韭菜迟眼蕈蚊高温胁迫响应及热适应机制研究

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韭菜迟眼蕈蚊(Bradysia odoriphaga Yang et Zhang)是我国特有的重要地下害虫,为害多种作物,其中以韭菜受害最重。该虫种群数量大,耐药性强,防治困难,导致产品安全风险大。在我国北方该虫发生动态季节性差异明显,露地春季发生最重,夏季种群数量极少,但秋季种群数量回升很快,成为冬季设施栽培和早春露地栽培的重要虫源。尽管已有研究表明温度是影响韭蛆发生的重要环境因素,但高温对韭蛆的影响,尤其是韭蛆对高温的适应性研究未见报道。本文通过探究高温胁迫对韭菜迟眼蕈蚊生命参数的影响,明确其耐热水平;从热锻炼、热忍耐、后代适合度及食料种群等多角度探究其高温胁迫适应对策;并进一步从抗氧化反应、热激蛋白基因表达和激素代谢水平等多方面阐明热适应机制。研究结果以期能够揭示韭菜迟眼蕈蚊对环境胁迫因子的适应和持续暴发机制,同时为高温措施在韭蛆生态控制中的应用提供实践支持。主要研究结果如下:1.高温胁迫对韭菜迟眼蕈蚊生长发育产生明显不利影响,极端高温(>36°C)胁迫对各虫态造成明显致死作用,4龄幼虫和蛹耐热性较强,卵和成虫的耐热性最差,且极端高温对存活幼虫和成虫依然有持续的负面影响。2532°C生命表研究表明,当温度超过30°C,幼虫发育历期延长,存活率下降,成虫寿命缩短并伴随繁殖力下降;32°C是完成世代发育的最高温度,与25°C相比,幼虫历期延长了7.39 d,存活率下降了30.41%,成虫寿命缩短了1.051.11d,繁殖力下降了41.27%。温度超过36°C,短时高温胁迫造成各虫态快速死亡,4龄幼虫和蛹38°C时致死中时间(LT50)分别为1.83 h和2.15 h,卵和成虫LT50为1.101.40 h。经过极端高温胁迫后,存活幼虫和成虫后续生命参数受抑制,其中成虫所受不利影响更为严重,经过38°C 2 h胁迫,存活幼虫发育历期延长3.63 d,产卵量下降23.95%,后代孵化率下降了12.56%;而成虫经过38°C 2 h胁迫,产卵量下降了75.63%,后代孵化率下降了60.97%。2.研究明确了4龄幼虫是韭菜迟眼蕈蚊适应高温环境的最重要虫态,发现热锻炼提高幼虫耐热水平;幼虫能够在亚致死高温条件下长时间适应;取食不同食料幼虫耐热水平差异较大;进一步发现高温处理提高后代雌性比例和耐热水平。以上对策是韭菜迟眼蕈蚊能够顺利渡过夏季高温,保存种群,并实现秋季种群快速回升的特殊适应策略。4龄幼虫经过3036°C热锻炼,随温度的升高,耐热水平逐渐增加。经34和36°C 4 h热锻炼后12 h,4龄幼虫在38°C 1 h极端胁迫下存活率分别为58.50%和61.75%,显著高于对照;耐热水平的增加能持续至成虫期,雌虫在极端热胁迫下存活率分别为49.75%和51.50%,依然高于对照。但是,热锻炼对成虫耐热水平的影响相对较小,经32°C热锻炼后6 h,雌成虫在极端热胁迫下存活率为50.25%,略高于对照(43.25%)。随时间延长,各锻炼处理成虫耐热水平无差异。此外,36°C热锻炼反而引起成虫耐热水平下降。在亚致死高温(34°C)胁迫下,4龄幼虫以类似夏滞育方式,停滞发育,能够长时间存活,20和30 d存活率依然为46%和12%。结束高温后,存活幼虫能够顺利完成后续发育,但生命参数受抑制。热处理20 d和30 d后存活幼虫在25°C下分别需要9.89 d和10.56 d才能化蛹,化蛹率分别为80%和64%;成虫期,雌成虫寿命较25°C对照种群明显缩短;产卵量显著下降了51.69%和50.46%。其他虫态对34°C亚致死高温未表现出类似的长时间适应能力。4龄幼虫经20 d亚致死高温处理以及32°C恒定高温饲养种群中,当代雌性比例下降,F0代雌雄比例分别为0.76:1和0.72:1;但后代(F1)雌性比例增加,分别为1.45:1和1.47:1。对亲本雌性繁殖特性分析表明,长时间高温会引起亲本中单雌产雌或产雌性优势后代的雌性亲本比例增加,是造成后代雌性比增加的主要因素,由25°C时的45.7%增加为57.9%和59.3%。还发现,高温胁迫引起后代耐热水平升高,32°C恒温和4龄幼虫经34°C处理20 d的后代中,4龄幼虫在38°C下LT50分别为1.91 h和1.97 h。在韭菜、大蒜、大葱、平菇和腐殖质等5种食料中,韭菜迟眼蕈蚊对韭菜和平菇的适合度最高,对大蒜和腐殖质的适合度最低。取食大蒜和腐殖质与取食韭菜相比,发育历期分别延长了2.48 d和7.48 d,存活率下降了23.15%和33.50%,繁殖力下降了27.18%和48.40%。取食不同食料幼虫耐热水平差异明显,取食大蒜和腐殖质4龄幼虫耐热水平最高,38°C下LT50分别为1.92和1.89 h,取食平菇和韭菜耐热水平较低,LT50分别为1.58和1.69 h。3.通过测定不同热胁迫条件下幼虫和成虫的生理反应和分子响应,发现提高抗氧化酶活性和合成热激蛋白是韭菜迟眼蕈蚊抵制高温胁迫伤害、适应高温环境的重要生理应答反应。极端热胁迫引起成虫脂质过氧化水平升高,经过36和38°C 1 h热胁迫后,雌成虫丙二醛MDA含量显著升高。为消除氧化损伤,抗氧化酶活性升高。其中过氧化氢酶CAT和超氧化物歧化酶SOD酶活性在36°C 1 h的低水平热胁迫时达到峰值,过氧化物酶POD和谷胱甘肽转移酶GSTs酶活性则在38°C 1 h的高水平热胁迫时达到峰值。还发现,长时间34°C亚致死高温胁迫下,4龄幼虫抗氧化酶活性维持较高水平,20 d时4种抗氧化酶活性分别为对照的1.71(CAT)、2.08(POD)、2.14(SOD)和1.44(GSTs)倍。取食不同食料幼虫抗氧化酶活性与耐热水平差异趋势一致,取食大蒜和腐殖质幼虫抗氧化酶活性最高,取食韭菜和蘑菇最低。热胁迫引起成虫5种热激蛋白基因hsp20、hsp40、hsp60、hsp70和hsp90表达水平升高,hsp70和hsp90表达升高水平明显高于其他热激蛋白,是参与热胁迫响应的最重要2种热激蛋白。经38°C 1 h热胁迫,雌虫体内hsp70和hsp90表达水平升高了19.92和15.29倍。由此跟踪测定了4龄幼虫经3236°C 4 h热锻炼后,hsp70和hsp90的表达水平,发现随着处理温度的升高表达水平的迅速升高,但随观察时间的延长表达水平逐渐降低,hsp70和hsp90的表达水平变化与耐热性获得水平变化关系一致。4龄幼虫在34°C亚致死高温胁迫下,hsp70和hsp90维持较高表达水平,20 d时表达水平分别为对照的10.03(hsp70)、7.74(hsp90)倍。4.通过对34°C亚致死高温胁迫下持续存活的幼虫激素含量检测,发现高水平的保幼激素和低水平的蜕皮激素共同调控4龄幼虫虫态不变、发育停滞,达到对高温的持续忍耐。34°C 10d与20 d,保幼激素含量分别为对照(25°C 3 d)的2.61和3.28倍;蜕皮激素含量分别为对照的0.75和0.65倍。实时荧光定量PCR检测发现,保幼激素合成关键基因JHAMT-1维持较高转录水平,20 d时为对照的3.45倍;水解关键基因JHEH维持低水平表达,20 d时为对照的0.61倍。由此推测,4龄幼虫在亚致死高温胁迫下,可通过提高保幼激素合成基因的转录水平,降低水解基因的转录水平,使保幼激素含量升高。5.冬季设施韭菜棚中高温闷棚,可作为控制韭蛆的重要生态手段。在明确成虫对高温胁迫最敏感的基础上,田间在成虫发生盛期采用高温闷棚,棚内保持极端高温持续34 h,对韭蛆的综合控制效果可达5060%。结合其他生态方法,防治效果可进一步提高。
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