（农业昆虫与害虫防治专业论文）东亚飞蝗卵的抗寒性研究.pdf

y 6 0 1 7 7 1 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研 究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要 贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本 人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质 本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：獭 导师签名：互勤蒸当 日期：2 。4 、石 东亚飞蝗卵的抗寒性研究 摘要 东亚飞蝗( l o c u s t a m i g r a t o r i a l ) 是世界性的大害虫，与其它昆虫一样，抗寒 性特征对飞蝗种群动态、扩散和分布具有重要影响。景晓红( 2 0 0 3 ) 和王宪辉( 2 0 0 4 ) 曾对飞蝗的抗寒性做过较为详细的研究，但仍有一些重要的问题没有解决。水分作 为一个重要的生态因子，尤其在全球气候变化的背景下，与东亚飞蝗的抗寒性有着 密切的关系。因此深入研究土壤水分对东亚飞蝗卵抗寒性的影响，阐明土壤中水分 与东亚飞蝗卵的发育、含水量、抗寒性之间的关系，并对不同地理种群东亚飞蝗的 小分子抗冻保护剂进行分析，具有重要意义。 东亚飞蝗卵在胚胎发育的不同阶段具有不同的抗寒能力。随着飞蝗卵的胚胎发 育，萁过冷却点逐渐升高：初产卵的过冷却点最低( 平均- 2 3 6 7 c ) ，中期次之，孵 化前的最高( 平均为- 1 2 9 5 c 。对不同胚胎发育阶段的含水量的分析表明：含水量 的变化趋势与过冷却点的变化趋势是一致的，且两者之间存在显著的相关性 ( y = o9 6 7 i n ( x ) - 2 36 4 r 2 = 09 3 1 4 p o 0 0 1 ) 。 不同含水量的壤对东亚飞蝗卵的含水量具有显著的影响，在7 2 3 的土壤 含水量范围内，飞蝗卵的含水量随着土壤含水量的增加而增加，相对含水量从 7 5 1 4 到7 9 ：6 5 。而飞蝗卵含水量的变化又影响其过冷却点，过冷却点随着卵的含 水量的增加而增加( v = 0 6 2 6 5 x 7 00 6 6r 2 = 0 3 2 3 7 n = 6 8 ) 。 不同含水量的东亚飞蝗卵的低温暴露试验表明，含水量越高其抗寒性越差，含 水量越低其抗寒性越强。在含水量分别为7 、1 1 、1 5 、1 9 和2 3 的土壤中培 育的飞蝗卵( 即不同含水量的飞蝗卵) ，在5 c 条件下的致死中时间分别为1 5 6 0 2 小时、1 3 21 0 小时、1 2 59 8 小时、1 1 1 4 9 小时和7 0 6 7 小时。该结果与飞蝗卵的含水 量对过冷却点的影响是相似的，即相对含水量低的飞蝗卵，具有较低的过冷却点， 因而抗寒性较。 在亚飞蝗卵在不同含水量的土壤中的低温试验表明，在低温处理开始后的较短 时间内( 2 4 ) 后，土 壤中的水分因结冰而失去了对蝗卵的缓冲作用，冰晶能够引起接种性结冰效应( 外 界的冰晶诱发虫体结冰) ，土壤含水量越高这种效应越强，因此，飞蝗卵的死亡率随 着土壤含水量的增高而上升。 东亚飞蝗卵在不同土壤质地中的低温死亡率试验表明，飞蝗卵在壤土中的存活 4 山东农业大学硕士学位论文 率高于在沙土中的存活率。分析认为这与土壤的水势有关。壤土的水势比沙子的低， 而低的土壤水势使周围形成冰晶的体积较小，从而降低了对生物体的危害。 土壤的含盐量对东亚飞蝗卵的发育和抗寒性都有影响。含盐量高于1 2 的土壤 不利于卵的发育，达到2 4 时东亚飞蝗卵便完全不能发育。在含盐量高的土壤中培 育的东亚飞蝗卵，其抗寒性显著高于在含盐量低的土壤中培育的蝗卵。分析认为： 可能是由于高含盐量土壤的渗透压较高，致使东亚飞蝗卵的含水量相对较低，且随 着土壤含盐量的增加，东亚飞蝗卵的含水量有降低的趋势，因而导致东亚飞蝗卵抗 寒性的差异。这与土壤含水量对东亚飞蝗卵抗寒性的影响类似。 低温驯化可显著提高东亚飞蝗卵在低温下的存活率，且变温驯化比恒温驯化的 效果更好。未进行低温驯化的飞蝗卵在一5 条件下的低温暴露致死中时间为4 2 7 5 小时；经过恒温5 驯化过的飞蝗卵，在相同低温条件下的低温暴露致死中时间为 1 2 8 2 9 小时；而经变温5 驯化过的飞蝗卵的低温暴露致死中时间为1 9 20 9 小时。 在常温下，热带种群和温带种群内小分子糖和多元醇的种类没有差异，这说明 两个种群在常温下的糖代谢途径是一致的。但是，除了海藻糖等少数糖类外，对于 其它大多数糖和多元醇，热带种群中的含量比温带神群的高，说明在正常温度下， 热带种群的新陈代谢率高于温带种群。新陈代谢率的不同在很大程度上反映了两者 对当地环境适应性的差异。低温暴露( 5 一5 ) 可以诱发蝗卵积累小分子糖类 和多元醇，但并不是所有的糖和多元醇都有较大数量的积累。随暴露温度、暴露时 间和地理种群的不同，糖和多元醇的种类和数量都有所差异。从总体来看，温带种 群中肌酵、甘露糖和山梨醇的积累最为明显，尤其是肌醇；热带种群中海藻糖和葡 萄耱的积累最为明显，尤其是海藻糖( 一5 时肌醇的积累也很明显) 。低温处理的时 间效应园糖和多元醇种类的不同而不同，总的趋势是随处理时间的延长，先升高后 降低。在温带种群中，海藻糖的含量随低温处理时间的延长而降低。在不同的处理 温度中，一5 的诱导效应更大。但是，飞蝗卵在低温暴露后积累的糖和多元醇的量 是相对较低的，并且和冷驯化效应并不严格地相关。因此，低温诱发的糖和多元醇 的积累可能仅是新陈代谢抑制的副产物。 关键词：东亚飞蝗，抗寒性，过冷却点，土壤含水量，冷驯化，小分子抗冻物质 东亚飞蝗卵的抗寒性研究 s t u d i e so rc o l dh a r d i n e s so f t h ee g g s o fm i g r a t o r yl o c u s tl o c u s t am i g r a t o r i al ( o t h o p t e r a ：a c r i d i d a e ) a b s t r a c t t h e m i g r a t o r yl o c u s tl o c u s t am i g r a t o r i ali s aw o r l d w i d e p e s to f a g n c n l t u s et h e c o l d h a g d i n e s ss t r o n g l yi n f l u e n c e st h ep o p u l a t i o nd y n a 幽，d i s p e r s a la n dd i s t r i b u t i o no ft h e l o c u s tt h e r ea r ei n t e n s i v es 恤d i e so nt h ec o l dh a r d i n e s so ft h el o c u s te g g sb yj i n g x i a o - h o n g ( 2 0 0 3 ) a n dw a n gx i e n - h u i ( 2 0 0 4 ) m o r e o v e r , s o m ep r o b l e m s a g en o ty e t t h o r o u g h l yu n d e r s t o o d w a t e ri s 0 1 1 0o ft h em a j o re c o l o g i c a lf a c t o r st h a ta f f e c tt h ec o l d h a r d i n e s so ft h ei o c u s t _ ，e s p e c i a l l yu n d e rt h ec t i m a t oc h a n g es c e n a r i o s t h e r e f o r e ，t h ea i m o f t h i ss t u d yi si n v e s t i g a t i n gt h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e n t h es o i lw a t e ra n dc o l dh a r d i n e s so f t h el o c u s te g g s ，w ea l s os t u d i e dt h ec l - y o p r o t e c t a n t so fd i f f o f e n tg e o g r a p h i cp o p u l a t i o n s ， t r y i n g t od i s c l o s et l l ef u n c t i o no f e r y o p r o t e c t a n t s t h ec a p a c i t yo fs u p e r c o o l i n go f t h el o c u s te g g s i n c r e a s e dw i t ht h ee g g sd e v e l o p m e n t 2 - d a y - o l de g g si n c u b a t e da t3 0 h a1 5 用t e rc o 艘t e n t s o i lw e r em 0 1 ec o l dh a r d yt h a n o t h e r s t a g e s t h ew a t e rc e n t o n to ft h el o c u s t e g g sa l s oi c r e a s c d w i t ht h e e g g s d e v e l o p m e n t t h e r ew a sas b - o n gc o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h es u p e r c o u l i n gp o i n ta n dt h e w a t e rc o n t e n t o = 0 9 6 7 i n ( x ) - 2 36 4 r 2 = o 9 3 1 4 p 0 0 0 1 ) t h es o i lw a t e rc o n t e n ti n f l u e n c e st h oe g g s w a t e rc o n t e n tt h e 阳 t e rc o t r e n to fl o c u s t e g g si n 凹e a s e aw i t ht h ei n 茁e 啦i n go fs o i lw a t e rc o n t e n t t h ew a t e rc o n t e b to ft h ee g g s i n c r e a s e df r o m7 51 4 t o7 96 5 w h e nt h es o i lw a t e rc o n t e n tr a n g ef r o m7 t o2 3 t h es o i lw a t e rc o n t e n ti n f l u e n c e st h e b o d yw a t e rb a l a n c e ，i n t u r ni n f l u e n c e st h e p h y s i o l o g yo fc o l dh a r d i n e s so ft h el o c u s t t h es u p e r c o o l i n gp o i n ti n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n g o f t h ee g g s w a t e rc o n t e n t 0 = o6 2 6 5 x 一7 0 、0 6 6 r 2 = o 3 2 3 7 n = 6 8 ) g e n e r a l l y , c o l dh a r d i n e s so fe g g sw a si n v e r s e l yr e l a t e dt ot h ee g g sw a t e rc o n t e n ta t l o w t e m p e r a t o r e t h em o a a t i t yo fe g g si n c r e a s e dw i t h i t sw a t e rc e m e n ti n o r e i n ga tl o w t e m p e r a t u r e t h et i m e sf o r5 0 m o r t a l i t yo fe g g sw i t i il o w e rw a t e rc o n t e n ta t - 5 ( r e a r e ai n7 g r o s sm a s sm o i s t u r es o i l ) w a s1 5 6 0 2 h l e t h a lf i m e s oo ft h eo t h e rt y p ee g g s ( r e a r e di n1 1 ，1 5 ，1 9 a n d2 3 g r o s sm a s sm o i s t u r es o i l ) w e r e1 3 2 1 0 h ，1 2 59 8 h ， 1 1 14 9 ha n d7 0 6 6 h ，r e s p o o u v e l y t h i sr e s u l tw a ss a m et ot h ei n f l u e n c eo fe g g s w a t e r c o n t e n to nt h es u p e r c o o l i n gc a p a c i t y 6 山东农业大学硕士学位沦文 t h em o r t a l i t yo fe g g sh a v i n gt h es a m ew a t e rc o n t e n tc h i l l e da tl o wt e m p e r a t u r ew i t k i n d i f f e r e n tm o i s t u r es o i lf o rv a r i o u st i m ew e r ec o m p l i c a t e dt h et r e n do fm o r t a l i t ye ft h e l o c u s te g g sc o u l db ed i v i d e di n t ot w op a r t sd u r i n gs h o r t - t i m ec h i l l i n g ( 2 4 h ) a t - 5 a n d - 1 0 。c m o r t a l i t yo fe g g sd e c r e a s e d 、v l t h t h e i n c r e a s i n go fs o i l m o i s t u r e ( r a n g e f r o m7 t o 2 3 g r o s sm a s sw a t e rc o n t e n t ) w h e r e a s ，d u r i n gl o n g t i m ec h i l l i n g ( ) 2 4 h ) a t 5 ca n d - i o c ，m o r t a l i t yo fe g g si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fs o i lm o i s t u r et h em o r t a l i t yo f e g g sw i t ht h es a m ew a t e rc o n t e n t i n7 ，1 1 ，1 5 ，1 9 a n d2 3 g r o s sm a s sw a t e r c o n t e n tc h i l l e da t - i o 4 cf o r6 hw a s6 0 0 0 ，4 93 8 ，3 5 0 0 ，2 93 8 a n d2 90 0 ， r e s p e c t i v e l yt h em o r t a l i t yd e c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s i n go fs o i lw a t e rc o n t e n t h o w e v e r , a f t e re x p o s e df o r7 2 h ，t h em o r t a l i t yw a s7 3 7 5 ，8 00 0 ，7 93 8 ，8 68 8 a n d9 1 8 8 ， r e s p e c t i v e l y t h em o r t a l i t yi n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s n l go f s o i lw a t e rc o n t e n t m o r t a l i t yw a ss t r o n g l yi n f l u e n c e db yt h es o i l sc o m p o s i t i o n ，t h el o c u s te g g s m o r t a l i t y w a s h i g h e ri nt h es a n dt h a nt h a ti nt h es o i l t h ew a t e rp o t e 镕t t i a lm a yb eap a r t i c u l a rr e a s o n ( t h ew a t e rp o t e n t i a lw a sl o w e ri ns o i lt h a nt h a ti ns a n d ) ，t h el o w e rw a t e rc o n t e n ti n c r e a s e s t h es u r v i v a lo fe g g sb y r e d u c i n gt h ev o l u m eo f i c e s o i ls a l tc o n t e n tc o u l di n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n ta n dc o l dh a r d i n e s so ft h el o c u s t i t r e s t r a i n e dt h el o c u s te g g s d e v e l o p m e n tw h e nt h es o i ls a l tc o n t e n to v e r r u n12 a n dt h e e g g sc o u l dn o td e v e l o p w h e nt h es o i ls a l tc o n t e n tr e a c h e d24 t h e e g g st h a tw e r er e a r e d i nt h eh i g h e rs a l tc o n t e n ts o i lh a d s t r o n g e rc o l dh a r d i n e s st h a nt h ee g g sr e a r e di nt h el o w e r s a l tc o n t e n ts o i lt h er e a s o nw a sl i k e l yt ob et h a tt h eh i g h e rs a l tc o n t e n ts o i lh a dt h e h i g h e ro s m o t i cp r e s s u r et h a nt h el o w e rs a l tc o n t e n ts o i lt h el o c u s te g g so b t a i nl e s sw a t e r f r o mt h eh i g ho s m o t i cp r e s s u r es o i l ，t h e r e f o r e ，t h ee g g s w a t e rc o n t e n ti nt h eh i g h e rs a l t c o n t e n ts o i lw a sl o w e rt h a nt h a ti nt h el o w e rs a l tc o n t e n ts o i ls ot h em o r t a l i t yo f t h e e g g s r e a r e di nt h eh i g h e rs a l tc o n t e n tl o w e rt h a nt h a ti nt h el o w e rs a l tc o n t e n ts o i l t h e r ei sn od i f f e r e n c eo nc o m p o u n d so fl o w m o l e c u l a rs u g a r sa n dp o l y o l sb e t w e e n t r o p i c a l a n d t e m p e r a t ep o p u l a t i o n a tn o r m a l t e m p e r a t u r e , w k i c hs u g g e s t sn o r m a l m e t a b o l i cp a t h w a yf o rc a r b o h y d r a t e si sa c c o r d a n ti nt w o p o p u l a t i o n sh o w e v e r , e x c l u d e t t e h a l o s e ，c o n t e n t so fo t h e rs u g a r sa n dp o l y o l si nt r o p i c a lp o p u l a t i o na l eh i g h e rt h a ni n t e m p e r a t ep o p u l a t i o n ，w h i c hs u g g e s t sm e t a b o l i cr a t eo ft r o p i c a lp o p u l a t i o ni sh i g h e rt h a n t h a to f t e m p e r a t e d i f f e r e n c eo fm e t a b o l i cr a t e m a yr e f l e c t sa d a p t a t i o n t ol o c a l 7 东亚飞蝗卵的抗寒性研究 e n v i r o n m e n to ft w op o p u l a t i o n s e x p o s u r e t ol o wt e m p e r a t u r e ( 5 。c - 5 。c ) c a r ti n d u c e a c c u m u l a t i o no fl o wm o l e c u l a rw e i g h ts u g a r sa n dp o l y o l si nl o c u s te g g s ，b u tn o ta l lo f s u g a r sa n dp o l y o l sa c c u m u l a t ea th i g hl e v e l s t h e r ea r ed i j 五e f e n c e so nc o m p o u n d sa n d c o n t e n t so fs u g a r sa n dp o l y o l sa m o n gv a r i o u sl o wt e m p e r a t u r e s ，d u r a t i o no fe x p o s m et o l o w t e m p e r a t u r ef o rt e m p e r a t ep o p u l a t i o n ，m y o - i n o s i t o l ，m o n n i t o la n ds o r b i t o la r eh i g h e r a f t e r e x p o s u r e t 。v a r i o u sl o wt e m p e r a t u r e s ，e s p e c i a l l y m y o - i n o s i t o l f o r t r o p i c a l p o p u l a t i o n , t r e h a l o s ea n dg l u c o s ea r ch i g h e r , e s p e c i a l l yt r e h a l o s e , b u tm y o - i n o s i t o li sa l s o h i g h e ra t 一5 0 c l o wm o l e c u l a rw e i g h ts u g a r sa n dp o l y o l sc o n c e n t r a t i o n si n c r e a s e ，t h e n d r o pw i t hd u r a t i o no fe x p o s u r e t 0l o w t e m p e r a t u r eb u t t r e h a l o s ea p p e a r sa c o n t r a r yt r e n d i n t e m p e r a t ep o p u l a t i o n t h e r ei s g r e a t e ri n d u c ee f f e c t sa t 一5 。ct h a n a to t h e rl o w t e m p e r a t u r e s ，e s p e c i a l l yf o rs u g a r sa n dp o l y o l st h a tc h a n g es i g n i f i c a n t l y n e v e r t h e l e s s ， t h ei n c r e a s e dc o n t e n t so fs u g a r sa n dp o l y o l sa f t e r e x p o s u r et ol o wt e m p e r a t u r e sa r e c o n s i d e r a t e l yl o w , a n dr e l a t e t oc o l da c c l i m a t i o ne f f e c t s s l i g h t l y t h e r e f o r e ，t h e a c c u m u l a t i o ni s l i k e l yt ob ear e s u l to fm e t a b o l i cs u p p r e s s i o no a u s o dd i r e c t l yb yl o w t e m p e r a t u r ee x p o s u r er a t h e rt h a n ac o m p o n e n t o fac o l dt o l e r a n c es t r a t e g y k e y w o r d s ：l o c u s t m i g r a t o r i al ，c o l dh a r d i n e s s ，s u p e r c o o l i n gp o i n ls o i lw a t e rc o n t e n t , c o l da c c l i m a t i o n ，c r y o p r o t o e t a n t s 8 山东农业大学硕士学位论文 1 引言 温度是一种经常和到处起作用的重要生态因子，没有一种生物能完全不受外界 温度的影响。温度直接影响有机体的温度，体温的高低又决定了动物新陈代谢的强 度和特点以及生长发育速度、繁殖、行为、数量和分布等，温度还问接影响气流、 降水等，从而影响动植物的生存条件。 昆虫是变温动物，遍布地球的每一个角落，包括极地和高原，经历着复杂的生 态环境变化，它们的生理功能，行为方式甚至进化途径无不受温度的控制和影响( l e e 1 9 9 1 ) 。除了热带和亚热带的部分地区外，昆虫每年或每日都会遭受低于其适温区的 低温的影响。自然界中，冬季低温造成的昆虫死亡往往是非常广泛的，成为影响昆 虫种群动态和数量波动的关键因素之一。昆虫抗寒能力的高低是种群存在和发展的 重要前提，决定着它们的生殖、扩散、分布及在下一季节的发生动态( m c d o n a l de ta l 2 0 0 0 ) 。因此，对昆虫抗寒性的生理和生化适应性机制的研究，已成为当今的热点。 昆虫对低温的反应主要有两种方式，即以滞育或休眠的静止方式生存，或以保 持活动的方式生存。昆虫处于滞育状态下比非滞育状态下能够忍受更低的温度，一 些越冬昆虫能够在接近自然界最低温的一7 0 条件f 存活。l e e ( 1 9 9 1 ) 把耐寒性定 义为有机体暴露于长期或短期低温下的存活能力。很多园子能够影响到这种能力， 包括虫体的发育阶段、遗传潜力、季节、低温暴露时间的长短、虫体的营养状态等 等。此概念强调了有机体对环境的适应性，即它对恶劣的气候条件是否在生理和生 化上做好了准备，或具备了这种准备的能力；同时也强调环境条件对它的影响。如 果从该角度研究引起昆虫生理上发生变化的环境条件，便可获得定向改变这些条件 和引起昆虫发生定向变异的可能性，即利用益虫和控制害虫的可能性。 1 1 昆虫的过冷却点与抗寒策略 1 1 1 昆虫的过冷却点及其生态学意义 昆虫的过冷却现象是指体液温度下降到冰点以下而不结冰的现象，但在致冷因 素持续的作用下，降至某温度时，体液中冰核自发形成，过冷却状态迅速瓦解发生 冻结，该温度即为过冷却点( s u p e r c o o l i n gp o i n t ，s c p ) ( l 1 9 8 9 ) ( 图1 - 1 ) ，过冷却是 一种物理的亚稳定状态。昆虫的过冷却特性不仅与其体内的物理化学性质有关，包 括表面张力、摩尔质量、密度、摩尔潜热等( 张秋实等1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) ，同时还与昆 虫的地理分布、体内的含水量、季节、发育阶段、取食状态、内源冰核物质和低温 q 东亚t 蝗卵的抗寒性研究 保护物质有关( s o m m e1 9 8 2 ，l e e1 9 9 1 ) ，如在虫体内的一些低分子量的多元醇、糖、 氨基酸以及抗冻蛋白等热滞因子，可以稳定和调节过冷却状态，从而减少结冰的可 能性( z a c h a r i a s s e n1 9 9 1 ) 。 在温带和寒带地区，冬季温度通常低于冰点，昆虫可以通过体液过冷却的方式 来避免结冰造成的危害。因此估计某种昆虫的过冷却能力和耐寒性，通常是通过在 室内测定虫体的过冷却点来评价。然而在许多昆虫耐寒性的研究中发现，过冷却点 高低与昆虫在低温下的存活率并不具有直接的生态相关性( b a l e1 9 9 3 ，n e d v e d 2 0 0 0 ) 。因为自然界中的昆虫处于各种生物的和物理的因子之中，这些因子能够提高 或降低虫体的过冷却能力( b a l e1 9 8 7 ) 。l e a t h e r ( 1 9 9 3 ) 报道，一种昆虫的过冷却点 与其栖息场所的冬季最低温度有关。但b i r d 和h o d k i n s o n ( 1 9 9 9 ) 发现英国的一种 步甲和挪威的另一种甲虫并没有因为它们所处环境的强烈反差而产生过冷却点的适 应性差异。不少研究人员还发现，某些昆虫的过冷却点与它们在低温下的存活率吻 合性很高，可以作为一个耐寒性的( 一个) 指标( n e d v e de ta 1 1 9 9 5 ，l e ea n d d e n l i n g e r 1 9 8 5 ) 。而在另一些研究中，如一种处于休眠状态的瓢虫，其过冷却点就不能作为其 抗寒性的指标。在甘蓝根蝇的研究中发现，冬眠、夏眠及正常活动时的过冷却点完 全一致，低温下的存活率却表现出显著的季节性差异( k o s t a l1 9 9 3 ) 。因此，昆虫的 过冷却点是一个存在争议的问题，对它在昆虫耐寒性中的作用及生态学意义仍需进 一步阐明( 景晓红，2 0 0 4 ) 。 1 1 2 昆虫的抗寒对策 基于早期对过冷却点相对有限的认识，人们把昆虫耐寒性对策分为两类 ( z a c h a r i a s s e n1 9 8 5 ) ，一类是不耐结冰的( f r e e z i n gi n t o l e r a n t ) ，这类昆虫对体液中的 冰晶形成的损伤特别敏感，但它能尽量降低自身的过冷却点，从而避免体液结冰。 过冷却点常被认为是这类昆虫能够存活的下限。绝大多数的昆虫属于这一类型 ( s 。m m e1 9 8 2 ，m i l l e r1 9 8 2 ) 。另一类是耐受结冰的( f r e e z e t o l e r a n t ) ，这类昆虫能够 忍受细胞外体液的部分结冰，不造成死亡，但通常有较差的过冷却能力。当暴露于 低温时，主动形成冰核，促进细胞外液在较高的亚致死温度下结冰，从而阻止细胞 内液的进一步结冰，避免其造成更大的损伤( 图1 2 ) 。目前人们对昆虫上述两种耐寒 性的机理已比较清楚( 图l - 3 ) 。但在以后更多文献中对这种耐寒性分类系统提出质 疑，矛盾的焦点是过冷却点以上的亚致死温度就可导致不耐结冰昆虫的大量死亡， 过冷却点并不总是与耐寒性相关( b a l e1 9 8 7 ；1 9 9 1 ；1 9 9 3 ) ，因此过冷却点不能作为评 1 0 山东农业大学硕士学位论文 价一个种耐寒性的可靠指标。针对这种耐寒性对策的划分方法，b a l e ( t 9 9 6 ) 提出 图卜1 不同温度下昆虫体液状态图解 图卜2 耐结冰昆虫体内冰核调节 ( l e e & d e n l i n g e r1 9 9 1 ) 原理( b a l e1 9 9 6 ) “如果昆虫在低温下既可以通过避免结冰，也可以通过抵抗结冰来存活的话，那么 在什么样的环境下它们死亡呢? ”他根据昆虫死亡出现的时间将耐寒性分为五类： 耐结冰的( f r e e z e t o l e r a n c e ) 。避免结冰的( f r e e z e a v o i d a n c e ) ，它的特点是有 很强的超冷却能力，从而避免结冰；能够在超冷状态存活很长时间；在过冷却点以 上的死亡率很少或可以忽略；过冷却点是一个可依赖的耐寒性指标。耐受寒冷的 ( c h i l lt o l e r a n c e ) ，它的特点是能降低过冷却点从而避免结冰：能在超冷状态存活3 - 6 个月：随着在过冷却点以上的零下温度的暴露时间加长，其死亡率增加；过冷却点 不能作为其耐寒性的指标。寒冷敏感的( c h i l ls u s c e p t i b l e ) ，它的特点是昆虫可能 有强的过冷却能力；在0 c 5 c 范围内能够存活：而在5 。c 1 54 c 温度范围内短 时间的冷暴露就会增加其死亡率：耐寒性和越冬死亡率与过冷却点无关。机会主 义的( o p p o r t u n i s t i cs u r v i v a l ) ，特点是昆虫在正常发育起点温度以下就不能存活；耐 寒性及冬季的死亡率与过冷却点无关：在低温下的存活取决于它们是否有机会利用 较合适的栖息场所，即在较冷地区的存活是靠机会性的行为反应。这样所有昆虫的 耐寒性对策都可以根据定义和生态相关标准归入一个明确的范畴。 就能量的支出和收益而言，耐结冰的和不耐结冰的对策有很大的不同( b l o c k 1 9 9 1 ，j o a n i s s e s t o r e y1 9 9 6 ) ，对于不耐结冰昆虫，在低温下维持过冷却状态比平常 东亚飞蝗卵的抗寒性研究 耐结冰犁 山 l 细胞外间质产生冰核物质，在一5 到一1 0 的条件下开始结冰 不耐结冰犁 士 l 移除细胞内的冰核物质或减弱其活 性 二二亟亘二 + 图卜3 昆虫两种主要的耐寒性策略机理 状态下更加耗费能量，而耐结冰的昆虫则要忍受冰晶造成的损伤、缺氧、有害物质 的积累等，也需要付出很大的能量代价( v o i t u r o ne t a l 2 0 0 2 ) 。在另外一些昆虫中， 它们可同时运用两种策略，必要时在这两种策略间进行转换( r i n g t e s a i1 9 8 0 c o s t a n z oe t a l1 9 9 5 ) 。如印第安那州的小蠹虫( d e n d t o i d e s c a n a d e n s i s ) 耐寒性策略 可从1 9 8 0 年冬季的耐受结冰的转换为1 9 8 1 年冬季的不耐结冰的类型( h o r w a t h & d u m a n1 9 8 4 ) ；扁甲( c u c u j u sc l a m p e s ) 从1 9 7 9 年到1 9 8 3 年完成策略间的转换( k u k a l d u m a n1 9 8 8 ) 。昆虫的耐寒性策略在几年内可以从耐结冰的转换为不耐结冰的， 而b a l e ( 2 0 0 2 ) 的试验证明，这种变化可以通过一次或多次的室内诱导在一天内完 成。 1 2 山东农业大学硕士学位论文 1 2 昆虫对过冷却点及结冰的调节 无论是耐结冰型的昆虫还是不耐结冰型的昆虫，对过冷却点的调节作用是非常 重要的。在冬季，不耐结冰型的昆虫通过降低过冷却点来降低结冰的几率；而耐结 冰型的昆虫却通过降低过冷却能力( 如提高过冷却点) ，使细胞外的血、琳巴在相对较 高的零度低温下结冰，来保护细胞内免受结冰的危害。人们已鉴定出，多种参与过 冷却点调节的物质，如结晶蛋白、脂蛋白、抗冻蛋白、冰核细菌、接种性结冰和小 分子抗冻物质( 包括甘油、肌醇等多元醇) 等。这些因子在提高或降低过冷却点的 过程中起着重要的作用。 1 2 1 冰核蛋白和脂蛋白 多种耐结冰型的昆虫能合成冰核蛋白和脂蛋白并且排放到细胞间液中，这些蛋 白可以催化昆虫细胞外的淋巴液在相对较高低温下( 如8 一1 0 。c ) 形成冰晶， 而细胞内却不结冰，以延缓细胞的脱水，降低了由于渗透压的剧烈变化而引起的伤 害( d u m a na n dh o r w a t h1 9 8 3 ) 。另一方面，由于细胞的脱水，增加了胞液的溶质浓 度，进而提高了其过冷却能力，降低了细胞受结冰的伤害。b a u s t 等( 1 9 7 9 ) 认为由 冰核蛋白引起的结冰可以有效地保存能量，从而提高昆虫的越冬存活率，因为在结 冰状态比在过冷却状态有更少的能量要求。对处于冬季温度经常变化的环境中的昆 虫来说，冰核蛋白的存在还可以避免结冰融化反复过程的伤害。 1 2 2 抗冻蛋白 抗冻蛋i 刍( a n t i f r e e z ep r o t e i n s ) 是一些植物、寒带鱼类和在极地或温带生活的昆 虫及蜘蛛等在秋、冬季体内产生的一类能提高其抗冻能力的多肽。产生抗冻蛋白是 许多昆虫的重要的越冬策略( z a c h a r i a s s e n h u s b y1 9 8 2 ，d u m a ne ta l1 9 9 3 ) 。一般认 为，抗冻蛋白在脂肪体中合成，后释放到血淋巴中，通过氢键与冰晶连接，阻止冰晶 的进一步增长，从而降低体液的结冰点，增大熔点与冰点之间的差异。在昆虫的肠 液和细胞内液中都有抗冻蛋白的存在，它们不是作为溶质，增加血淋巴的渗透压而 使冰点下降，而是吸附于冰晶表面阻止其进一步增长，从而降低冰点，即所谓的吸 附抑制理论。 低温下昆虫体内产生的抗冻蛋白能长时间地维持亚稳态的过冷却状态，这是不 耐结冰的昆虫的重要适应机制( z a c h a f i a s s e n1 9 8 5 ) 。同时也能阻止越冬场所的冰通过 昆虫的表皮进入体液中，其作用远远大于仅通过热滞活性而导致冰点下降3 69 c 东亚飞蝗卵的抗寒性研究 f o l s e ta l1 9 9 8 ，g e h r k e n 既a l1 9 9 2 ) 。另外，抗冻蛋白不仅能提高血淋巴的过冷却 能力，还可通过抑制冰核剂在肠液中的出现而提高肠液的过冷却能力。细胞内产生 的抗冻蛋白在维持冷暴露的昆虫体内的离子梯度中也有重要的功能( o l s e n d u m a n 1 9 9 7 ) 。 1 2 。3 冰核活性细菌 很多研究发现昆虫体内存在着可以调节过冷却点的冰核细菌( s o m m e1 9 8 2 ， c a n n o na n db l o c k1 9 8 8 ) 。s t r o n g g u n d e r s o n 等( 1 9 8 9 ) 首次证明冰核细菌对调节虫 体的过冷却点起着重要的作用。试验表明一种瓢虫( h i p p o d a r n i ac o n v e r g e n s ) 在取 食了两种已知冰核细菌( p s e u d o m o n a ss y r i n g a e 和e r i v m i a h e r b i c o l a ) 后，其过冷却点 从原来的一1 6 一t - 升到一3 5 左右。如果耐结冰型的昆虫体内或体表含