車文艷,梁 霞,王 萍,趙惠燕

西北農(nóng)林科技大學植物保護學院,旱區(qū)作物逆境生物學國家重點實驗室, 楊凌 712100

隨著人類社會工業(yè)化的進程,大量有毒化學物質(zhì)排放到空氣中,破壞了大氣層中的臭氧層,破壞了這道保護生物健康的天然屏障,致使到達地球表面的中波紫外線UV-B(280—320 nm)的輻射增強,對生態(tài)系統(tǒng)中的生物施加了強大的進化動力,對生物的生長發(fā)育和繁殖產(chǎn)生顯著影響[1- 3]。有學者研究發(fā)現(xiàn),紫外光譜可一定程度地控制昆蟲的行為,且強度的變化會刺激昆蟲體內(nèi)的識別器,支配昆蟲日常的覓食行為及地理分布和活動范圍[4- 5]。此外,還有學者發(fā)現(xiàn)UV-B脅迫對植物的光合作用、蒸騰作用、氣孔導度以及葉片水勢等均有影響,使植物表現(xiàn)出植株矮化、節(jié)間縮短、葉面積減小、葉片增厚、葉面積指數(shù)降低等癥狀,改變植物的形態(tài)及生理生化反應,間接影響植食性昆蟲的生長發(fā)育和種群動態(tài)[6- 12]。

麥長管蚜Sitobionavenae是麥類作物重要害蟲,也是麥蚜中的優(yōu)勢種,其前期集中在葉正面或背面,后期集中在穗上刺吸汁液,致受害植株生長緩慢,分蘗減少,千粒重下降。麥長管蚜全年主要營孤雌生殖產(chǎn)生后代,其生長周期短,繁殖快,對環(huán)境變化的適應能力強,是研究長期環(huán)境脅迫對生物影響的理想材料。已有研究表明,紫外線脅迫可提高麥長管蚜體內(nèi)SOD, CAT及POD活性水平,以更好地適應逆境[13]；此外,UV-B脅迫麥長管蚜也可導致其基因組DNA發(fā)生變異,且處理時間與變異頻率之間存在正相關(guān)[14- 15]。

母代效應(maternaleffect)是母代所經(jīng)歷的環(huán)境(光照、溫度和營養(yǎng)) 或所采取的行為(寄主選擇、性選擇、產(chǎn)卵行為和親代照料等) 對子代表現(xiàn)型(phenotype)差異的影響,它是母代對子代的非遺傳效應[16]。子代個體表現(xiàn)型不只是基因型與環(huán)境相互作用的結(jié)果,親代的經(jīng)歷對子代的表現(xiàn)型影響也很大。對昆蟲母代效應的研究,有助于更全面理解昆蟲生活史的進化方式,并可為昆蟲種群的有效管理提供理論基礎(chǔ)。目前已知,環(huán)境誘導的母代效應在70多種昆蟲中存在[17],親代的經(jīng)歷對子代的表型影響很大。Tachibana等[18]發(fā)現(xiàn)絲光綠蠅的親代在成蟲期經(jīng)歷的光周期(LD 12∶12)和溫度(20℃)對子代幼蟲期滯育有深度誘導作用。張歡等[19]發(fā)現(xiàn)多次脈沖微波輻照親代大鼠對其子代的影響具有累積效應,曹亞南等[20]發(fā)現(xiàn)極低頻電磁場對小鼠子代生長發(fā)育可產(chǎn)生不良的影響,張雅君等[21]研究發(fā)現(xiàn)紫外線可導致果蠅的后代產(chǎn)生畸變個體。目前有關(guān)紫外線對麥長管蚜的脅迫作用多限于考查對其親代或各發(fā)育階段蟲體的生物學效應,而有關(guān)親代效應對子代生長發(fā)育和繁殖的影響還沒有相關(guān)文獻報道。弄清UV-B長期脅迫親代麥長管蚜會如何影響子代的生長發(fā)育,有利于更加理解昆蟲生活史的進化及生化機制,為昆蟲種群的有效管理具有重大意義。因此本研究用不同強度UV-B長期處理麥長管蚜,通過分析麥長管蚜子代在不同世代的各項生命表參數(shù),探究其子代生態(tài)學參數(shù)的變化規(guī)律,以期明確親代經(jīng)歷不同代數(shù)的UV-B脅迫作用對其子代生長、發(fā)育與繁殖的影響,對UV-B輻射作用下生物的適應性及對后代的影響有更深層的了解,從而為逆境脅迫下蚜蟲的生態(tài)遺傳與進化機理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試蟲源

供試麥長管蚜為西北農(nóng)林科技大學昆蟲生態(tài)學實驗室經(jīng)多代飼養(yǎng)的單克隆種群,飼養(yǎng)條件：溫度為21℃；光周期為白天/夜晚=16 h/8 h；相對濕度為(60±5)%。

1.1.2 供試小麥品種

小麥品種為矮抗58,來源于西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院。

1.2 紫外輻射處理

試驗處理選用用普通日光燈管及紫外燈管(YZ10- 58W 313 nm,中國上海榮波有限公司) 作為光源,高強度輻射組(0.70 mW/cm2)采用3支同樣規(guī)格的紫外燈管及普通日光燈,低強度輻射組(0.50 mW/cm2)則采用2支紫外燈管和普通日光燈,對照組采用普通日光燈管作為光源,其中紫外燈管都均勻分布在普通燈管中間,普通日光燈管用濾光器UVILEXTM 390 Z(SCHOTT Inc,中國上海) 去除燈光中的紫外線,且對紫外燈使用Schott N-WG280濾光膜罩上使其所發(fā)光線中只有UV-B波段的光可以透過。試驗麥長管蚜置于培養(yǎng)皿中,培養(yǎng)皿置于燈管下方30 cm處,每代成蟲分別在低強度和高強度紫外光下輻照48 h(每天16 h),待紫外處理后,將培養(yǎng)皿轉(zhuǎn)移到普通日光燈對照組下進行飼養(yǎng)。

1.3 生命表研究

放置一層沾濕濾紙于培養(yǎng)皿(直徑60 mm,NEST 生物技術(shù)有限公司) 中,挑取新鮮小麥葉片于濾紙上,挑取不同強度UV-B輻射后的成蟲于葉片上,成蚜所產(chǎn)若蚜部分用作繼代觀察試驗材料繼續(xù)飼養(yǎng),待發(fā)育為成蟲后紫外處理48 h(每天16 h),部分用于子代生殖生命表研究,即挑取2代,7代,12代,16代若蚜(無UV-B輻射)進行生命表研究。1齡若蚜于小麥葉片上進行單頭飼養(yǎng),每個處理設(shè)定3個重復,每個重復20頭蚜蟲,每天定時記錄其蛻皮、生長及產(chǎn)仔情況,待麥蚜發(fā)育至成蟲產(chǎn)仔時,將每天所產(chǎn)仔蚜移出培養(yǎng)皿,定時更換新鮮的小麥葉片。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用特定年齡生命表方法來記錄麥長管蚜的蛻皮、生長及產(chǎn)仔情況,所得的原始記錄結(jié)果采用TWOSEX-MSChart[22]進行分析,將所得的生命表數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 20分別對紫外強度和世代進行單因素方差分析,各處理間的顯著性差異均設(shè)為P< 0.05水平,用Sigma Plot 12.5作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同輻射強度UV-B脅迫下麥長管蚜子代的存活繁殖曲線

在不同輻射強度的UV-B長期脅迫下,麥長管蚜種群特定年齡存活率(lx)、繁殖力(mx) 以及凈生殖力曲線(lxmx)如圖1所示,其中存活率數(shù)值由主坐標軸顯示,而繁殖力與凈生殖力數(shù)值由次坐標軸顯示。

同一強度UV-B輻射下,低強度處理組的麥長管蚜子代在不同世代之間,存活時間、產(chǎn)仔總時間、繁殖力和凈生殖力的高峰點均呈先上升后下降的趨勢；高強度處理組的存活時間呈先上升后下降又緩慢回升的趨勢,繁殖力和凈生殖力的高峰點均呈先上升后下降的趨勢。

不同強度UV-B輻射下,處理組麥長管蚜種群的子代除第七代外,其他代數(shù)中處理組的存活時間和產(chǎn)仔天數(shù)均比對照組短,且繁殖力和凈生殖力的高峰點較CK峰值點小。

由上可知,UV-B輻射親代麥長管蚜種群后,對其子代的存活與繁殖有顯著影響,對親本機體造成的損害可傳遞給子代,間接造成子代蚜蟲存活時間短,產(chǎn)卵量少,且不同強度UV-B脅迫不同代數(shù)麥長管蚜,對其各世代的子代影響不同。

圖1 UV-B不同輻射條件下麥長管蚜子代在不同世代特定年齡存活率、繁殖力以及凈生殖力曲線Fig.1 Age-specific survival rate (lx) ,age-specific fecundity (mx) ,and net maternity (lxmx) of Sitobion avenae under different intensity of UV-B radiation between the different generationsA: 0 mW/cm2 UV-B,G2; B:0.5 mW/cm2 UV-B,G2; C:0.7mW/cm2 UV-B,G2; D:0 mW/cm2 UV-B,G7; E:0.5 mW/cm2 UV-B,G7; F: 0.7 mW/cm2 UV-B,G7; G:0 mW/cm2 UV-B,G12; H: 0.5 mW/cm2 UV-B,G12; I: 0.7 mW/cm2 UV-B,G12; J: 0 mW/cm2 UV-B,G16; K:0.5 mW/cm2 UV-B,G16; L:0.7 mW/cm2 UV-B,G16

2.2 不同輻射強度UV-B脅迫下麥長管蚜子代繁殖參數(shù)的變化

由表1可知,在不同世代之間,同一UV-B輻射強度下,麥長管蚜子代種群的繁殖參數(shù)發(fā)生顯著變化。在低強度處理組的子代種群的繁殖力F,產(chǎn)卵天數(shù)從G2代到G7代顯著增加,而后逐漸降低,成蚜壽命呈先上升后下降又緩慢回升的變化趨勢,且G7代壽命最長,G12代壽命最短；在高強度處理組的不同世代,麥長管蚜種群的繁殖力F,產(chǎn)卵天數(shù)和成蚜壽命從G2代到G7代顯著增加,而后逐漸降低又緩慢回升,且均在G12代達到最小值。

在同一世代,不同UV-B輻射強度下,麥長管蚜種群子代在G2代,G12代和G16代,對照組與處理組之間各種群繁殖參數(shù)差異顯著；G7代對照組與處理組之間各種群繁殖參數(shù)差異不顯著。

由上可知,長期UV-B脅迫對親代麥長管蚜的影響可以傳遞到子代,且母代經(jīng)歷不同代數(shù)脅迫,各世代間母代效應的表現(xiàn)不同,G7代母代效應不顯著,G12代母代毒害效應表現(xiàn)最顯著。

表1 不同輻射強度UV-B脅迫后麥長管蚜子代的繁殖參數(shù)比較

表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤,n為3次重復。數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一UV-B輻射強度下,不同世代間的顯著性差異,不同大寫字母表示不同UV-B 輻射強度下,同一世代間的顯著性差異(Student-Newman-Keuls 檢驗,P< 0.05,one-way ANOVA)

2.3 不同強度UV-B脅迫下麥長管蚜子代種群參數(shù)的變化

由表2可知,同一UV-B輻射強度下,低強度處理組麥長管蚜子代在各世代之間,內(nèi)稟增長率r與周限增長率λ無顯著差異,凈增殖率R0呈先上升后下降趨勢,且在G7代達到最大值,平均世代周期T從G2代到G7代顯著增加,G7代到G12代顯著降低,后又顯著回升,且在G7代達到最大值,G12代達到最小值；高強度處理組各世代之間,內(nèi)稟增長率r與周限增長率λ呈先上升后下降的趨勢,凈增殖率R0與平均世代周期T呈先上升后下降又緩慢回升的趨勢,且在G7代達到最大值,G12代達到最小值。

不同UV-B輻射強度下,麥長管蚜子代種群在G2代和G16代,對照組與處理組之間內(nèi)稟增長率r,周限增長率λ和凈增殖率R0有顯著差異,平均世代周期T無顯著差異,G7代對照組與處理組間各生命表參數(shù)無顯著差異,G12代對照組與處理組間凈增殖率R0和平均世代周期T有顯著差異,且對照組顯著大于處理組。

由上可知,不同強度UV-B長期脅迫麥長管蚜后,G7代各種群參數(shù)表現(xiàn)為不受紫外脅迫作用的影響,母代效應在第七代無顯著表現(xiàn),G7代表現(xiàn)為解除UV-B輻射影響的關(guān)鍵世代。

表2 不同輻射強度UV-B脅迫后麥長管蚜子代種群參數(shù)的比較

3 結(jié)論與討論

紫外線照射對整個生物圈和生態(tài)環(huán)境造成了很大的選擇壓力,已成為一種能對生物造成脅迫的環(huán)境因子[23]。已有研究表明,UV-B 脅迫生物可產(chǎn)生活性氧和自由基進而破壞生物機體內(nèi)DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、生物膜以及電子傳遞鏈的結(jié)構(gòu)和功能[24-26]。蓋民昊等[27]發(fā)現(xiàn)在紫外誘導條件下,麥長管蚜細胞色素b基因會發(fā)生部分突變。本研究僅就UV-B長期脅迫麥長管蚜后其子代種群生態(tài)學相關(guān)指標進行了研究,控制不同紫外強度連續(xù)15代長期輻射麥長管蚜,通過特定年齡生命表中的存活率和繁殖力、繁殖參數(shù)、種群參數(shù)等相關(guān)參數(shù)的變化來評估UV-B輻射對麥長管蚜子代生長發(fā)育和繁殖的影響,進而探明紫外脅迫對麥長管蚜后代的影響及變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明,紫外線誘導麥長管蚜產(chǎn)生的生態(tài)學反應是可以傳遞的,這與都二霞等[28]的研究結(jié)果一致。此外,在本實驗長期UV-B輻射親代麥長管蚜過程中,母代效應在各世代表現(xiàn)不同,對處于不同世代的麥長管蚜子代各生命表參數(shù)產(chǎn)生不同影響,影響其生長、發(fā)育與繁殖。

在本實驗長期UV-B輻射親代麥長管蚜后,其G7代各生命表相關(guān)參數(shù)顯著高于其他世代,且與對照組相比無顯著差異,母代效應不顯著,這與麥長管蚜種群自身適應環(huán)境壓力的機制有關(guān),可能是因為母代的毒害效應使得麥長管蚜機體產(chǎn)生適應性反應,即毒物興奮效應。毒物興奮效應被認為是一種以雙相劑量-反應曲線為特征的適應性反應,公認的劑量反應曲線為U-型曲線[29-31],該效應的一個著名機制認為生物體受到刺激之后,機體平衡受到破壞,生物體最先表現(xiàn)出對刺激的抑制反應,然后會出現(xiàn)一個補償過程,這個補償過程會逐漸超過控制,形成過度表達,從而產(chǎn)生興奮效應[32]。本實驗中G2代相關(guān)生命表參數(shù)受到抑制,G7代的參數(shù)數(shù)值出現(xiàn)了上升,與對照無顯著差異,又因為紫外的毒害效應對于麥長管蚜的生長是不利因素,隨著紫外毒害效應的繼續(xù)傳遞,會抑制麥長管蚜種群的生長發(fā)育,從而G12代蚜蟲各生命表參數(shù)顯著下降。所以在本實驗中,G7代的母代毒害效應可能類似于毒物興奮效應,是補償過程中的一個階段。然而在G7代與G12代之間的其他世代是否會發(fā)生過度表達,產(chǎn)生高于對照的興奮效應,還需要設(shè)置更多的樣本量進一步研究。

此外,低強度處理組與高強度處理組的麥長管蚜種群子代在第二代和第十六代之間各生命參數(shù)均無顯著差異,母代效應表現(xiàn)相似,據(jù)此本研究推測親代麥長管蚜長時間暴露在UV-B環(huán)境下,其母代效應可能會出現(xiàn)周期性的循環(huán)現(xiàn)象。前期環(huán)境脅迫增強麥長管蚜的適應能力,隨著蚜蟲自身的調(diào)節(jié),親代麥長管蚜的毒害效應會逐漸減弱,但隨著脅迫代數(shù)的累加,UV-B的劑量累計超過了麥長管蚜的適應范圍,其毒害效應再次傳遞給子代,影響子代的生長發(fā)育,麥長管蚜需要再次啟動自身的防御體系,如機體內(nèi)一些保護酶活性的變化或脅迫相關(guān)基因表達量增加,以適應脅迫。這也是自然界UV-B不斷變化而蚜蟲能夠在脅迫條件下存活并保持種群穩(wěn)定的原因之一,這是基于本實驗的一種推測。關(guān)于紫外脅迫對麥長管蚜子代的影響會不會出現(xiàn)周期性循環(huán)規(guī)律,需要在實驗室研究基礎(chǔ)上進行更長期的多代研究,從進化的角度闡明母代效應的變化規(guī)律,而且這種親代效應規(guī)律是如何導致麥長管蚜遺傳進化的,有關(guān)UV-B脅迫的分子機理以及麥長管蚜相關(guān)基因的表達和生理代謝有待進一步深入研究,從而為闡述麥長管蚜的種群應對長期紫外脅迫的遺傳進化機制奠定基礎(chǔ)。

[1] 胡祖慶, 亢菊俠, 趙惠燕, 湯興春, 胡想順. 不同紫外(UV-B)輻射時間對兩種體色型麥長管蚜后代生物學特征的影響. 生態(tài)學報, 2010, 30(7): 1812- 1816.

[2] 杜軍利, 武德功, 張廷偉, 錢秀娟, 劉長仲. 不同紫外輻射時間對兩種色型豌豆蚜后代生物學特性的影響. 草地學報, 2012, 20(5): 961- 966.

[3] 袁偉寧, 呂寧, 孫小玲, 劉長仲. 連續(xù)UV-B脅迫對綠色型豌豆蚜生物學特性的影響. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2015, 23(8): 1020- 1025.

[4] Antignus Y, Nestel D, Cohen S, Lapidot M. Ultraviolet-deficient greenhouse environment affects whitefly attraction and flight-behavior. Environmental Entomology, 2001, 30(2): 394- 399.

[5] Veteli T O, Tegelberg R, Pusenius J, Sipura M, Julkunen-Tiitto R, Aphalo P J, Tahvanainen J. Interactions between willows and insect herbivores under enhanced ultraviolet-B radiation. Oecologia, 2003, 137(2): 312- 320.

[6] Strid A, Chow W S, Anderson J M. Effects of supplementary ultraviolet-B radiation on photosynthesis inPisumsativum. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics, 1990, 1020(3): 260- 268.

[7] McCloud E S, Berenbaum M R, Tuveson R W. Furanocoumarin content and phototoxicity of rough lemon (Citrusjambhiri) foliage exposed to enhanced ultraviolet-B (UVB) irradiation. Journal of Chemical Ecology, 1992, 18(7): 1125- 1137.

[8] 張文會, 張朋, 劉立科, 呂艷偉. 紫外線B輻射增強對大豆生長及光合作用相關(guān)指標的影響. 大豆科學, 2009, 28(2): 229- 233.

[9] 張靜, 王進, 田麗萍. 紫外線(UV-B)輻射增強對植物生長的研究進展. 中國農(nóng)學通報, 2009, 25(22): 104- 108.

[10] Kakani V G, Reddy K R, Zhao D, Sailaja K. Field crop responses to ultraviolet-B radiation: a review. Agricultural and Forest Meteorology, 2003, 120(1/4): 191- 218.

[11] Kuhlmann F, Müller C. Impacts of ultraviolet radiation on interactions between plants and herbivorous insects: a chemo-ecological perspective. Progress in Botany, 2011, 72: 305- 347.

[12] 張麗, 周冬, 楊杰, 朱國平, 趙惠燕, 胡祖慶, 胡想順. UV-B脅迫小麥上麥長管蚜的生命表參數(shù)和取食行為. 昆蟲學報, 2013, 56(6): 665- 670.

[13] 李軍, 趙惠燕, 趙學達. 不同強度紫外線對蚜蟲生態(tài)學特征及有關(guān)酶活性的影響. 西北農(nóng)林科技大學:自然科學版, 2005, 33(4): 61- 64.

[14] 姚建秀, 趙惠燕. 紫外條件誘導下麥長管蚜DNA的變異研究. 西北農(nóng)業(yè)學報, 2001, 10(1): 33- 36.

[15] 趙永田, 趙惠燕. 紫外線脅迫麥長管蚜DNA變異的AFLP分析. 生物技術(shù)通報, 2009, (10): 142- 145,155- 155.

[16] Mousseau T A, Fox C W. The adaptive significance of maternal effects. Trends in Ecology & Evolution, 1998, 13(10): 403- 407.

[17] Mousseau T A, Dingle H. Maternal effects in insect life histories. Annual Review of Entomology, 2003, 36(1): 511- 534.

[18] Tachibana S I, Numata H. Parental and direct effects of photoperiod and temperature on the induction of larval diapause in the blow flyLuciliasericata. Physiological Entomology, 2004, 29(1): 39- 44.

[19] 張歡, 唐宇, 張杰, 陳樹德, 喬登江, 王向暉. 脈沖微波對雄性大鼠生殖系統(tǒng)及其子代的影響. 強激光與粒子束, 2015, 27(7): 300- 306.

[20] 曹亞南, 張燕, 劉赟. 極低頻電磁場對小鼠雌性生殖和子代生長發(fā)育的影響. 中華勞動衛(wèi)生職業(yè)病雜志, 2006, 24(8):468- 470.

[21] 張雅君, 梁佳勇, 曾慕衡. 紫外線對雄果蠅壽命及子代生理的影響. 天津農(nóng)業(yè)科學, 2013, 19(7): 75- 78.

[22] Chi H. TWOSEX-MSChart: a computer program for the age-stage, two-sex life table analysis. (2013). http://140.120.197.173/ecology/.

[23] Schauen M, Hornig-Do H T, Schomberg S, Herrmann G, Wiesner R J. Mitochondrial electron transport chain activity is not involved in ultraviolet A (UVA) -induced cell death. Free Radical Biology and Medicine, 2007, 42(4): 499- 509.

[24] Yannarelli G G, Noriega G O, Batlle A, Tomaro M L. Heme oxygenase up-regulation in ultraviolet-B irradiated soybean plants involves reactive oxygen species. Planta, 2006, 224(5): 1154- 1162.

[25] Nguyen T T, Michaud D, Cloutier C. A proteomic analysis of the aphidMacrosiphumeuphorbiaeunder heat and radiation stress. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 2009, 39(1): 20- 30.

[26] 魏曉雪, 于景華, 李德文, 佟璐, 龐海河, 祖元剛. UV-B輻射增強對紅松幼苗針葉脂質(zhì)過氧化及抗氧化系統(tǒng)的影響. 林業(yè)科學, 2011, 47(5): 54- 59.

[27] 蓋民昊, 陳塹, 胡祖慶, 胡想順, 趙惠燕. 紫外誘導下麥長管蚜細胞色素b基因和SOD基因的克隆與序列分析. 西北農(nóng)林科技大學學報: 自然科學版, 2010, 38(11): 167- 172.

[28] 都二霞, 趙惠燕, 郭劍文. 紫外線誘導對桃蚜生態(tài)學及線粒體基因COI-II突變的影響. 西北農(nóng)林科技大學學報:自然科學版, 2007, 35(9): 123- 126,131- 131.

[29] Thayer K A, Melnick R, Burns K, Davis D, Huff J. Fundamental flaws of hormesis for public health decisions. Environmental Health Perspectives, 2005, 113(10): 1271- 1276.

[30] Stebbing A R. Hormesis---the stimulation of growth by low levels of inhibitors.Science of the Total Environment, 1982, 22(3): 213- 234.

[31] Calabrese E J,Baldwin L A. The frequency of u-shaped dose responses in the toxicological literature. Toxicological Sciences, 2001, 62(2): 330- 338.

[32] Calabrese E J, Baldwin L A. Hormesis: U-Shaped dose responses and their centrality in toxicology. Trends in Pharmacological Sciences, 2001, 22(6): 285- 291.