畢思佳, 胡本進(jìn), 胡 飛, 徐婷婷, 徐麗娜

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全研究所, 合肥 230031)

在昆蟲中,雄性先熟(protandry)和雌性先熟(protogyny)分別指成蟲羽化時間上雄性和雌性物種的差異(Blanckenhornetal., 2007),由于這兩種現(xiàn)象主要是雌雄個體發(fā)育歷期的差異導(dǎo)致,因此也被統(tǒng)稱為發(fā)育歷期的性二型性。在許多昆蟲物種中雄性成蟲往往比雌性更早出現(xiàn),如鱗翅目的多種蝶類及蛾類、雙翅目的白紋伊蚊Aedesalbopictus等(Rhaindsetal., 1995; Bellinietal., 2018)。草地貪夜蛾Spodopterafrugiperda是鱗翅目夜蛾科的一種重大遷飛性害蟲。筆者前期飼養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾雌蟲總是先于雄蟲羽化; Huang 等(2021)的研究也發(fā)現(xiàn),在19, 22, 25, 28和31 ℃ 5種溫度下,草地貪夜蛾雌蟲羽化總是早于雄蟲,但草地貪夜蛾是否屬于雌性先熟昆蟲目前尚未被明確提出,關(guān)于影響該現(xiàn)象的因素也未被進(jìn)一步探討。

除了溫度,光周期和食物也是影響昆蟲生長發(fā)育的重要因素。光周期能夠調(diào)節(jié)昆蟲羽化、飛行、生殖等多種生理現(xiàn)象(Tsurumakietal., 1999; Blochetal., 2013)。正常光周期下小菜蛾P(guān)lutellaxylostella雌性多在暗期羽化,雄性多在光期羽化,但當(dāng)光周期逆轉(zhuǎn)后,小菜蛾兩性羽化沒有顯著的規(guī)律(田厚軍等, 2022)。粘蟲Mythimnaseparata隨著光照時間的減少,幼蟲發(fā)育速度顯著提升,產(chǎn)卵前期顯著延長(曹雅忠等, 1997)。棉鈴蟲Helicoverpaarmigera的羽化高峰總是出現(xiàn)在暗期,且當(dāng)光周期為長光照(16L∶8D)時,棉鈴蟲的飛行距離和時間較其他處理顯著增加,成蟲壽命顯著縮短(孫曉婷等, 2019)。草地貪夜蛾在光周期16L∶8D, 14L∶10D, 12L∶12D和8L∶16D時雄蛹?xì)v期顯著長于雌蛹?xì)v期,在光周期12L∶12D, 10L∶14D和8L∶16D 時雄性幼蟲-成蟲歷期也顯著長于雌性幼蟲-成蟲歷期(孟令賀, 2021)。不同食物由于自身所含營養(yǎng)物質(zhì)不同使得昆蟲的生長發(fā)育、生殖等特征表現(xiàn)出明顯的差異(任素麗等, 2018; Zhaoetal., 2019)。李引等(2019)研究發(fā)現(xiàn),小菜蛾取食花椰菜Brassicaoleracea后發(fā)育歷期最短,存活率最高,而取食小青菜B.chinensis則與此相反。王淑枝等(2021)對草地貪夜蛾的研究也發(fā)現(xiàn),當(dāng)其以玉米及小麥為食時幼蟲存活率達(dá)90%以上,發(fā)育較好,而以花生和大豆為食時存活率低,發(fā)育較差。

然而,這兩種因素對草地貪夜蛾雌、雄蟲羽化的影響尚未見系統(tǒng)報(bào)道。本研究從光周期及食物的改變著手展開研究,以期明確草地貪夜蛾的雌性先熟現(xiàn)象是否穩(wěn)定存在。此外,草地貪夜蛾具有極強(qiáng)的遷飛性,過去的研究表明遷飛性昆蟲往往伴隨著初羽化時卵巢發(fā)育不成熟的現(xiàn)象(Johnson, 1969; Karlsson and Johansson, 2008),那么草地貪夜蛾的雌性先熟是否是遷飛性昆蟲的共性,以及光周期和食物的改變是否會對草地貪夜蛾的卵巢發(fā)育造成影響也值得進(jìn)一步探究。因此本研究選取了同為鱗翅目夜蛾科且具有遷飛習(xí)性的粘蟲和斜紋夜蛾S.litura,觀察這兩種昆蟲是否也存在雌性先熟現(xiàn)象,同時解剖了不同光周期及食物飼養(yǎng)的草地貪夜蛾雌蛾卵巢,以期從多種角度探索草地貪夜蛾的羽化特性,為后期的精準(zhǔn)測報(bào)提供新依據(jù)和新思路。

1 材料與方法

1.1 材料

供試蟲源及食物:試蟲為在溫度(27±1) ℃、相對濕度65%～85%、光周期14L∶10D條件下以人工飼料連續(xù)飼養(yǎng)繁殖多代建立的實(shí)驗(yàn)室種群。供試食物包括:玉米,品種為“鄭單958”;花生,品種為“濰花8號”,均購于安徽省種子大市場;草地貪夜蛾、粘蟲、斜紋夜蛾人工飼料分別參考蔣素蓉和付鳳玲(2006)、嚴(yán)珍等(2013)和楊亞軍等(2020)的報(bào)道。

1.2 草地貪夜蛾在3種光周期下的發(fā)育歷期和雌性先熟現(xiàn)象的觀測

將同批孵化的草地貪夜蛾初孵幼蟲單頭轉(zhuǎn)入放有人工飼料的養(yǎng)蟲盒中,在人工氣候箱飼養(yǎng),溫濕度同1.1節(jié),光周期分為16L∶8D, 14L∶10D和8L∶16D 3種條件。分別記錄化蛹時間、成蟲羽化時間和死亡時間,計(jì)算各發(fā)育階段歷期,羽化后鑒定性別。每種光周期試蟲150頭,重復(fù)3次。

1.3 取食不同食物的草地貪夜蛾發(fā)育歷期和雌性先熟現(xiàn)象的觀測

將同批孵化的草地貪夜蛾初孵幼蟲單頭轉(zhuǎn)入養(yǎng)蟲盒中,分別以玉米葉片、花生葉片、人工飼料飼養(yǎng),植物組織飼喂組需每日檢查更換新鮮葉片,飼養(yǎng)環(huán)境同1.1節(jié),化蛹后的第2天單頭稱重,羽化后鑒定性別。分別記錄化蛹時間、成蟲羽化時間和死亡時間,計(jì)算各發(fā)育階段歷期和幼蟲存活率、化蛹率、羽化率。每種食物試蟲150頭,重復(fù)3次。

1.4 光周期和食物對不同日齡草地貪夜蛾卵巢發(fā)育影響的測定

將同批孵化的草地貪夜蛾初孵幼蟲分別在3種光周期下以3種食物飼養(yǎng),不同光周期處理中,溫度、濕度等其他飼養(yǎng)條件同1.1節(jié),取食不同食物處理的飼養(yǎng)條件同1.1節(jié),待化蛹后每日檢查草地貪夜蛾羽化情況,鑒定成蟲性別,將雌成蟲以5%蜂蜜水單頭飼養(yǎng)。分別對不同日齡(初羽化至死亡)雌成蟲卵巢逐日解剖,以及解剖第1天羽化至最后1天羽化的雌成蟲卵巢,解剖方法參照馮波等(2020)的描述,每個處理解剖10頭,記錄卵巢等級,發(fā)育級別的分級參照趙勝園等(2019)。

1.5 草地貪夜蛾、粘蟲、斜紋夜蛾的生長發(fā)育和性二型性比較

將草地貪夜蛾、粘蟲、斜紋夜蛾同批孵化的初孵幼蟲分別單頭轉(zhuǎn)入養(yǎng)蟲盒中,以人工飼料飼養(yǎng),飼養(yǎng)環(huán)境同1.1節(jié),化蛹后的第2天單頭稱重,羽化后鑒定性別。分別記錄化蛹時間、成蟲羽化時間和死亡時間,計(jì)算各發(fā)育階段歷期。每種試蟲150頭,重復(fù)3次。

1.6 數(shù)據(jù)分析

使用Excel匯總數(shù)據(jù),利用Origin作圖,采用SPSS Statistics 17.0計(jì)算數(shù)據(jù),以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示,用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)和單因素方差分析對各參數(shù)進(jìn)行顯著性比較,P<0.05表示差異顯著(有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義)。

2 結(jié)果

2.1 光周期對草地貪夜蛾發(fā)育歷期和雌性先熟現(xiàn)象的影響

從表1可以看出,草地貪夜蛾在16L∶8D, 14L∶10D和8L∶16D 3種光周期下均能完成世代發(fā)育,且幼蟲和蛹的發(fā)育速度均隨著光照的減少而降低。其中14L∶10D和8L∶16D條件下草地貪夜蛾幼蟲歷期和蛹?xì)v期相近,但均顯著長于16L∶8D條件下相同階段的發(fā)育歷期(P<0.05)。

表1 3種光周期下雌雄草地貪夜蛾各發(fā)育階段平均歷期Table 1 Mean duration of various developmental stages of female and maleSpodoptera frugiperda under three photoperiods

在3種光周期下草地貪夜蛾雌性的成蟲前期均極顯著短于雄性的(P<0.01),兩性蛹?xì)v期極顯著不同(P<0.01)(表1)。從圖1也可以看出,3種光周期下草地貪夜蛾雄成蟲均晚于雌成蟲出現(xiàn),羽化后第1天均只有雌成蟲出現(xiàn),雄成蟲分別在羽化后第3天(16L∶8D)、羽化后第2天(14L∶10D)、羽化后第3天(8L∶16D)出現(xiàn)。此外,3種光周期下雌成蟲的羽化高峰也均明顯早于雄成蟲的。

圖1 3種光周期下草地貪夜蛾每日羽化的雌雄成蟲數(shù)Fig. 1 Daily numbers of eclosed female and male adults of Spodoptera frugiperda under three photoperiodsA∶ 16L∶8D; B∶ 14L∶10D; C∶ 8L∶16D.

2.2 食物對草地貪夜蛾生長發(fā)育和雌性先熟現(xiàn)象的影響

取食不同食物對草地貪夜蛾卵歷期和成蟲歷期沒有顯著影響(P>0.05);取食玉米葉時,草地貪夜蛾雌、雄幼蟲歷期和成蟲前期均最短,顯著短于取食其他兩種食物時的(P<0.05),取食花生葉和人工飼料的幼蟲歷期和成蟲前期差異不顯著(P>0.05);取食花生葉時,草地貪夜蛾雌性蛹?xì)v期最短,取食玉米葉時次之,取食人工飼料時最長,三者間差異顯著(P<0.05);雄性蛹?xì)v期趨勢與雌性相似,但僅在取食花生葉和人工飼料間存在顯著差異(P<0.05)(表2)。

表2 取食3種不同食物的雌雄草地貪夜蛾發(fā)育歷期和蛹重Table 2 Developmental duration and pupal weight of female and male Spodoptera frugiperda fed on three foods

以3種不同食物飼喂的草地貪夜蛾雄性蛹?xì)v期均極顯著長于雌性的(P<0.01),但只有取食玉米葉和人工飼料的雄性蛹?xì)v期、成蟲前期和蛹重極顯著長(重)于雌性的(P<0.01),且取食玉米葉的雌性成蟲歷期顯著長于雄性的(P<0.05);取食花生葉的雌、雄幼蟲歷期、成蟲前期和蛹重差異均不顯著(P>0.05)(表2)。這也與圖2的羽化規(guī)律相一致,取食玉米葉和人工飼料后,草地貪夜蛾均表現(xiàn)出明顯的雌性先熟現(xiàn)象,而取食花生葉后,盡管前3 d雌性羽化數(shù)量較雄性多,但差異幅度相對較小,且羽化后第1天就有雄性出現(xiàn),雌性先熟現(xiàn)象沒有取食其余兩種食物明顯。

圖2 取食3種不同食物時草地貪夜蛾每天羽化的雌雄成蟲數(shù)Fig. 2 Daily numbers of eclosed female and male adults of Spodoptera frugiperda fed on three foodsA: 玉米葉Maize leaves; B: 花生葉Peanut leaves; C: 人工飼料 Artificial diet.

評價草地貪夜蛾取食3種不同食物的適合度發(fā)現(xiàn),取食玉米葉的幼蟲存活率最高,顯著高于取食人工飼料的(P<0.05),而取食花生葉的幼蟲存活率最低,僅為38.96%,顯著低于取食其他兩種食物時的(P<0.05),且取食3種食物的雌、雄蟲在化蛹率和羽化率兩方面均差異不顯著(P>0.05)。由此推測不適宜的食物會降低草地貪夜蛾幼蟲的適合度,并影響雌性先熟現(xiàn)象(表3)。

表3 取食3種不同食物時草地貪夜蛾的幼蟲存活率、化蛹率和羽化率Table 3 Larval survival rates, pupation rate and eclosionrate of Spodoptera frugiperda fed on three foods

2.3 光周期和食物對不同日齡草地貪夜蛾卵巢發(fā)育的影響

分別對3種光周期及3種食物條件下發(fā)育的不同日齡草地貪夜蛾卵巢進(jìn)行解剖,結(jié)果發(fā)現(xiàn)光周期和食物的改變對草地貪夜蛾的卵巢發(fā)育都沒有影響,且無論是羽化前期還是后期,其初羽化時卵巢發(fā)育級別都為Ⅰ級乳白透明期(圖3: A),羽化后1-2 d 發(fā)育為Ⅱ級卵黃沉積期(圖3: B),羽化后2-4 d 發(fā)育為Ⅲ級成熟待產(chǎn)期(圖3: C),羽化后4-6 d 發(fā)育為Ⅳ級產(chǎn)卵盛期(圖3: D),羽化后6-9 d發(fā)育為Ⅴ級產(chǎn)卵末期(圖3: E)。

圖3 3種光周期及3種食物條件下的草地貪夜蛾卵巢發(fā)育級別Fig. 3 Ovarian development levels of Spodoptera frugiperda under three photoperiods and three food conditionsA:Ⅰ級LevelⅠ; B:Ⅱ級Level Ⅱ; C: Ⅲ級Level Ⅲ; D: Ⅳ級Level Ⅳ; E: Ⅴ級Level Ⅴ.卵巢發(fā)育級別的分級參照趙勝園等(2019)。The grading of ovarian developmental levels referred to Zhao et al. (2019).

2.4 草地貪夜蛾、粘蟲、斜紋夜蛾的生長發(fā)育和性二型性比較

從表4可以看出,同草地貪夜蛾一樣,粘蟲和斜紋夜蛾雌、雄卵歷期和幼蟲歷期均沒有顯著性差異(P>0.05),而粘蟲和斜紋夜蛾的雄蛹?xì)v期雖均顯著長于雌蛹?xì)v期(P<0.05),但不同于草地貪夜蛾,粘蟲和斜紋夜蛾的整個成蟲前期在雌雄間并無顯著差異(P>0.05)。

表4 草地貪夜蛾、粘蟲和斜紋夜蛾兩性的發(fā)育歷期和蛹重比較Table 4 Comparison of the developmental duration and pupal weight of female and male Spodoptera frugiperda,Mythimna separata and S. litura

從兩性蛹重的比較也能發(fā)現(xiàn),草地貪夜蛾雄蛹重為237.40 mg,極顯著高于雌蛹重(216.06 mg)(P<0.01),較雌蛹重增加了9.88%;而粘蟲和斜紋夜蛾兩性蛹重差異不顯著(P>0.05),粘蟲雄蛹重甚至略低于雌蛹重(表4)。

從圖4可以看出,盡管3種試蟲都是遷飛性昆蟲,但粘蟲和斜紋夜蛾均沒有同草地貪夜蛾一樣明顯的雌性先羽化現(xiàn)象(圖4: A)。粘蟲羽化后第1天雌雄蟲均有出現(xiàn),且雌性和雄性整個羽化期的趨勢較為一致,羽化高峰均為第3天(圖4: B);斜紋夜蛾羽化后第1天出現(xiàn)雌雄成蟲各1頭,第2天雌性呈現(xiàn)小高峰,羽化數(shù)量達(dá)7頭明顯多于雄性的1頭,但雌性整個羽化期間的波動較小,羽化高峰與雄性相比沒有明顯的差別(圖4: C)。

圖4 草地貪夜蛾(A)、粘蟲(B)和斜紋夜蛾(C)每日羽化的雌雄成蟲數(shù)Fig. 4 Daily numbers of eclosed female and male adults of Spodoptera frugiperda (A), Mythimna separata (B)and S. litura (C)

3 討論

雌性或雄性先羽化,作為昆蟲羽化行為節(jié)律的一種表現(xiàn)形式,是生物鐘調(diào)節(jié)下的內(nèi)源性節(jié)律,但它也會受到外在條件的影響,例如光周期、溫濕度、營養(yǎng)物質(zhì)等(Saunders, 2002; Tanaka and Watari, 2003)。本研究比較了3種光周期對草地貪夜蛾發(fā)育和羽化的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)光周期的改變不會影響草地貪夜蛾的雌性先熟現(xiàn)象,其總是呈現(xiàn)雌性先于雄性羽化的規(guī)律,但幼蟲和蛹的發(fā)育速度均隨著光照的減少而降低,且兩性羽化高峰的間隔略有差異,在光周期16L∶8D和8L∶16D時雌性羽化高峰較雄性提前2 d,在光周期14L∶10D時雌性羽化高峰較雄性提前1 d(圖1)。童彥(2012)研究發(fā)現(xiàn),美國白蛾Hyphantriacunea是一種典型的雄性先熟昆蟲,在光周期18L∶6D和28 ℃時其雄性羽化高峰均較雌性提前2 d,而在光周期16L∶8D和28 ℃及光周期16L∶8D 和25 ℃時雄性羽化高峰較雌性分別提前3 d和4 d。結(jié)合上述結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)光周期會顯著影響昆蟲的生長發(fā)育,雖然其對草地貪夜蛾的雌性先熟沒有影響,但可能在一定程度上改變兩性羽化時間的差距。本研究主要對常見的3種光周期草地貪夜蛾發(fā)育和羽化的影響進(jìn)行了初步比較,今后還可從全光照或全黑暗等更多光照條件的角度進(jìn)行探索,進(jìn)一步明確光周期對草地貪夜蛾羽化模式的影響。

草地貪夜蛾作為一種多食性昆蟲,盡管對玉米、小麥等禾本科作物較為偏愛,但在缺乏玉米等寄主條件下也會為害花生、大豆、雜草等作物(Cristinoetal., 2008; 魏向敏等, 2020)。食物植物由于物理結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)物質(zhì)比例及性質(zhì)等方面的差異對昆蟲的生長發(fā)育和生殖特性會造成不同程度的影響(成衛(wèi)寧等, 2006; 李子玲等, 2006)。當(dāng)昆蟲營養(yǎng)缺乏時會出現(xiàn)發(fā)育歷期延長、翅畸形、體型縮小、死亡率增加等現(xiàn)象,例如Emre和Yazgan(1990)對黑痣瘤姬蜂Pimplaturionellae的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)食料中缺少煙酸或生物素時,其發(fā)育速度顯著下降,畸形率增加,產(chǎn)卵量下降。李定銀等(2019)研究發(fā)現(xiàn),草地貪夜蛾在玉米上孵化率和存活率最高,在菜豆上最低。本研究也發(fā)現(xiàn),當(dāng)草地貪夜蛾取食玉米葉時幼蟲存活率最高(表3),發(fā)育速度最快(表2);取食花生葉時幼蟲存活率最低(表3),幼蟲發(fā)育速度與取食人工飼料的類似,但蛹的發(fā)育顯著快于取食人工飼料的,這可能由于草地貪夜蛾對花生植物的適生性低,無法獲取有效的營養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致蛹期的體型和重量顯著下降,蛹?xì)v期縮短。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),草地貪夜蛾取食花生葉片時表現(xiàn)出的雌性先熟現(xiàn)象沒有其余兩種食物明顯,雖然雌性羽化高峰也早于雄性,但其在羽化高峰日的起伏趨勢明顯弱于取食其余兩種食物,且當(dāng)草地貪夜蛾以玉米葉和人工飼料為食時,羽化后第1-2天只有雌性出現(xiàn),而以花生葉為食時羽化后第1天雌雄均有出現(xiàn)(圖2)。在取食人工飼料的3種夜蛾科害蟲發(fā)育比較中發(fā)現(xiàn)僅有草地貪夜蛾雌性先羽化(圖4),但Li等(2014)報(bào)道,取食煙草的斜紋夜蛾具備雌性先羽化現(xiàn)象,這些結(jié)果表明食物對昆蟲的雌性先熟具有一定的影響,有待深層次探究。

關(guān)于兩性發(fā)育歷期的差異許多研究認(rèn)為與性體型二型性緊密關(guān)聯(lián),例如哥斯達(dá)黎加的Spodopteraalbula雌性幼蟲期的發(fā)育速度顯著慢于雄性,這可能是由于其需要更長的發(fā)育時間來獲得較大的體型(Montezanoetal., 2013)。在本研究也發(fā)現(xiàn),與雄蛹相比,草地貪夜蛾雌蛹重顯著降低(表4),這可能是導(dǎo)致其雌性先于雄性羽化的主要原因。這與陳超等(2012)對棉鈴蟲的研究結(jié)果相似。而本研究中粘蟲和斜紋夜蛾的兩性蛹期雖然在統(tǒng)計(jì)學(xué)上蛹重具備顯著差異,但差異級別遠(yuǎn)不如草地貪夜蛾蛹重,且粘蟲和斜紋夜蛾兩性蛹重差異不顯著,即不存在蛹期的性體型二型性,這可能是它們不具備羽化時間差異的一個原因。

在一些雄性先熟的昆蟲中雄蟲可以在即將羽化的雌蟲邊等待,做好隨時交配的準(zhǔn)備,提高交配成功率,使繁殖最大化(鄭福山等, 2009)。然而,目前草地貪夜蛾這類羽化模式的成因及其對種群繁殖的影響尚不明確。我們推測可能與其世代重疊現(xiàn)象和遷飛性相關(guān)。草地貪夜蛾是繁殖力極強(qiáng)的害蟲,其在田間常具有暴發(fā)性,可以同時存在不同發(fā)育階段的個體,世代重疊極為嚴(yán)重(王京京等, 2020),雌性的先羽化不僅不會影響草地貪夜蛾的交配,還可以避免近親繁殖,降低畸形率和死亡率,具備一定的進(jìn)化意義。此外,草地貪夜蛾是一種典型的遷飛性昆蟲,該類昆蟲卵巢發(fā)育常分為5個等級,初羽化時卵粒尚未成熟,這可以使雌蛾具有更強(qiáng)的遷飛能力,從而應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境變化(Rankin and Burchsted, 1992)。在本研究中也發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾的卵巢發(fā)育情況受外在條件的影響較小,在3種光周期和3種食物條件下初羽化時卵巢始終為未成熟期(圖3),這可以使其具備良好的遷飛時長和能力。但在本研究中無論是典型的遷飛昆蟲粘蟲,還是僅具備遷飛特點(diǎn)的斜紋夜蛾,卻均沒有呈現(xiàn)明顯的雌性先羽化現(xiàn)象,兩性的蛹重也不具備顯著差異;因此草地貪夜蛾雌性先熟現(xiàn)象的成因和生物學(xué)意義有待進(jìn)一步研究。