文章信息
- 范立鹏, 黄范全, 王鸿斌, 李国宏, 孔祥波, 张苏芳, 张真
- Fan Lipeng, Huang Fanquan, Wang Hongbin, Li Guohong, Kong Xiangbo, Zhang Sufang, Zhang Zhen
- 杨小舟蛾(鳞翅目: 舟蛾科)的生殖行为
- Reproductive Behavior of Micromelalopha sieversi (Lepidoptera: Notodontidae)
- 林业科学, 2015, 51(8): 60-66
- Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(8): 60-66.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150808
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文章历史
- 收稿日期:2014-02-12
- 修回日期:2014-08-12
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作者相关文章
2. 湖南省沅江市林业局 沅江 413100
2. Forestry Bureau of Yuanjiang City, Hunan Province Yuanjiang 413100
杨小舟蛾[Micromelalopha sieversi(Staudinger)]属鳞翅目(Lepidoptera)舟蛾科(Notodontidae),原名为Micromelalopha troglodyta(Graeser)(武春生等,2003),是我国杨树人工林近年来危害最为严重的食叶害虫之一。目前对该虫的防治方法主要有生物农药和天敌昆虫2类,如汤方等(2009)、郭同斌等(2010)分别利用植物源杀虫剂(槲皮素)和天敌昆虫[白蛾黑基啮小蜂(Tetrastichus nigricoxae)]防治该虫;然而由于生物农药见效慢,天敌昆虫的饲养和投放技术要求高,因此在生产上仍缺乏监测和防治杨小舟蛾的无公害技术和方法。
生殖行为是生物界最普遍的行为,对生物种群繁衍起着重要作用(Cardé et al., 1975;况荣平等,1994; 刘翊鹏等,1998)。昆虫的生殖行为始于交配前两性间的信息联系,即固有的求偶行为,求偶行为是雄性吸引雌性或雌性吸引雄性的一种定向行为,可向异性传递信息,激发对方的性欲望,使异性的神经系统和内分泌腺处于积极状态,进而使两性的性器官发育和性行为发展同步,为两性交配做好准备(McLaughlin et al., 1994; Wu et al., 2013)。昆虫求偶行为的形式是多种多样的,常常涉及一些奇特的动作、发出复杂的声音等(长有德等,2002),同时求偶、交配行为具有明显的种特异性,通常呈现出一定的节律性。这种生殖行为特性不仅由其内在的生理因素决定,而且也受到种内个体间相互作用的影响(Jadwiga et al., 1991; McNeil,1991; Simmons,2001)。
应用昆虫性信息素监测虫情和诱捕害虫,具有灵敏度高、无毒、不杀伤天敌等特点,在世界各国已得到普遍认可。在准确的时间提取性信息素以供分析是昆虫性信息素研究的前提,昆虫如何通过性信息素建立生殖期内的两性通信也是性信息素研究的重要内容。为了探索利用性信息素监测和防治杨小舟蛾的方法,本试验对杨小舟蛾羽化、求偶交配行为及交配过程中精子的转移动态进行研究,阐述该虫的生殖行为和性信息素生物学特性,为利用性信息素对该虫种群监测和无公害防治提供参考。
1 材料与方法 1.1 杨小舟蛾蛹的采集及羽化杨小舟蛾蛹于2013年7—9月采自江苏省徐州市丰县费楼镇试验林场,林分类型为5年生107杨(Populus×euramericana ‘Neva’)纯林,轻度受害(全年未防治)。蛹的采集方式为第3代老熟幼虫自然下树化蛹后收集。
在实验室内将杨小舟蛾蛹用无菌水洗净,晾干后装入40 mL指形瓶,每瓶1头,再将指形瓶移至人工气候箱(日立NK system* Biotron NC Type)进行羽化。羽化条件: L/D=14 h/10 h,光期温度(26±1)℃,湿度50%±10%;暗期温度(20±1)℃,湿度70%±10%。每小时统计羽化的成虫数量,羽化完成后24 h内的成虫作为1日龄成虫。
1.2 求偶、交配行为观察在20 cm×20 cm×30 cm养虫笼内放置1日龄杨小舟蛾雌、雄成虫各10头,每隔15 min观察其活动情况,记录求偶、交配虫数及时长(交配时用φ为10 cm的培养皿将其罩住,交配结束后立即将该对成虫取出)。试验时将养虫笼置于林间,在自然光周期和温湿度条件下进行观察,重复5次,连续观察5天。夜间借助红光手电筒辅助照明(前期试验发现手电筒红光不会使杨小舟蛾的求偶、交配行为中断);求偶行为的判别参考麦蛾(Sitotroga cerealella)的求偶行为与区分等级方法(周祖琳,1994)。
1.3 雌蛾与雄蛾求偶行为之间的关系 1.3.1 隔离处理对杨小舟蛾求偶行为的影响选择3个独立的房间,其中1个房间放置2个养虫笼,分别放有10头1日龄雌蛾和雄蛾,另外2个房间各放置10头1日龄雄蛾和10头1日龄雌蛾。试验条件: 自然光周期,相对湿度60%,温度26 ℃。重复5次,记录各处理求偶虫数及求偶时长。
1.3.2 雌蛾性信息素释放及对雄蛾求偶行为的影响将5头1日龄未交配雌蛾置于洁净的带有进出气口的500 mL磨砂口三角瓶中,Parafilm封口膜封口; 分别于雌蛾未求偶、爬行飞舞性腺未外伸、振翅性腺外伸3个阶段利用QC-1大气采样仪将瓶内气体充入到1 L规格的Kynar PVDF气体采样袋中(图 1),空气流量计控制气体流速为100 mL·min-1,采样时间为10 min。
测试时将 5头1日龄未交配雄蛾置于三角瓶中,待其处于静伏状态时,将气体采样袋内气体通过大气采样仪连接特氟龙管注入到瓶中,洁净空气作为对照,分别于光期和暗期(19: 00—次日5: 00为暗期)各重复8次,气体流速为60 mL·min-1,统计15 min内雄蛾求偶虫数,求偶标准同1.2节。
1.4 雄蛾体内真核精子束数量统计分别选取未交配及交配进行10,20,30,45,60 min的1~5日龄雄蛾,用乙醚麻醉、Blu-Tack固定,静电刷清除腹部表面鳞片后解剖,将分离出的贮精囊和复射精管放入5 %生理盐水中,保持湿润并剥离残余脂肪组织。
真核精子束数量采用Feulgen染色涂片法进行统计。 将贮精囊、复射精管置于带有刻度的载玻片上,挑开外膜使其内含物均匀涂于载玻片上,室温下静置5 min后再将涂片放入Carnaoy固定液中15 min,蒸馏水冲洗3次后转移到装有1 mol·L-1 HCI溶液的烧杯中水浴加热至60 ℃,保持5 min取出,待其冷却后用蒸馏水漂洗3次; Schiff试剂染色1 h后移入0.5 mmol·L-1 H2SO3溶液中清洗5 min,蒸馏水漂洗3次; 放入l %亮绿溶液中5 s; 用乙醇溶液由低到高逐级脱水; 用二甲苯透明、树胶封片后在显微镜下统计真核精子束数量。
1.5 统计方法交配时长:交配开始至结束的时间间隔。交配率:交配对数/总对数×100%。杨小舟蛾羽化日节律、求偶、交配行为及平均时长采用SPSS 18.0软件进行统计,采用one-way ANONA/LSD方法进行多重比较分析。
2 结果与分析 2.1 杨小舟蛾蛹的日羽化节律对4 020头杨小舟蛾蛹的羽化情况进行统计,其中雌蛹2 074头,雄蛹1 946头,雌雄比为 1.06:1。杨小舟蛾蛹表现为“驼峰”形日羽化节律,雌蛹日羽化最高峰出现在18:00,次高峰出现在5:00; 雄蛹日羽化最高峰比雌蛹提前出现1 h,次高峰比雌蛹推迟出现1 h; 雌蛹羽化最高峰羽化虫数是其次高峰的1.69倍(图 2)。
杨小舟蛾求偶过程存在2种情形。通常在进入暗期15~30 min后,雌蛾由静止状态开始爬动,接着振翅飞舞,此时雄蛾相应开始爬行或飞舞,雌、雄蛾均没有表现出明显的目标性。经过一段时间无序飞行后,雌雄蛾渐渐停下来,各自静伏在笼壁上,雌蛾双翅呈“八”字形张开并微微抖动,腹部末端产卵器外伸,露出基部黄褐色褶皱状性腺表皮,性腺表皮外翻膨胀,形成半透明、半球状突起,产卵器上下轻轻摆动;雄蛾则转动触角,变得比开始更加兴奋,有时1头或者几头雄蛾会围绕某一雌蛾飞舞、爬行;被干扰后雌蛾有时会再次起飞躲避,不过停下后仍旧保持先前的典型求偶姿态,直至开始交配。大部分试验中为此种求偶、交配方式。还有另一种相对简单的求偶、交配方式,即在开始阶段的飞舞过程中,某些雄、雌蛾之间看似形成某种联系,接着其中某一方停靠在养虫笼壁上,另一方也停止飞行靠过来,通过爬行,调整2个虫体处于一条直线,雌蛾伸出产卵器,雄蛾抱握器具张开,伸出阳具与产卵器结合开始交配。在这种求偶、交配方式下,雌、雄双方在调整好身体的预交配姿态前,雌蛾的产卵器及性腺未伸出。此种方式仅发生在活性较强的1日龄处理中。
对50对杨小舟蛾成虫的求偶、交配行为观察发现,杨小舟蛾羽化后当日便出现求偶、交配行为,并且在试验进行的5天内均会出现。
杨小舟蛾求偶每日存在2个高峰,分别是4:00和21:00,其中19:00—21:00为日求偶最高峰时段; 光期不存在求偶现象(图 3)。
本试验共有26对成虫完成交配行为,占总处理虫数的52%。 杨小舟蛾雌(雄)蛾各日龄处理平均求偶率和平均交配率均无显著差异,平均求偶时长和平均交配时长随日龄增加显著缩短(P<0.05)(表 1)。
放置于同一房间的杨小舟蛾雌、雄成虫均可发生典型求偶行为,求偶率无显著差异(P<0.05,下同),但求偶行为持续时间差异显著;隔离处理的雌蛾相比非隔离处理的求偶率和求偶时长差异均不显著,隔离处理的雄蛾相比非隔离处理的求偶率和求偶时长差异显著(图 4)。
雄蛾对不同状态雌蛾所散发气体 的反应存在差异(图 5)。雌蛾未求偶或爬行飞舞、性腺未伸出时采集的气体样品,在光期和暗期均不能引起雄蛾的求偶反应; 雌蛾性腺外伸情况下采集的气体样品,无论在光期还是暗期均可以使得雄蛾产生典型的求偶行为,但暗期处理平均求偶虫数显著高于光期处理(P<0.05)。
通过解剖不同日龄雄蛾并统计其贮精囊和复射精管内真核精子束数量发现(图 6): 未交配雄蛾的精子束数量随日龄增加逐渐增大,1~3日龄间存在显著差异(P<0.05,下同),至第3日达到数量稳定,3~5日龄无显著差异; 雄蛾交配开始后其精子束并不会立即转移至雌蛾体内,5个不同日龄处理间雄蛾的射精时间随日龄增加而逐渐缩短,存在显著差异,但转移精液中真核精子束数量无显著差异,每次射精平均转移真核精子束数量为(342.60±22.24)束。
鳞翅目昆虫的性成熟存在长短不同的发育期,小地老虎(Agrotis ypsilon)(向玉勇等,2008)需要1天,二化螟(Chilo suppressalis)(焦晓国等,2006)需要2天,待性成熟后才可发生求偶、交配行为,已报道的其他舟蛾科昆虫,如松异舟蛾(Thaumetopoea pityocampa)(Zhang et al., 1998)、杨扇舟蛾(Clostera anachoreta)(刘满光等,2009),羽化当日便已性成熟,当日雌蛾即可通过释放性信息素进行求偶。本研究发现,杨小舟蛾羽化后当日就可出现求偶、交配行为,表明该虫羽化当日便已性成熟;其羽化高峰与求偶高峰存在前后时间延续性,表明该虫羽化、求偶、交配在发生时间上协调统一,使得该虫能在羽化后较短时间内完成生殖过程,可以减少间隔期内能量损耗,降低被天敌捕食、被感染的概率,体现了该虫特有的生殖行为策略。
该昆虫存在2种求偶方式;成虫随着日龄增大,求偶及交配持续时间缩短且表现出显著差异性。当昆虫进入暗室10~30 min后,雌蛾表现出躁动的行为反应,振翅飞舞,此时雌蛾的产卵器间歇或持久性外伸,雄蛾开始爬动跳跃,追逐异性,两性之间产生互动关系(但这个过程并不会持续很久)。在此之后雌蛾做出性腺外伸、膨胀、振翅等释放性信息素的典型特征行为,停靠后即可完成交配。这种依靠释放性信息素进行求偶方式与麦蛾求偶现象(周祖琳,1994)描述一致。另外,雌、雄蛾在交配体位调整之前雌蛾的产卵器及性腺始终未伸出,双方通过飞行动作的交流就可以建立配偶关系并成功交配,由此可见雌、雄间的个体追逐当看作是其求偶行为的一部分,将蛰伏或爬动、飞舞行为划分为非求偶姿态对于该虫而言不甚妥当。
通过对杨小舟蛾进行分隔处理观察其求偶行为的试验,证实了杨小舟蛾雌性个体在求偶过程中的先导作用。杨小舟蛾雌蛾的求偶行为有着明显的光周期节律,而这种节律的存在并不以雄性个体的存在为条件; 而雄性个体典型求偶行为的发生则需要雌性个体的存在,并且要先于雄性做出求偶的刺激性行为(如飞行动作或者化学气味)。上述现象与前人所报道的其他鳞翅目昆虫习性一致(周祖琳,1994; He et al., 1995; 罗礼智等,2003; 向玉勇等,2008)。
雌蛾在爬行飞舞、性腺未伸出时并未释放性信息素,各种求偶行为的目的都是为了找到优质配偶从而完成交配,昆虫在光期处于静止状态积聚能量,进入暗期后在光线的刺激下表现出求偶行为,振翅飞舞和释放性信息素,吸引异性前来交配,这是一个消耗能量的过程(Barclay et al., 1995; 杨洪等,2006),如果仅通过相互追逐就能完成配偶定位,对于雌蛾而言也许就没有必要耗费能量来合成并释放性信息素以吸引异性。
杨小舟蛾交配时长、射精时间均与日龄呈负相关关系,但射精量在不同日龄处理间无显著差异,射精完成时间显著短于交配持续时间。已经完成精子的转移还要保持交配状态,交配和射精时间 会随着日龄缩,这其中的原因如下: 昆虫中最常见的精子竞争格局是最后1个与雌性交配的雄性拥有对大多数卵的受精权,即具有最后雄性精子优势(Varshney et al., 1971),通常,交配进行中的昆虫双方雄性具有终止交配的决定权,交配中的雄性通过感觉器官判断环境内潜在同性竞争对手和潜在的其他交配对象情况后,即便已经完成射精但依旧利用某种生理结构保持交配姿势(Arnqvist et al., 2000),延长交配时间,达到占有雌性的目的。例如小翅稻蝗(Oxya yezoensis)最后交配雄虫的精子优先用于进行了多次交配后的雌虫卵受精,因此小翅稻蝗的雄虫通过延长交配成功后的抱对行为来保证其交配利益,其交配行为本身持续5.6 h,而交配后的抱对行为最长可达17 h(朱道弘,2004)。
虽然雄虫在交配过程中可以通过延长交配时间达到占有雌性的目的 (Cardé et al., 1995; Cloutier et al., 2000; Jones et al., 2001),但随着日龄的增加其生命力或许并不足以保证进行长时间的交配行为,同时延长交配持续时间反而会使雌、雄双方付出更高的交配价(cost of hinting),如时间损失、被捕食、能量消耗、感染寄生虫或性病、身体受伤等,这与Beteman(1948)提出的关于雌雄两性性选择压力不均等性的3个原理相吻合。解剖发现,由于较大日龄的雄蛾在初次交配后其贮精囊和复射精管内仍存有比低日龄雄虫更多的精子束,其更可能倾向于缩短交配时间进而寻求其他配偶进行多次交配,使其遗传因子最大化,该虫多次交配的现象已在试验中得到证实。因此在完成精子输送、生殖压力得以部分缓解时终止交配行为反映了该虫的生殖策略(Beteman,1948; Cardé et al., 1995; Jones et al., 2001),体现出交配是两性在遗传利益冲突相互作用下的最终结果。
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