生态学报  2016, Vol. 36 Issue (13): 3987-3994

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李广雨, 高瑞, 赫娟, 曹祝, 胡祖庆, 胡想顺, 赵惠燕
LI Guangyu, GAO Rui, HE Juan, CAO Zhu, HU Zuqing, HU Xiangshun, ZHAO Huiyan.
高压静电胁迫对麦长管蚜种群生长发育与繁殖的影响
Effect of high-voltage electrostatic field (HVEF) on the growth and fecundity of Sitobion avenae Fabricius (Hemiptera: Aphididae)
生态学报[J]. 2016, 36(13): 3987-3994
Acta Ecologica Sinica[J]. 2016, 36(13): 3987-3994
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201506231263

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收稿日期: 2015-06-23
修订日期: 2016-01-06
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李广雨, 高瑞, 赫娟, 曹祝, 胡祖庆, 胡想顺, 赵惠燕. 高压静电胁迫对麦长管蚜种群生长发育与繁殖的影响[J]. 生态学报, 2016, 36(13): 3987-3994.
LI Guangyu, GAO Rui, HE Juan, CAO Zhu, HU Zuqing, HU Xiangshun, ZHAO Huiyan. Effect of high-voltage electrostatic field (HVEF) on the growth and fecundity of Sitobion avenae Fabricius (Hemiptera: Aphididae)[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(13): 3987-3994.
高压静电胁迫对麦长管蚜种群生长发育与繁殖的影响
李广雨, 高瑞, 赫娟, 曹祝, 胡祖庆, 胡想顺, 赵惠燕     
旱区作物逆境生物学国家重点实验室, 西北农林科技大学植物保护学院, 杨凌 712100
收稿日期: 2015-06-23 修订日期: 2016-01-06
基金项目: 高等学校博士学科点专项科研基金项目（20130204110004）；国家自然科学基金资助项目（39970112，30470268）
*通讯作者Corresponding author. 赵惠燕.E-mail:zhaohy@nwsuaf.edu.cn
摘要: 为了探究高压静电场对麦长管蚜Sitobion avenae Fabriciusde的影响。采用特定年龄生命表的方法，设置2、4、6 kV/cm辐射强度处理小麦种子和出生24h内的1龄若蚜。统计连续20代电场胁迫后麦长管蚜生命表种群参数、繁殖参数以及存活率的变化。结果表明：（1）经高压静电场处理后麦长管蚜的内禀增长率（r）在2 kV/cm和4 kV/cm强度时受影响显著（P <0.05），但两者表现的世代不同，2 kV/cm和4 kV/cm的最低值分别出现在第20代和第10代。（2）麦长管蚜的净增值率（R0）、平均世代周期（T）、繁殖力（F）、成虫寿命和产仔天数等参数均呈现前期受高压静电场影响各处理组均显著低于对照组（P <0.05），随着世代的增加高压静电处理组与对照组无显著差异。（3）麦长管蚜的特定年龄阶段存活率曲线受世代和高压静电场强度的影响显著。研究结论：麦长管蚜的生长发育和繁殖受世代和高压静电场强度的双重影响，且两者具有交互效应。研究的创新点在于：模拟自然条件下（同时对植物和昆虫进行高压静电场辐射处理）高压静电场对麦长管蚜的影响，为蚜虫生态遗传进化和生态控蚜提供理论依据。
关键词: 麦长管蚜     高压静电场     生命表     种群参数     繁殖参数    
Effect of high-voltage electrostatic field (HVEF) on the growth and fecundity of Sitobion avenae Fabricius (Hemiptera: Aphididae)
LI Guangyu, GAO Rui, HE Juan, CAO Zhu, HU Zuqing, HU Xiangshun, ZHAO Huiyan     
State Key Laboratory of Crop Stress in Arid Areas, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China
Abstract: High Voltage Electrostatic Field (HVEF) as an environmental factor has been proved significantly influenced living beings. The rapid increase of HVEF in recent years is due to the industrial and household machines and appliances, high-voltage power grids and medical devices. Sitobion avenae (Fabricius) (Homoptera: Aphididae) is one of the most common pests of wheat. It damages plants by ingesting sap from the ears, stems, leaves, and other tender plant parts. Itis also known to transmit viruses (e.g., barley yellow dwarf virus) during feeding, thereby reducing wheat yield and quality. Additionally its characteristics of parthenogenesis and high fecundity render it a good subject for research into the adaptation and evolution of insects. Raw-data analysis of an age-stage, two-sex life table is possible even though aphids reproduce parthenogenetically. In comparison to traditional age-specific life tables, two-sex life table analysis offers the following advantages: since it takes variability into account, it is more realistic than analyses based solely on the means of development times; it deals with the entire population (males, females, and those that die before the adult stages); and in simulation studies, it takes into account the complete age-stage distribution of the population. The last point is important because while only specific stages are sampled in field studies, different stages have different susceptibilities to insecticides, and behavioral patterns vary widely between stages. To explore the influence of HVEF on S. avenae, the age-stage life table of S. avenae was established to evaluate its life-table parameters. Wheat seeds and S. avenae nymphs born within 24 h of the experiment were exposed to HVEF for 20 mi at three intensities: 2, 4 and 6kV/cm. The results showed that: (1) the intrinsic rate of increase (r) was significantly lower than ck(P <0.05) at 2 and 4kV/cm, the minimum value was observed in the 20th and 10th generations respectively. (2) The net reproductive rate (R0), mean generation span (T), fecundity, adult longevity, and oviposition period of S. avenae exposed to HVEF were allsignificantly lower (P <0.05) than those of control at early generations, but no differences were found at late generations. (3) The age-specific survival rates of S. avenae were significantly influenced by generation and HVEF. The growth and development of S. avenae was affected by the intensity of HVEF and the generation of the organism, and the interaction of the two factors was also significant. As is well known, chemical control is often used within an Integrated Pest Management (IPM) program to keep the numbers of pests below the economic threshold. However, farmers often increase the quantity and frequency of insecticide usage to prevent pest damage without regarding the consequences. We demonstrate that HVEF affects aphid growth, developmengt and survival, thus it may provide a new tool for aphid control.
Key words: Sitobion avenae     high voltage electrostatic field (HVEF)     life table     population parameters     reproductive parameters    

自然界通常处于低压正静电场状态,地球上空的电离层对地面具有360kV的正电位,地面附近的场强为130V/m[1-2]。在这个巨大的天然静电场中生物本身其电荷分布、排列以及运动都达到了稳定并呈现一定的规律性[3],然而随着通信和电力事业的高速发展以及电气设备等的广泛应用,外部电磁环境急剧增加,有研究表明外部电磁环境已经比上世纪增加了1亿倍以上[4],这种变化势必会对生物造成一定的影响。关于电场对生物的影响现已证明电场能够调节细胞内外离子流通[5-8],干扰DNA合成和RNA转录[9-11],干预细胞的免疫反应[12],影响细胞对不同激素和酶以及神经物质的反应[13-16]。

有关电磁环境对生物的影响研究主要集中在医学方面,而有关昆虫的研究报道包括Chris等研究发现电网屏蔽的电流积累和家蝇(Musca domestica L)行走的速度密切相关[17]；David等研究发现根结线虫因其种类和龄期不同,对不同强度的电场会做出不同的反应[18]；Mohamed 等研究静电场喷雾对棉花上的甘薯粉虱(Bemisia tabaci)致死率,表明其至死浓度比传统的喷雾防治至死浓度明显增大[19]；Vytautas 等综述了电场对蜜蜂(Apis mellifera L)的交流和生殖发育等方面的影响[20]。而有关植物的研究报告包括：适宜场强的电场能够提高种子的萌发率[21-22]改变体内的某些化学物质的含量以及成分[23-24]进而改变生理活动[25]。上述前人研究多数只针对高压静电场对动物和植物某一方面,但是电场同时辐射昆虫和寄主植物的生物学效应尚未见报道。

麦蚜是我国北方麦类作物上的主要害虫类群,其中麦长管蚜Sitobion avenae (Fabricius)是麦类作物上优势种,具有生长周期短,繁殖快,适应能力强等特点,除通过直接刺吸小麦汁液来危害作物外,还可传播病毒病(如大麦黄矮病毒BYDV),分泌蜜露遮盖叶片影响光合作用而引起作物进一步受害,造成作物严重减产[26-27]。在实际生产中,为了杀灭麦长管蚜,通常采用喷施农药的方法,不仅污染环境,破坏生态平衡,也带来了农药残留等一系列危害。因此,寻找无污染的生态控蚜方法势在必行。

蚜虫作为典型的R对策昆虫,在面对急剧变化的电磁环境时,蚜虫种群如何快速适应变化？如何变异、遗传与进化？如果能从蚜虫研究获得突破不仅对于生物遗传进化具有重要的理论意义,而且对于害虫防治具有非常重要的应用价值。本研究团队曹祝曾用0—6 kV/cm高压静电场处理小麦种子20 min,研究结果表明电场对小麦和蚜虫的保护酶系均存在影响[28]；赫娟在0—6 kV/cm高压静电场处理麦长管蚜4 min的实验中发现电场对蚜虫的发育和寿命存在不利影响[29]。基于以上前人的研究,本实验以麦长管蚜作为研究材料,探究高压静电场能否为生态控蚜提供新方法,通过生命表的方法研究麦长管蚜受高压静电场辐射处理后生态参数的变化,明确HVEF对蚜虫的作用,为探索高压静电生态控蚜提供理论基础。

1 材料与方法 1.1 供实材料

小麦品种为1376(西北农林科技大学昆虫生态学实验室提供),挑选大小一致的籽粒种植在大小为9×9×10的塑料盆里,栽培用纯育苗基质(购自陕西杨陵农资市场),栽培环境为光周期16(L) ∶ 8(D),温度为(20±1)℃,相对湿度为(70±10)%。培育至12—13日龄待用。

虫源采用西北农林科技大学昆虫生态学实验室饲养的单克隆品系。1头无翅成蚜在光周期16(L) ∶ 8(D),温度为(20±1)℃,相对湿度为(70±10)%的人工气候箱内连续饲养4—5代后,其后代做为单克隆品系待用

1.2 高压静电场处理

高压静电发生器购自浙江省丽水市农科所农业智能化快繁中心,其能够产生0—100 kV连续电压,处理终端是由两个长60 cm宽25 cm的铝板构成,两者之间的距离是8 cm(处理装置如图 1)。本研究包括处理种子和麦长管蚜仔蚜,处理强度分别为0、2、4、6 kV/cm：小麦种子放在高压静电发射仪器下处理20 min；1日龄初产若蚜高压静电场条件下辐射20 min,每个处理20头,每个处理重复3次,连续辐射20代,每隔5代统计1次生命表数据。

图 1 装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the device
图选项
1.3 生命表研究

将上述处理过的初产若蚜用同样电场强度处理过的小麦单头饲养在直径为60 mm的培养皿里,置于光周期16(L) ∶ 8(D),湿度为(20±1)℃,相对湿度为(70±10)%的养虫室内饲养。每天观察并记录蚜虫的蜕皮,产仔,存活和死亡情况。所得数据用于计算蚜虫的内禀增长率(r),净增值率(R0),平均世代周期(T),周限增长率(λ),计算公式如下：

式中,lx表示特定时间存活率,mx表示特定时间繁殖力,x表示若蚜龄期

1.4 数据分析

采用两性生命表来分析将记录的麦长管蚜蜕皮、生长及产仔情况,生命表原始记录数据采用软件TWOSEX-MSChart 2.0[30]进行分析,最后所得生命表数据采用SPSS 17.0进行统计检验,SNK方法进行多重比较,各处理组间的显著性差异水平均为P＜0.05,用Sigmaplot 12.5作图。

2 结果与分析 2.1 不同强度高压静电处理后麦长管蚜不同世代种群参数变化

麦长管蚜种群内禀增长率(r)受不同世代和高压静电强度影响差异显著(6 kv/cm除外)(表 1)。对于同一世代不同处理,1,5,10代处理组均低于对照组,在1,10代最低值出现在4 kV/cm且与对照组相比有显著性差异(P<0.05),而在第15,20代最低值出现在2 kV/cm。对于同一处理不同世代,2 kV/cm最低值出现在第20代,4 kV/cm出现在第10代,两个处理的最高值都出现在第15代,6 kV/cm各世代间没有显著差异。表明：高压静电场对蚜虫种群增长有抑制作用,且强度与世代之间存在交互作用(F=85.692,df=12,P<0.001)。

不同强度处理对平均世代周期(T)有显著影响(表 1),规律是在第一代和第五代时,随着HVEF强度的增加,其平均世代周期T在一定程度上缩短。这说明经受HVEF处理的麦长管蚜受到了胁迫,为了维护种群的发展而被迫缩短平均世代周期,本质上也说明了HVEF对麦长管蚜造成了一定的伤害。然而第20代却显示出没有影响,T并未呈现前几代的类似变化趋势,而是保持一个较稳定时间,各组之间并无显著差异。推测经历了数代进化与适应,HVEF在世代周期方面造成的伤害已经得以弥补,显示出了麦长管蚜的生态适应性。

表1 不同强度高压静电处理后麦长管蚜不同世代种群生态学参数比较 Table 1 The population parameters (mean ± SE) of different generations of Sitobion avenae after exposure to electric fields (n=3)
参数 Parameters世代 Generation辐射强度Treatments/(kV/cm)
0246
内禀增长率(r)G10.2754±0.0067aA0.2641±0.0080abAB0.2497±0.0083bB0.2618±0.0081abA
Intrinsic rate of increaseG50.2760±0.0063aA0.2611±0.0067aAB0.2699±0.0067aB0.2632±0.0065aA
G100.2750±0.0061aA0.2629±0.0065aAB0.2210±0.0081bC0.2689±0.0058aA
G150.2751±0.0078abA0.2731±0.0051bA0.2889±0.0058aA0.2803±0.0065abA
G200.2759±0.0097aA0.2497±0.0055bB0.2660±0.0070abB0.2744±0.0066aA
净增值率(R0)G138.51±2.548aA26.31±2.382bC20.50±2.094bC23.93±2.144bB
Net reproductive rateG539.84±2.322aA26.93±2.076bC27.01±2.165bB25.68±2.112bB
G1037.87±2.622aA34.21±2.587aB25.65±2.814bBC39.35±2.656aA
G1535.89±2.833bA42.78±2.050aA43.06±2.086aA39.16±2.463abA
G2023.37±1.980abB20.04±1.456bD21.46±1.798bC26.40±1.750aB
平均世代周期(T)G113.25±0.2439aA12.37±0.2690bB12.08±0.2354bCD12.12±0.2927bB
Mean generation timeG513.35±0.2655aA12.60±0.2347bB12.20±0.2936bC12.32±0.2384bB
G1013.21±0.2037bA13.43±0.2333bA14.66±0.2884aA13.65±0.2071bA
G1513.01±0.2511bA13.75±0.2345aA13.02±0.2042bB13.08±0.2433bA
G2011.41±0.2064aB12.00±0.2191aB11.52±0.1864aD11.93±0.2039aB
小写字母a,b表示横向处理水平的差异显著性,大写字母A,B,C,D表示纵向世代水平的差异显著性(α=0.05,SNK检验法)
表选项

蚜虫净增值率(R0)的变化规律与平均世代周期(T)类似,这说明HVEF对麦长管蚜的生殖能力和种群增长起到了抑制作用。

2.2 不同强度高压静电处理后麦长管蚜不同世代种群繁殖的变化

从表 2中可以看出麦长管蚜的繁殖受高压静电强度和世代影响差异显著,同一处理不同世代,产卵前总时间(TPOP)2 kV/cm各世代与对照组均无显著差异,4 kV/cm在1、5代显著低于对照组,到10代显著高于对照组,15、20代没有显著差异,而6 kV/cm只有在第1代与对照组存在显著差异(P<0.05)；而成虫寿命,繁殖力和产仔天数等参数各处理组均呈现出前期极显著低于对照组(P<0.01),随着世代的增加处理组与对照组无显著差异,表明：电场胁迫对麦长管蚜产生不利影响,但在长期电场辐射条件下,蚜虫会最终适应电场胁迫。此外,3个参数的各组最低值均出现在第20代,且显著低于(P<0.05)其他世代(表 2)。

表2 不同强度高压静电处理后麦长管蚜不同世代种群繁殖的比较 Table 2 The fecundity (mean±SE) of different generations of Sitobion avenae after exposure to electric fields (n=3)
参数 Parameters世代 Generation辐射强度Treatments/(kV/cm)
0246
产崽前总时间(TPOP)G18.020±0.173aAB7.780±0.171abAB7.400±0.147bCD7.482±0.213bB
Total pre-ovipositionG57.567±0.176aB7.535±0.138aB7.017±0.130bD7.407±0.123abB
periodG108.333±0.140bA8.276±0.146bA9.064±0.192aA7.964±0.169bAB
G158.019±0.185aAB8.133±0.140aA7.967±0.159aB7.914±0.160aAB
G207.685±0.142bB8.070±0.150abA7.623±0.122bBC8.117±0.176aA
成虫寿命G116.60±0.85aA13.33±0.89bB12.06±0.87bBC13.24±0.86bB
AdultlongevityG516.72±0.82aA13.84±0.82bB13.90±0.96bAB13.25±0.92bB
G1014.72±0.80bA14.68±0.83bB14.50±1.03bAB17.21±0.88aA
G1515.56±0.90bA18.08±0.77aA16.57±0.61abA16.03±0.86abA
G209.810±0.60aB10.12±0.54aC10.11±0.57aC11.12±0.60aB
繁殖力G140.53±2.38aA28.71±2.36bC23.69±2.08bC26.56±2.10bB
FecundityG539.85±2.32aA27.86±2.04bC26.98±2.17bBC26.10±2.10bB
G1037.90±2.62abA34.83±2.57abB32.04±2.87bB41.47±2.49aA
G1539.89±2.66aA42.73±2.05aA43.07±2.09aA39.83±2.40aA
G2024.17±1.98abB21.11±1.40bD24.26±1.74abC26.38±1.75aB
产崽天数G113.81±0.74aA11.00±0.84bB9.743±0.841bAB10.93±0.83bBC
Ovi-daysG513.36±0.79aA10.54±0.77bB10.92±0.86bAB10.29±0.82bC
G1011.44±0.74bA11.90±0.76bB12.08±0.96bAB14.59±0.79aA
G1513.01±0.78aA14.33±0.68aA13.72±0.58aA13.26±0.73aAB
G207.994±0.490aB7.061±0.448aC7.767±0.537aC8.134±0.492aD
小写字母a,b表示横向处理水平的差异显著性,大写字母A,B,C,D表示纵向世代水平的差异显著性(α=0.05,SNK检验法)
表选项
2.3 不同强度高压静电处理后麦长管蚜不同世代种群存活率曲线

麦长管蚜的特定年龄阶段存活率曲线如图 2所示。特定年龄阶段存活率曲线(sxj)表示一个初产若蚜可能存活到天数x和龄期j,由于蚜虫个体发育速率不同可以明显的看出龄期的重叠。从图中可以看出：不同高压静电强度处理下不同世代麦长管蚜存活率曲线,处理组与对照组相比成虫存活率峰值和寿命总体呈现随着世代的增加先降低后升高最后无差异的走势。以4 kV/cm为例,与对照相比成虫存活率峰值和寿命先下降,到第10代达到最大差距,随后差距缩小,到第20代与对照无显著差异。表明：电场胁迫在短期内加速蚜虫的死亡,但在长期不断的辐射中,蚜虫逐渐对其产生适应性,最终使得蚜虫在电场胁迫中得以生存和存活,至于蚜虫如何逐渐产生适应的生理生化及分子机制有待进一步证明。

图 2 不同电场强度 (0、 2、 4、6 kV/cm) 连续 20 代胁迫处理对麦长管蚜存活率的影响 Fig. 2 Survival Rate of different generations of Sitobion avenaeafter continuous electric fields (0，2，4，6 kV/cm) exposur
图选项
3 结论与讨论

本研究中,将麦长管蚜特定年龄生命表中的内禀增长率(r)、净增值率(R0)、平均世代周期(T)、成虫寿命、产仔天数、繁殖力、产崽总天数以及特定年龄阶段存活率等几个具有代表性的参数作为生物指标,观察麦长管蚜种群生长发育和繁殖受高压静电场强度和世代的影响。实验结果表明,高压静电场强度和世代对麦长管蚜上述生物指标产生了显著影响,并且两因素间存在着显著的交互作用。

本研究麦长管蚜的内禀增长率(r)2 kV/cm最低值较4 kV/cm世代延后,这可能与场强的累积效应有关,场强较弱时处理时间长一些,场强较强时处理时间短一些。类似的研究出现在用高压静电场处理花生2 kV/cm时处理6 h效果最佳,而4 kV/cm时处理0.5 h效果较优[31]。此研究结果与前人高压静电场单独处理小麦种子结果相反(麦长管蚜内禀增长率2 kV/cm最低值比4 kV/cm世代提前)[32]这可能是高压静电场不仅直接照射小麦同时照射蚜虫双重胁迫的结果,双重胁迫下蚜虫通过自身调节增强了对低强度电场抗性,但随着场强的累积最终表现负面效应。另外,电场胁迫存在“阈值效应”,并非场强越大对蚜虫的毒害越重,再次证明了前人研究结果[28-29]

本研究中经高压静电场处理后麦长管蚜的存活率曲线在不同电场强度下差异显著,其中4 kV/cm受影响最显著,此研究结果与赫娟高压静电场单独处理麦长管蚜以及曹祝高压静电场单独处理小麦种子结果相符[29, 32],但相较于单独处理,本研究麦长管蚜各处理组成虫存活率峰值明显升高。前人研究表明：麦长管蚜主要通过维持抗氧化物保护酶系平衡和加速种群遗传进行两个途径来抵御高压静电场产生的不利影响。本文推测麦长管蚜经高压静电场直接和间接影响加速了其对高压静电场的适应,成虫存活率峰值的升高可能与此相关。实际情况如何有待进一步的研究。

本研究麦长管蚜的种群参数和繁殖均呈现前期显著低于对照,随着世代的增加与对照无显著差异,此研究结果与赫娟高压静电场单独处理麦长管蚜结果相符[29],这可能与细胞膜上一种微孔形成的可逆现象有关。有研究表明细胞膜在电场的作用下,产生“电沟”效应,形成所谓的“微孔”,使细胞膜在原有电位的基础上产生100—170 mV的跨膜电位,这种跨膜电位对嵌入细胞膜中的大分子物质产生影响,使其构形发生变化,进而影响细胞的功能,电场强弱不同,产生的生物学效应也不同,一般认为：弱场下微孔的形成是可逆的；强场下膜的破坏是不可逆的[32-33]。蚜虫在高压静电处理下的表现是否真的与微孔有关,有待进一步证明。

高压静电对蚜虫种群的胁迫研究涉及生物学与物理学两大学科的交叉,其中深入生物物理机理研究或许会对此做出更好的解释。本研究发现了长期电场同时辐射小麦和蚜虫对麦长管蚜的双重胁迫生物学效应,但涉及的相关生理生化影响尚未研究,未来需要从麦长管蚜体内某些化学物质变化情况,以及有关高压静电场胁迫的分子机理、相关蛋白质合成代谢具体机制以及相关核酸水平的遗传变异等方面进一步深入研究,从而为电场对蚜虫的生物学效应和害虫物理防治提供理论依据。

参考文献
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