城市入侵害虫悬铃木方翅网蝽对高温胁迫的耐受性及其生理机制

【摘要】外来昆虫对逆境条件具有较强适应性是其成功入侵的重要机制之一,因而成为当前入侵生态学关注的热点。悬铃木方翅网蝽(Corythuchaciliata(Say))原产北美温带地区,是新近入侵我国亚热带城市化地区并严重危害城市绿化重要的行道树——悬铃木(Platanusspp.)的外来害虫。该害虫在我国长江流域入侵过程中,常会受到夏季高温的胁迫,但这一逆境条件并没有对其种群扩张和繁衍构成限制。因此,本文提出假设——悬铃木方翅网蝽对高温具有较好的适应性。为验证该假设,本论文基于种群生态学、化学生态学、分子生态学等原理和方法,研究了恒温下种群生长发育和繁殖能力情况,高温胁迫下种群存活能力、繁殖能力和后代的适合度,以及高温胁迫后虫体耐热物质代谢变化等。其目的是揭示悬铃木方翅网蝽从温带地区传入亚热带地区后,对新入侵区内夏季高温是如何适应的,从而为深入了解该虫跨温度带快速入侵的可能机理提供科学依据,进而为其科学预警和防控提供理论参考。主要结果如下：1、为了阐明悬铃木方翅网蝽在恒温下的发育繁殖情况,利用二球悬铃木(P×acerifolia)叶片为食料,利用人工气候箱进行饲养试验,观察了在相对湿度80%、光周期14L：10D,不同恒温条件(16、19、22、26、30、33和36℃)下该害虫的生长发育速率和繁殖能力。结果表明：悬铃木方翅网蝽不同虫态的发育历期均随温度的升高而降低,在19-33℃下,从卵到成虫发育所需时间分别为47.6、35.0、24.1、20.0、17.1d；在16和36℃下,其不能完成全世代发育；该虫从卵到成虫的发育起点温度为11.17℃,有效积温为370.57日度。成虫寿命在33℃下最短(雌虫：17.7d,雄虫：19.7d),在16℃下最长(雌虫：58.9d,雄虫：59.7d)；在30℃下雌虫产卵期最长(8.9d)、单雌产卵量也最多(286.8粒)。种群趋势指数在19℃下最低(24.9),在30℃下最高(130.1)。因此,悬铃木方翅网蝽种群发育和繁衍的最适宜温度在30℃左右。2、为了明确悬铃木方翅网蝽在高温逆境下的生存状况,利用人工气候箱进行了短时高温胁迫试验,测定了不同高温(35、37、39、41、43和45℃)和不同暴露时间(0.5、1、2、4、6和8h)的交互作用下,该害虫的卵、若虫和成虫的存活率,以及热锻炼(33、35、37、39、41℃C下分别暴露1h)对若虫和成虫在致死敏感高温区(43℃暴露2h)的存活率。结果表明：悬铃木方翅网蝽在35-41℃范围内暴露0.5-2h,卵、若虫和成虫的存活没有受到明显影响,存活率均在80%以上；当温度上升到41℃以上时,随着暴露时间的延长,卵、若虫和成虫的存活率呈现下降趋势；各虫态半致死温度(Ltemp50)随高温暴露时间的延长而下降；耐热性顺序表现为：卵>成虫>若虫；在成虫不同性别间,雄虫的耐热性略强于雌虫。在非致死高温下锻炼1h后,若虫和雌雄成虫在43℃下存活率显著提高,37℃锻炼1h对各虫态耐热性的锻炼效果最佳。因此,悬铃木方翅网蝽在低于41℃的高温下具有较好的存活能力；高温锻炼能显著提高其耐热性。3、为了探明高温胁迫对悬铃木方翅网蝽成虫繁殖能力和后代适合度的影响,利用人工气候箱进行短时高温暴露试验,观察了不同高温胁迫处理(35、37、39、41、43和45℃下分别暴露2h)后成虫的生存、寿命和产卵量,F1代卵的孵化率、若虫和成虫的存活率和成虫性比。结果表明：与正常温度(26℃)相比,35-41℃高温胁迫2h对成虫寿命和产卵量没有显著影响,但显著延长了雌虫的产卵前期和产卵期。在温和高温胁迫(35-41℃,2h)下,成虫随日龄增加,存活曲线呈现Ⅱ型模式(存活率随着日龄增加缓慢下降)；在激烈高温胁迫(43-45℃,2h)下,成虫随日龄增加,存活曲线演变为Ⅲ型模式(存活率一开始就突然下降)；母代成虫经过35-41℃、2h高温胁迫后,F1代卵的孵化率和雌雄成虫性比没有发生显著变化,但活动期虫态(卵-成虫)存活率显著下降。因此,低于41℃的短时高温胁迫对悬铃木方翅网蝽成虫的繁殖能力和后代种群影响较小。4、为了探讨悬铃木方翅网蝽在高温胁迫下保持较高存活率的生理生化机制,利用生理生化测定技术,测定了不同高温胁迫条件下,成虫实验种群(33、35、37、39、41和43℃下分别暴露2h)和野外种群(夏季某天中8：00、10：00、12：00、14：00田间采集虫源)体内的多项生理指标。结果表明：随着环境温度的升高,实验种群和野外种群成虫体内的绝对含水量显著降低；而甘油三脂、总蛋白、甘露醇、山梨醇、丙二醛(MDA)、乳酸脱氢酶(LDH)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽(GR)等指标显著上升。因此,悬铃木方翅网蝽实验种群之所以耐受低于41℃C的高温,与其体内生理代谢系统的协同驱动有密切关系；在自然界出现的高温袭击下,该害虫这种系统代谢防御机制同样存在。5、为了进一步从分子水平上探明悬铃木方翅网蝽对抗高温伤害的生理机制,以HSP70为代表,利用反转录聚合酶链式反应(RT-PCR)结合cDNA末端快速扩增(RACE)技术,成功克隆了该害虫的HSP70基因cDNA全长；并进一步构建了荧光定量PCR体系,检测了不同高温胁迫条件下成虫实验种群(33、35、37、39、41和43℃下分别暴露2h)和野外种群(夏季1天中8：00、10：00、12：00、14：00田间采集虫源)体内HSP70基因相对表达量的变化。结果表明：悬铃木方翅网蝽HSP70基因cDNA全长为2256bp,其中,开放阅读框为1917bp,编码639个氨基酸,预测其分子式为C3085H4943N871O988S16,相对分子量为70.55kD,等电点为5.45。该序列具有HSP70家族的典型特征和特殊的功能结构域,并且与其他昆虫的HSP70的同源性大于80%。将成虫实验种群在37-41℃范围内热激2h后,体内HSP70的相对表达量随温度升高而显著上升,41℃胁迫处理后的表达量是33℃处理后的2710倍；但当温度上升到43℃时,表达水平则迅速下降。在野外种群中,成虫体内HSP70的表达量随自然界气温的上升而显著升高,中午12：00与下午14：00时,成虫体内HSP70的相对表达量分别比上午8：00时上升了226和771倍。因此,悬铃木方翅网蝽成虫在受到高温胁迫时,HSP70会迅速表达,这一能力可避免或降低其在高温下受到的热伤害。根据以上结果的综合分析,本文认为,悬铃木方翅网蝽对目前我国亚热带城市化地区的夏季高温具有较高的耐受性,该区域内的高温不能限制种群的存活和繁殖；其耐热性的形成受虫体内水分的加速代谢、多羟基化合物和热激蛋白的迅速合成、抗氧化保护系统的功能迅速增强等多种生理代谢有关,这些综合的、自发的、协同的生理效应避免或减轻了该害虫受高温带来的热伤害。因此,悬铃木方翅网蝽具有较好的耐热可塑性,这是该害虫能够在不同温度区内快速入侵的关键机制之一。据此推测,悬铃木方翅网蝽在我国亚热带悬铃木种植区内还有可能继续扩散,相关的防控措施需要进一步加强。
【作者】鞠瑞亭；
【导师】李博；
【作者基本信息】复旦大学，生态学，2012，博士
【关键词】生物入侵；悬铃木方翅网蝽；适合度；热激；分子机制；生理机制；繁殖；存活；

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