性比对草地贪夜蛾交配和繁殖能力的影响

韩海亮,包 斐,陈 斌,徐红星,王桂跃,吕仲贤,赵福成,*

(1.浙江省农业科学院 玉米与特色旱粮研究所,浙江 东阳 322100; 2.浙江省农业科学院 植物保护与微生物研究所,浙江 杭州 310021)

草地贪夜蛾Spodopterafrugiperda(Lepidoptera： Noctuidae)是2018年入侵我国的毁灭性农业害虫,可取食玉米、水稻、小麦和高粱等300多种寄主植物[1],在我国主要为害玉米,已扩散至华北、西北等玉米主产区[2]。化学防治是草地贪夜蛾应急防控的主要措施,在抑制害虫种群和保障粮食安全等方面发挥了重要作用。浙江省以鲜食玉米种植为主,是草地贪夜蛾北迁南回的过渡区。草地贪夜蛾在浙江田间的世代重叠现象十分严重,单季玉米需用药3～4次[3]。长时间高频次的化学防治势必导致草地贪夜蛾对常用杀虫剂产生抗药性[4],也会对鲜食玉米的品质造成严重影响。

性信息素诱杀作为一种重要的理化措施在害虫种群监测和精准防治中具有重要的应用价值[5],其原理是,通过大量诱杀雄蛾来调节田间雌雄性比,减少雌雄交配或延迟正常交配[6],从而抑制雌蛾的繁殖能力。研究表明,在田间大面积使用性诱剂诱杀,草地贪夜蛾的卵块量可降低38%～70%,相对虫口减退率为42%～86%[7],但对幼虫为害的长期防效仅40%[8]。草地贪夜蛾具有多次交配能力[9],单雌产卵量超过1 000粒[10],虫口基数巨大,且幼虫在田间存在强烈的转株为害习性,单头幼虫可为害多株玉米[11]。受上述诸多因素的影响,目前在田间单一使用性诱尚无法有效控制草地贪夜蛾为害。

使用性信息素诱杀雄蛾的直接影响是降低田间雄蛾的种群数量,并由此影响性比。对草地螟(Loxostegesticticalis)[12]、亚洲玉米螟(Ostriniafurnacalis)[13]、二化螟(Chilosuppressalis)[14]和二点委夜蛾(Athetislepigone)[15]等的研究表明,性比会影响雌雄成虫的交配率和多次交配比例,并最终影响雌蛾的繁殖能力。然而,目前关于草地贪夜蛾性诱的研究主要集中在诱芯成分[16]、载体[17]、诱芯和诱捕器配套[11,18-19]、监测防治[10,20]等方面,对性诱作用机理的研究较少。田间试验的难点在于无法确定一定区域内所有成虫的数量和性比。为此,本研究采取室内试验来验证不同性比对成虫交配和繁殖的影响,确定最有利于草地贪夜蛾繁殖的性比,明确性比失衡对草地贪夜蛾繁殖能力的影响,以期为性诱剂的合理高效应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试虫

试虫系购自河南省济源白云实业有限公司的标准化试虫,虫源采自云南德宏,由人工饲料饲养。将蛹在温度为(28±1)℃、光暗周期为16 h/8 h、相对湿度为(80±10)%的光照培养箱中分管单头羽化,羽化当天的成虫用于配对试验。

1.2 试验设计

试验共设置7个雌雄性比处理,分别为4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4。上述7个处理每个重复的成虫总数分别为5、4、3、2、3、4、5头。取当天羽化的成虫进行配对,记为0 d。将相应数量的成虫按比例配对后,放入700 mL透明打孔塑料杯中,内部垂直放入15 cm×8 cm的硫酸纸供产卵。在塑料杯顶盖中部打直径1 cm的圆孔,放入浸有10%蜂蜜水的脱脂棉球补充营养,每天更换棉球。培养箱的参数设置同1.1节。

1.2.1 不同性比对草地贪夜蛾交配次数的影响

按各处理设计将当天羽化成虫进行配对后放入培养箱中,每天检查成虫存活情况,发现卵块后将卵块移除,并放入新的产卵纸,卵块产在塑料杯上的更换塑料杯。于配对后的第6天将所有蛾处死。参照赵胜园等[21]和冯波等[22]的方法在70%乙醇溶液中解剖雌蛾腹部,计数受精囊中精包的数量。交配囊无精包的表明该雌蛾未交配,反之则表明该雌蛾已经交配,精包的数量即为此雌蛾的交配次数。某处理所有的精包数量之和除以雄蛾数量即为该处理下雄蛾的平均交配次数。T1～T7处理的重复数依次为32、30、36、38、36、40、30。

1.2.2 不同性比对草地贪夜蛾雌蛾繁殖能力的影响

按各处理设计将当天羽化成虫进行配对后放入培养箱中,每天检查记录成虫死亡和产卵情况,直至所有成虫死亡,统计每头成虫的寿命。产卵后,每天将新产卵块取出,并放入新的产卵纸,如卵块产在塑料杯上,更换塑料杯。取出的卵块放入用橡胶塞封口的指形管中并进行编号,记录每个编号对应的处理和产卵时间,然后将指形管放置在与成虫同样设置的培养箱中待卵块自然孵化。卵块孵化6 h后,将幼虫和未孵化卵进行冷冻,然后分散在分格的白纸上,分别计数孵化幼虫数和未孵化卵粒数。产卵数=孵化幼虫数+未孵化卵粒数,孵化率=孵化幼虫数/产卵数。单雌产卵量为1个重复中所有产卵数与雌蛾数量之比。产卵前期为配对至出现第1块卵块的天数,产卵历期为产下第1块卵块至最后一块卵的天数,平均产卵前期和平均产卵历期为所有重复的平均值。T1～T7处理的重复数依次为32、52、42、46、42、40、30。

1.3 数据分析

采用Excel 2019软件整理数据。采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA),对有显著(P<0.05)差异的,采用Tukey’s HSD法进行多重比较。对于孵化率、交配率等百分数数据,先进行反正弦平方根转换后再进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 性比对草地贪夜蛾成虫交配能力的影响

草地贪夜蛾雌蛾的生殖系统如图1所示。根据解剖的雌蛾交配囊和内含的精包数确定交配状态和交配次数。结果表明：当雌雄性比为4∶1时,草地贪夜蛾雌蛾的交配率最低,仅为32.81%(图2);当雌雄性比为3∶1和2∶1时,雌蛾的交配率显著上升至45.24%和52.94%;当雌雄性比不低于1∶1时,雌蛾的交配率上升至100%,显著(F=103.15,P<0.001)高于雌蛾数量较多的其他组别。上述结果说明,性比对雌蛾交配率有显著影响,增大雌雄性比可以显著降低雌蛾的交配率。

A,交配囊;B,卵巢管;C,未交配的交配囊;D,已交配的交配囊;E,精包。A, Bursa copulatrix; B, Ovariole; C, Unmated bursa copulatrix; D, Mated bursa copulatrix; E, Spermatophore.图1 草地贪夜蛾雌蛾的卵巢、交配囊和精包形态Fig.1 Morphology of ovary, bursa copulatrix and spermatophore of Spodoptera frugiperda female moth

柱上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicate significant difference at P<0.05.图2 性比(雌∶雄)对草地贪夜蛾雌蛾交配率的影响Fig.2 Effect of sex ratio (female∶male) on mating rate of Spodoptera frugiperda female moth

在羽化后的6 d内,单头雌蛾最多交配4次,单头雄蛾最多交配3次,多数已交配雌蛾的交配次数为1～2次。性比对雌蛾和雄蛾的交配次数有显著影响：单头雌蛾的平均交配次数随着雄蛾数量的增加(即雌雄性比的降低)而显著(F=35.15,P<0.001)增加,从4∶1时的0.39次增加到1∶1时的1.32次继而到1∶4时的2.31次(图3)。随着雌雄性比降低,单头雄蛾的平均交配次数显著(F=9.42,P<0.001)下降,从4∶1时的1.56次下降到1∶4时的0.50次。雌雄性比>1的3个处理均有超过50%的雌蛾未交配(图4),交配雌蛾的交配次数为1～2次,但交配2次的个体比例仅为4.44%～8.33%;雌雄性比为1的处理中,雌蛾的交配次数为1～3次,交配2次和3次的比例均为10.53%;雌雄性比<1的3个处理中,雌蛾的交配次数为1～4次,交配2次的比例最高,交配3次和4次的比例随着雌雄性比的增加而增加。

柱上无相同字母的表示相同性别下不同处理间差异显著(P<0.05)。图6同。Bars marked without the same letters indicate significant different within treatments for the same sex at P<0.05. The same as in Fig. 6.图3 性比(雌∶雄)对草地贪夜蛾雌蛾、雄蛾交配次数的影响Fig.3 Effect of sex ratio (female∶male) on mating times of female and male moth of Spodoptera frugiperda

图4 不同性比(雌∶雄)下草地贪夜蛾雌蛾交配次数的分布比例Fig.4 Distribution of mating times of Spodoptera frugiperda female moth under different sex ratio (female∶male)

2.2 性比对草地贪夜蛾雌蛾产卵前期和产卵历期的影响

不同性比对草地贪夜蛾产卵前期的影响显著(F=2.12,P=0.047)(图5),平均产卵前期为2.07～3.60 d。雌雄性比为1∶4的处理的产卵前期显著低于雌雄性比为2∶1和3∶1的处理。性比对产卵历期亦有显著(F=5.88,P<0.01)影响,雌雄性比越大,产卵历期越长。当雌雄性比为4∶1时,产卵历期为7.94 d;当雌雄性比为1∶1时,产卵历期为6.76 d;当雌雄性比为1∶4时,产卵历期仅为4.73 d。综上,雄蛾比例增大,会加速雌蛾的产卵。

柱上无相同字母的表示同一指标下各处理间差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicate significant difference at P<0.05 within treatments under the same index.图5 性比(雌∶雄)对草地贪夜蛾雌蛾产卵前期和产卵历期的影响Fig.5 Effect of sex ratio (female∶male) on pre-oviposition period and oviposition duration of Spodoptera frugiperda female moth

2.3 性比对成虫平均寿命的影响

在所有处理中,雌蛾寿命最长的可达17 d,最短的仅3 d;雄蛾寿命最长的有18 d,最短的仅2 d。性比对雌蛾(F=2.35,P=0.035)和雄蛾(F=3.64,P=0.002)的平均寿命均具有显著影响(图6),雌蛾和雄蛾的平均寿命均在雌雄性比为1∶1时最长,随着雌雄性比的增大或减小,雌蛾和雄蛾的平均寿命均有缩短趋势,且雄蛾寿命在雌雄性比为1∶1时显著长于其他处理。以上结果说明,雌雄性比过低和过高均会对雌蛾、雄蛾的寿命产生不利影响。

图6 性比(雌∶雄)对草地贪夜蛾成虫寿命的影响Fig.6 Effect of sex ratio (female∶male) on longevity of adult Spodoptera frugiperda

2.4 性比对草地贪夜蛾繁殖能力的影响

性比对单雌产卵量具有显著(F=10.32,P<0.000 1)影响(表1)。当雌雄性比>1时,单雌的平均产卵量较低,并以雌雄性比为4∶1时最低,仅为395.70粒。当雌雄性比不高于1后,单雌的平均产卵量均较高,且相互之间无显著差异。

表1 性比(雌∶雄)对草地贪夜蛾繁殖力的影响

性比对卵孵化率也具有显著(F=4.52,P<0.001)影响。当雌雄性比大于1时,随着雌雄性比降低,卵孵化率呈上升趋势。当雌雄性比为4∶1时,卵孵化率最低,仅为38.15%。当雌雄性比不高于1后,卵孵化率基本保持稳定。整体来看,当雌雄性比为1时,草地贪夜蛾的雌蛾具有最佳的繁殖能力。在其基础上减少雄蛾数量,雌蛾的产卵量和卵孵化率均显著下降;在其基础上增加雄蛾数量,对雌蛾产卵量和卵孵化率并无显著提升作用。

不同性比下草地贪夜蛾雌蛾的产卵量和幼虫孵化量均集中在羽化后7 d以内(图7),之后产卵量和孵化量均明显下降,但不同性比处理下的产量节律有较大差异。当雌雄性比为1∶4时,雌蛾产卵量和幼虫孵化量最高的为羽化后的第2天和第3天,合计占总产卵量与孵化量的58.42%和59.79%,第4天后即快速下降,第5天及以后的仅占总产卵量和孵化量的18.76%和17.57%。随着雄蛾比例的减少(即雌雄性比增大),雌蛾的产卵期相对拉长,但峰值相对降低,说明减少雄蛾数量可以降低后代的暴发程度,但会延长雌蛾的产卵时间,加剧田间的世代重叠。

图7 不同性比(雌：雄)下草地贪夜蛾雌蛾配对后天数对产卵量(A)和孵化量(B)的影响Fig.7 Effects of days after pairing on oviposition quantity (A) and hatching rate (B) of Spodoptera frugiperda female moth under different sex ratios (female∶male)

3 讨论

本研究发现,当草地贪夜蛾的雌雄性比为1∶1时,雌、雄蛾均具有最长寿命。在此基础上,降低雌雄性比会显著增加雌蛾的交配比例、交配次数和多次交配的比例。当雌雄性比为 1∶1时,单雌的平均产卵量和孵化率分别是雌雄性比为4∶1时的2.40和1.93倍,在此基础上增加雄虫比例对雌蛾的繁殖能力并无显著提高,说明雄蛾在草地贪夜蛾繁殖中起着关键作用。当雌雄性比不低于1时,对草地贪夜蛾的繁殖有利,在此基础上减少雄蛾数量可有效降低雌蛾的产卵数和孵化幼虫数。本试验结果与其他害虫上的相关研究结果基本一致,但也存在不同。例如：草地螟雄蛾的最大繁殖力约为雌蛾的2倍,当雄雌性比为1～2时,最有利于草地螟大发生种群的形成[12];雌雄性比为1∶5和1∶3时,二点委夜蛾的单雌产卵量显著高于雌雄性比为1∶1时,在此基础上若继续增加雌蛾数量,单雌产卵量显著下降,说明二点委夜蛾雄蛾的最大繁殖力是雌蛾的3倍以上[15];亚洲玉米螟群集交配产卵时,单雌产卵量随雄蛾比例的增大(在0.7～2.0区间)而显著增加[23]。

草地贪夜蛾是一种具有极强迁飞能力的昆虫。一般认为,较长的产卵前期对成虫的迁飞是有利的。这是因为,迁飞一般发生在交配产卵之前,较长的产卵前期可以使成虫有更多的机会补充营养或寻找更适宜的生境,以增强成虫的产卵能力或后代的存活数量[9-10]。本研究中,雌蛾的产卵前期均短于谢殿杰等[24]和鲁智慧等[25]的结果,可能与冯波等[22]提到的室内种群饲养代数有关。与自然种群相比,连续多代室内人为选择的实验室种群,其食物和生长环境均发生了很大的变化,更适于实验室人工饲养条件,其绝大部分成虫在羽化时卵巢就已发育成熟,从而缩短了产卵前期。在棉铃虫(Helicoverpaarmigera)[26]和草地螟[12]的研究中发现,增加雌蛾比例,成虫的产卵前期延长,这与本研究中性比对草地贪夜蛾产卵前期影响的结果一致,符合雌蛾比例升高导致产卵前期延长利于种群迁飞的理论。草地螟的产卵历期在雌雄性比为1∶1时最长,在1∶3和3∶1时均较短,棉铃虫在雌雄性比大于1时产卵历期有缩短趋势。在本研究中,减少雄蛾比例可以拉长雌蛾的产卵历期。这可能是因为,雌蛾比例的增加会使不同个体间的产卵节律出现分化,较多数量的雌蛾一起叠加导致整体产卵历期延长。

作者团队于2020年开展的一项基于自动虫情测报灯和高空测报灯的周年监测表明,灯下诱集草地贪夜蛾的雌雄性比为0.45∶1～0.43∶1(另文发表)。目前,关于草地贪夜蛾成虫趋光性的性别偏好尚未有报道。但据报道,甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)的成虫趋光性存在显著的雄性偏好,且该偏好并不是由田间自然性比引起的[27]。草地贪夜蛾与甜菜夜蛾同属夜蛾科灰翅夜蛾属,其趋光性可能与甜菜夜蛾类似,存在雄性偏好。假设其田间自然性比接近1∶1,若通过性诱剂诱杀来减少75%的子代幼虫数,按照本研究的结论,需要将田间的雌雄性比调整至4∶1,即75%的雄蛾需要在羽化后的1～2 d内在未交配状态下被诱杀。而在实际田间性诱诱杀的雄蛾中,67.84%～70.96%处于已交配状态[28]。由此看来,试图通过单一使用性诱剂诱杀雄蛾来达到完全控制草地贪夜蛾为害的目的是难以实现的。通过对雌蛾产卵节律的分析可以看出,可以孵化的有效卵集中在羽化后2～4 d产出,若使用性信息素干扰雌雄求偶,延缓或抑制成虫的交配,使雌蛾错过最佳交配期,可以有效降低子代幼虫数量。已有研究表明,延迟草地贪夜蛾的成虫交配可以降低交配成功率、产卵数量、卵孵化率和雌蛾产卵历期[29]。

一般认为,对于存在多次交配习性的害虫,由于1头雄蛾可以与多头雌蛾进行交配,因此通过性诱剂诱杀部分雄蛾的防治效果有限,可通过增加空间性信息素的浓度提高迷向作用,如加大性诱捕器设置密度或提高其剂量的方法,以达到诱捕和迷向雄虫的双重效果。研究表明,使用性信息素迷向可降低大多数鳞翅目害虫雌蛾的产卵量和卵孵化率[6,29]。例如：在早稻田二化螟[30]的迷向研究中,卵块量和枯鞘丛率均下降70%以上;用性诱剂迷向大面积防治梨小食心虫(Grapholitamolesta)[31]和甜菜夜蛾[32]时,迷向率可达100%。迷向的主要机理是延迟交配和降低交配率,从而显著影响害虫的繁殖[33-34]。但由于迷向需要的性诱剂剂量要远大于诱杀所需要的剂量,迫于成本压力,迷向型性诱剂在生产中的应用相对较少。本文研究结果提示,对于草地贪夜蛾,在采用性诱剂进行有效监测的同时,应加快性诱剂迷向在防治中的开发和应用。