽化率、后代雌性比例的影响

表2 CO2浓度对阿尔蚜茧蜂子代寄生率、羽化率、雌蜂后代比例影响的双向方差分析结果

2.2 不同CO2浓度下阿尔蚜茧蜂后代蜂的适合度

2.2.1 不同CO2浓度对阿尔蚜茧蜂雌性比例的影响随着CO2浓度的升高各世代阿尔蚜茧蜂的雌性比例显著降低(P＜0.05)。对照CO2浓度(380 μL/L)下F1、F2和F3代阿尔蚜茧蜂的雌性比例最高（55.03%、55.70%和54.33%），高CO2浓度(750 μL/L)下阿尔蚜茧蜂的雌性比例为45.90%、46.16%和45.78%（表1）。在同一CO2浓度的不同世代下阿尔蚜茧蜂的雌性比例差异不显著(P＞0.05)。

CO2浓度因子对阿尔蚜茧蜂雌性比例有极显著影响(P＜0.01)，世代因子对其无显著影响(P＞0.05)（表2）。CO2浓度和世代的交互作用对阿尔蚜茧蜂的及雌性比例(F4,54=0.41,P=0.7971)均无显著影响（表2）。

2.2.2 不同CO2浓度对阿尔蚜茧蜂后代发育历期的影响由表3 可知，F1、F3代阿尔蚜茧蜂发育历期在不同CO2浓度下差异显著(P＜0.05)，CO2浓度对F2代发育历期影响不显著(P＞0.05)。

表3 CO2浓度的升高对阿尔蚜茧蜂子代发育历期的影响

CO2浓度对F1、F2和F3代阿尔蚜茧蜂雌蜂发育历期影响不显著(P＞0.05)，对F2代雄蜂发育历期影响不显著(P＞0.05)，但随着CO2浓度升高发育历期缩短，CO2浓度对F1和F3代雄蜂的发育历期具有显著影响(P＜0.05)。由表3可以看出，雌蜂发育历期均长于雄蜂。

由表4可知，CO2浓度因子对阿尔蚜茧蜂的发育历期有显著影响(F2,1730=3.30,P=0.0381)，对雌蜂和雄蜂无显著影响(F2,879=0.84,P=0.4335)、(F2,834=2.00,P=0.1356)，世代因子对阿尔蚜茧蜂发育历期无显著影响(F2,1730=1.20,P=0.2983)，对雌蜂和雄蜂发育历期也无显著影响(F2,879=0.93,P=0.3958)、(F2,834=0.91,P=0.4041)（表4）。CO2浓度和世代的交互作用对阿尔蚜茧蜂发育历期有极显著影响(F4,1730=9.30,P＜0.01)，对雌蜂发育历期有显著影响(F4,879=3.10,P=0.0162＜0.05)，对雄蜂发育历期也有极显著影响(F4,834=9.20,P＜0.01)。

表4 CO2浓度升高对阿尔蚜茧蜂子代发育历期影响的双向方差分析结果

2.2.3 不同CO2浓度对阿尔蚜茧蜂后代蜂寿命的影响 由表5 可知，对照CO2浓度下F1、F2和F3代阿尔蚜茧蜂寿命最高，均为1.89 d并且显著高于中、高CO2浓度下的蜂寿命，CO2浓度对蜂寿命有显著影响(P＜0.05)，随着世代的增加，3个CO2浓度下的蜂寿命差别不大，差异不显著(P＞0.05)。

表5 CO2浓度对阿尔蚜茧蜂寿命的影响

阿尔蚜茧蜂寿命随着CO2浓度增加而降低，差异显著(P＞0.05)，世代的增加对雌雄蜂的寿命影响不大，差异不显著(P＞0.05)。阿尔蚜茧蜂雄蜂寿命均高于雌蜂。

由表6可知，CO2浓度因子对阿尔蚜茧蜂寿命有极显著影响(F2,1251=959,P＜0.01)，对雌蜂寿命和雄蜂寿命也有极显著影响(F2,621=707,P＜0.01)、(F2,621=738,P＜0.01)，世代因子对阿尔蚜茧蜂寿命无显著影响(F2,1251=0.59,P=0.5560＞0.05)，对雌蜂和雄蜂均无显著影响(F2,621=0.01,P=0.9886＞0.05)、(F2,621=0.13,P=0.8771＞0.05)。CO2浓度和世代因子对阿尔蚜茧蜂寿命无显著影响(F4,1251=0.58,P=0.6755＞0.05)，对雌蜂和雄蜂寿命也无显著影响(F4,621=0.12,P=0.9768＞0.05)、(F4,621=0.06,P=0.9941＞0.05)。

表6 CO2浓度对阿尔蚜茧蜂寿命的影响的双向方差分析结果

3 讨论与结论

在本试验中CO2浓度的升高对阿尔蚜茧蜂的寄生有显著影响，其寄生率、羽化率显著降低。大气CO2浓度升高对于植物的影响是直接而明确的，但对于植食性昆虫的影响是间接而又复杂的。NEWMAN等[10]认为，植物与昆虫之间有特殊的关联，大气CO2浓度升高对于“植物与昆虫”的影响也有特殊的关系。大气CO2浓度升高通过取食植物的昆虫而间接作用于天敌昆虫。大气CO2浓度升高改变了植物组织营养物质的组成与含量，提高了棉蚜(Aphisgosypii)对氨基酸营养的利用与补偿效率，蚜虫种群增多。捕食性和寄生性天敌对害虫的寄生和控制作用很可能会随着气候改变带来的植物生物量增加和害虫生活史特征的改变而下降,研究发现不同CO2浓度下黑腿绒茧蜂(Cotesia melanoscela)对舞毒蛾(L.dispar)寄生表现的影响没有差异[11]。CHEN 等[12]研究表明，在750 μL/L CO2浓度下，燕麦蚜茧蜂(Aphidiuspicipes)的羽化率与环境CO2相比显著降低，羽化率降低了10%。在本实验中随着CO2浓度升高，阿尔蚜茧蜂的羽化率也显著降低，这可能是由于CO2浓度升高影响豌豆蚜的生长发育而间接的阿尔蚜茧蜂在寄主体内营养的获取。有很多植食性昆虫可以积累其取食植物的防御物质，并用来抵御其寄生性天敌，减缓寄生蜂生长发育，导致其存活率显著降低[2,13]。

在本试验中随着CO2浓度升高，除了对照CO2浓度外，阿尔蚜茧蜂后代蜂发育历期变化不明显，其他CO2浓度下蜂发育历期缩短且差异极显著，雌蜂发育历期均长于雄蜂。对于容性寄生蜂来说，寄生蜂寄生后寄主不会立即死亡，而是生长发育延缓直至生长于体内的寄生蜂幼虫将寄主的营养耗尽。随着大气CO2浓度的增加，寄生危害不同抗性棉花上棉蚜的棉蚜茧蜂的发育历期显著缩短[12]，本试验中随着CO2浓度继续升高阿尔蚜茧蜂发育历期也明显减少。也有研究表明，如果蚜虫个体小，可提供的营养物质少，则会导致后代蜂发育时间明显延长[14]，但在高浓度CO2下豌豆蚜吸食紫花苴蓿汁液后体内蛋白质含量显著降低，总脂肪则无显著变化[15]。但是由于CO2浓度升高豌豆蚜种群数量增多阿尔蚜茧蜂寄生时也会选择了更加优质的寄主。

在本试验中阿尔蚜茧蜂在高浓度CO2下的雌性比例显著低于对照浓度CO2条件，寄生蜂的雌性比例受诸多因素的影响，寄生蜂通常营两性生殖和孤雌生殖，两性生殖既可产生雌性后代，又可产生雄性后代，而孤雌生殖则只能产生雄性后代[16]，寄主的大小等都影响着寄生蜂的性别[17]。雌蜂和雄蜂个体发育过程中，不同的营养需要也是影响雌性比的另一个原因，通常雄性个体发育较快，营养需要较少，而雌蜂发育相对较慢，营养需要相对较多，被寄生的低龄寄主由于不能满足雌蜂个体发育营养要求，而提前死亡或出现体内寄生蜂个体性别转换，从而导致由低龄寄主中羽化出的寄生蜂雄蜂数量较多。此外，寄生蜂的体内共生菌Wolbachia 也会影响性比[18]，CO2浓度升高对共生菌Wolbachia 的影响是否也导致了寄生蜂雌性比例还有待研究。

在本试验中，随着CO2浓度升高，阿尔蚜茧蜂寿命没有明显变化。有研究表明高浓度CO2下中红侧沟蚜茧蜂的寿命没有发生显著变化[19]。ODE 等[20]研究表明，CO2浓度升高条件下的寄主植物会影响四纹豆象(Callosobruchusmaculatus)的体重、发育历期和死亡率，从而影响它的寄生蜂的发育繁殖。另外，寄主植物还会影响取食它的昆虫的防御行为和免疫反应影响寄生蜂的寄生适合度。这也可能是阿尔蚜茧蜂对高浓度CO2下适合度较低的原因。已有研究表明了寄主植物的生长状态和寄主的质量对寄生蜂的适合度具有重要影响[21]，当寄主质量降低时，寄生蜂的适合度会下降。不同种类的天敌对于CO2浓度的响应不同，这说明大气CO2浓度升高对天敌昆虫的影响存在种的特异性。

综上所述，随着CO2浓度的升高植物生长发育加快，生物量增加，蚜虫的种群增大、体内营养物质改变等，降低了阿尔蚜茧蜂的寄生效果及后代蜂适合度，推测未来大气CO2浓度升高将导致阿尔蚜茧蜂对豌豆蚜的控害作用下降。在自然环境里大气CO2浓度的升高通过食物链影响着植物与昆虫、昆虫与天敌寄生蜂，短暂的浓度升高通过“自下而上”对第三营养级寄生蜂的影响并非简单的函数关系，经过长期的高浓度CO2处理后的寄生蜂是否产生一定的适应性以及CO2浓度升高对阿尔蚜茧蜂影响的规律性特征，仍需要持续多代的长期试验。