全 文 ：蠋蝽抗寒性对快速冷驯化的响应及其生理机制*
李兴鹏1 摇 宋丽文1**摇 张宏浩2 摇 陈越渠1 摇 左彤彤1 摇 王摇 君1 摇 孙摇 伟1
( 1吉林省林业科学研究院, 长春 130033; 2长白山科学研究院, 吉林安图 133613)
摘摇 要摇 快速冷驯化可以提高某些昆虫的耐寒性.为了探讨不同冷驯化诱导温度对蠋蝽抗寒
性的影响及其生理机制,以室内人工饲养的第 3 代蠋蝽成虫为对象,利用热电偶、液相色谱分
析等技术手段,测定了经 15、10、4 益冷驯化 4 h和梯度降温(依次在 15、10、4 益各驯化 4 h)冷
驯化后,蠋蝽成虫过冷却点、虫体含水率及小分子碳水化合物、甘油和氨基酸含量,及其在不
同暴露温度(0、-5、-10 益)下的耐寒性.结果表明: 处理后暴露在-10 益时,梯度处理组和 4
益冷驯化处理组的蠋蝽成虫存活率为 58. 3% ,其他处理组及对照组(室温饲养)的存活率显
著降低,平均为 8. 9% ;梯度处理组与 4 益冷驯化处理组蠋蝽成虫过冷却点平均为-15. 6 益,
比其他处理平均降低 1. 3 益;各处理虫体含水率无显著差异,平均为 61. 8% ;与其他各组相
比,梯度处理组和 4 益冷驯化组蠋蝽成虫的葡萄糖、山梨醇和甘油含量分别增加 2. 82、2. 65
和 3. 49 倍,丙氨酸和谷氨酸含量分别增加 51. 3%和 80. 2% ,海藻糖、甘露糖和脯氨酸含量分
别下降 68. 4% 、52. 2%和 30. 2% ,而果糖含量各组间无显著差异. 快速冷驯化对蠋蝽成虫具
有临界诱导温度值,梯度降温驯化不能在快速冷驯化的基础上提高蠋蝽成虫的抗寒性.
关键词摇 蠋蝽摇 快速冷驯化摇 抗寒性摇 生理机制
*国家林业局“948冶项目(2008鄄4鄄59)和吉林省科技发展计划项目(20100158)资助.
**通讯作者. E鄄mail: lwsong75@ 126. com
2011鄄04鄄20 收稿,2011鄄12鄄07 接受.
文章编号摇 1001-9332(2012)03-0791-07摇 中图分类号摇 Q142. 9; S433. 2摇 文献标识码摇 A
Responses of Arma chinensis cold tolerance to rapid cold hardening and underlying physio鄄
logical mechanisms. LI Xing鄄peng1, SONG Li鄄wen1, ZHANG Hong鄄hao2, CHEN Yue鄄qu1, ZUO
Tong鄄tong1, WANG Jun1, SUN Wei1 ( 1 Jilin Academy of Forestry Sciences, Changchun 130033;
2Changbaishan Academy of Sciences, Antu 133613, Jilin, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23
(3): 791-797.
Abstract: Rapid cold hardening can enhance the cold tolerance of some insects. To explore the
effects of different cold hardening induction temperature on the cold tolerance of Arma chinensis and
related physiological mechanisms, the 3rd generation A. chinensis adults reared indoor were treated
with cooling at 15, 10, and 4 益 for 4 h, respectively, or with gradual cooling from 15 益 for 4 h to
10 益 for 4 h, and finally to 4 益 for 4 h. The super鄄cooling point, water content, and the contents
of low molecular carbohydrates, glycerol, and amino acids of the adults after cooling and the adults
cold tolerance at 0, -5, and -10 益 were measured by thermocouple, high performance liquid
chromatography, and other analytical techniques. When exposed at -10 益 after cooling, the sur鄄
vival rate of the adults treated with gradual cooling or treated with cooling at 4 益 for 4 h was aver鄄
agely 58. 3% , while that of the adults reared at room temperature (25 益 依2 益) or treated with
cooling at 15 益 or 10 益 for 4 h decreased significantly, with an average of 8. 9% . The super鄄cool鄄
ing point of the adults treated with gradual cooling or with cooling at 4 益 for 4 h was -15. 6 益,
which was averagely 1. 3 益 lower than that of the other treatments. The water content of the adults
had no significant difference among all treatments, with an average of 61. 8% , but the glucose, sor鄄
bitolum, glycerol, Ala, and Glu contents in treatments gradual cooling and cooling at 4 益 for 4 h
increased by 2. 82鄄fold, 2. 65鄄fold, 3. 49鄄fold, 51. 3% , and 80. 2% , while the fucose, mannose,
and Pro contents decreased by 68. 4% , 52. 2% , and 30. 2% , respectively, as compared with the
other treatments. The fructose content showed no significant difference among all treatments. It was
suggested that rapid cool hardening had a critical temperature to induce the physiological metabolism
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 3 月摇 第 23 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2012,23(3): 791-797
process of adult A. chinensis, and gradual cooling hardening could not further increase the cold tol鄄
erance of adult A. chinensis on the basis of rapid cool hardening.
Key words: Arma chinensis; rapid cold hardening; cold tolerance; physiological mechanism.
摇 摇 目前,有关气候变化对昆虫的影响已成为研究
的热点.由于昆虫属于变温动物,其行为、分布、个体
发育、生存以及生殖等在很大程度上都受到环境温
度变化的制约.因此,一些研究者认为,全球气候变
化对昆虫的影响要远远大于对其他生物的影响[1],
尤其是对一些在冬季死亡率较高的昆虫,气候变暖
将会使其种群数量大幅增加[2] . 然而近年来,在全
球气温普遍升高的同时,局部地区气候异常现象频
繁发生.这种短时间内的气温急剧变化会在多大程
度上影响该地区昆虫种群数量和分布格局,目前还
不清楚.
在高纬度地区,昆虫个体和种群主要受到冬季
低温的胁迫.因此,研究者主要通过对昆虫耐寒性的
研究来阐释昆虫对温度变化的响应机理. 传统上对
昆虫耐寒性的研究认为,昆虫主要采取生态与生理
两方面的对策来降低这种负影响. 前者主要通过迁
飞或隐藏等行为来逃避极端温度的伤害[3-5];后者
则在入冬前通过调节体内代谢机制,如自由水与结
合水的比率[6-7]、细胞内外 Na+和 K+以及 Ca2+浓度
水平[8]、游离脂肪酸与结合脂肪酸比例[9]、氨基酸
代谢水平[10-11]和改变抗寒物质储量,如小分子碳水
化合物、多羟基化合物等[11-13]抵御极端温度.
除了对昆虫季节性温度变化的适应性研究外,
许多研究者注意到,一些对温度敏感的昆虫在短时
间给予一定的低温锻炼(快速冷驯化)能够显著提
高其耐寒力[14-17],包括昆虫在低温暴露过程中的存
活率、取食活动以及繁殖能力等[18-19] . 这种与昆虫
自身生理调节及代谢相联系的快速冷驯化现象对降
低昆虫在短时间内温度急剧变化(如昼夜温差、反
常气候等)的伤害具有重要作用[20] . 多数研究者认
为,昆虫快速冷驯化生理机制同自然越冬昆虫的生
理代谢机制有着同一性,即快速冷驯化能够诱导昆
虫在短时间内改变体内小分子碳水化合物、脂肪
(甘油)以及氨基酸等物质含量,从而抵御低温对其
造成的物理或生理上的伤害[21-23] . 也有研究者认
为,快速冷驯化更倾向于对某一温度的应急反应
(往往伴随着生物膜结构的改变),而不是随着温度
变化 (季节性变化 ) 对自身生理代谢的预调
整[16,24-25] . Michaud 和 Denlinger[11]对肉蝇(Sarcoph鄄
aga crassipalpis)的快速冷驯化研究表明,温度从 20
益逐步降至 5 益,其虫体内山梨醇含量没有显著改
变,但温度降低至 4 益时,山梨醇含量在肉蝇冷藏 8
h后突然增加.另一项对肉蝇的冷驯化研究指出,只
有在 0 ~ 11 益温度范围内,驯化 20 min 后肉蝇体内
一些小分子抗冻物质才会有显著增加,驯化时间增
加到 8 h后到达最大值[26] .这表明昆虫快速冷驯化
的诱导温度和时间可能存在一个临界值.
也有研究认为,低温冷驯化并不是通过增加抗
寒性物质、降低体液结冰点来提高其抗寒性,因为这
些物质的增加对昆虫体液和细胞的结冰点的影响非
常有限. Kelty 和 Lee[15]在对黑腹果蝇 (Drosophila
melanogaster)的低温冷驯化研究中发现,低温冷驯
化虽然提高了果蝇的耐寒性,但其体内小分子碳水
化合物、甘油等并未发生改变.这可能是因为其他的
生理过程决定了黑腹果蝇具有冷驯化的能力.另外,
某些对植物耐寒性具有重要作用的金属阳离子[27],
在昆虫冷驯化过程中对昆虫体内某些抗冻蛋白酶的
激活等也同样具有积极作用. 研究者在对一种南极
蚊(Belgica antarctica)研究后发现,在昆虫接受低温
胁迫时,钙离子作为重要的第二信使调节细胞凋亡
率,而且这种调节是不受大脑或神经控制的[17] . 这
可能是昆虫在经受低温时,可通过钙调素依赖蛋白
激酶激活某种细胞凋亡调控基因表达来抑制细胞凋
亡[28] .随着分子生物学技术的发展,许多研究者试
图从基因层面阐释昆虫的耐寒性及冷驯化机
理[29-30] .
蠋蝽(Arma chinensis)系半翅目蝽总科的一种捕
食性天敌昆虫,能捕食叶甲、刺蛾、蚧壳虫、蚜虫等鞘
翅目、鳞翅目、同翅目的 40 余种农林常见、多发害
虫.该虫在我国南、北方十几个省区都有分布,适应
性很强,适于人工饲养,人工释放的蠋蝽可在释放地
域定居繁殖,形成自然种群,有效控制害虫种群. 本
文对蠋蝽快速冷驯化的生理代谢机制、快速冷驯化
的诱导温度和时间范围作了初步研究,以期初步了
解该捕食性昆虫快速冷驯化的生理代谢机制,为天
敌昆虫的生产和应用提供理论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试虫源
室内饲养的蠋蝽第 3 代成虫,饲养环境温度为
297 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
(25依2) 益,光照为 16L 颐 8D,湿度为 70% .
1郾 2摇 试验设计
为了确定蠋蝽在不同冷驯化条件下的生理代谢
反应以及在不同冷藏温度下的存活率,将培养箱设
置 15、10 和 4 益 3 个温度梯度,将正常饲养的蠋蝽
成虫若干,分别放入已设定温度的培养箱待测,其
中,将 15 益驯化的蠋蝽随机取出若干,4 h 后移入
10 益培养箱驯化 4 h,然后再移入 4 益培养箱驯化 4
h(梯度处理),待测.
1郾 3摇 测定方法
1郾 3郾 1 蠋蝽过冷却点的测定摇 将待测蠋蝽用滤纸吸
干体表水后,按照编号从 1 到 20 分别与热电偶充分
接触,将热电偶另一端连着温度记录仪.将连着待测
昆虫的热电偶放在一个 1郾 5 mL离心管里,底部及周
围垫适量脱脂棉,一并放入超低温冰箱内.冰箱以 1
益·min-1的速度降温.过冷却点为昆虫体内潜伏热
的释放引起的温度回升的最高点.
1郾 3郾 2 蠋蝽含水率的测定 摇 将待测蠋蝽每 30 头为
一个重复,置于电子天平上称量,测定湿质量,然后
将虫体放在 60 益下干燥 48 h,称得干质量,计算含
水率. 3 次重复.
1郾 3郾 3 蠋蝽虫体小分子碳水化合物的测定摇 取烘干
蠋蝽虫体粉末 0郾 5 ~ 1 g,放入离心管,加入 80%乙
醇 20 mL,在 75 益水浴锅中加热 20 min,离心 3
min,取上清液放入 50 mL 容量瓶中,用 15 mL 80%
乙醇冲洗 2 次,合并定容至 50 mL,摇匀后取 4 mL
蒸干,残渣用 1 mL 流动相溶解,然后在 10000
r·min-1离心机上离心 3 min ,用滤纸过滤. 然后用
20 滋L 进样器注入液相色谱仪进行分析,测定虫体
小分子糖.色谱条件:美国 Waters 测糖专用柱;美国
Waters 510 型高效液相色谱仪;柱温 90 益;双通道;
灵敏度 4;N2000 色谱工作站;流动相:0郾 1 mol·L-1
已二胺四乙酸二钠钙盐;检测器:示差折光检测器.
1郾 3郾 4 蠋蝽甘油含量的测定 摇 参照陈永杰等[31]方
法,分别在 7 支 10 mL 离心试管内注入 15% 的
CuSO4溶液 0郾 3 mL、5%的 NaOH 溶液 3郾 5 mL,配制
Cu(OH) 2悬浊液,再加入 50% 的甘油溶液和蒸馏
水,使甘油含量依次为 40郾 0、45郾 0、50郾 0、55郾 0、60郾 0、
65郾 0和 70郾 0 g·L-1,充分震荡,离心分离,取上清液
分别置于比色皿中.在 630 nm处测定吸光度值,绘制
标准曲线. 取蠋蝽虫体脂类提取液 0郾 1 mL 注入 10
mL离心管内,加 2 mL浓 H2SO4,在沸水浴中消化,加
入 Cu(OH)2悬浊液,离心分离,取上清液用分光光度
计测其吸光值,查标准曲线计算虫体甘油含量.
1郾 3郾 5 蠋蝽虫体氨基酸含量的测定摇 将待测蠋蝽虫
体研磨后,取 1 g左右粉末加入 1 mL 10%磺基水杨
酸,10000 r·min-1离心 20 min,然后取上清液 0郾 5
mL加入 0郾 2 mol·L-1 HCl 溶液充分混匀,用日立
835鄄50 氨基酸自动分析仪测定.
1郾 3郾 6 蠋蝽成虫耐寒性的测定摇 为了进一步确定不
同冷藏温度下蠋蝽的耐寒性,将上述各驯化温度的部
分蠋蝽分别放入 0、-5和-10 益冰箱中,2 h后将其放
回饲养温度(25依2) 益,10 min后计算其存活率(用镊
子触碰供试虫体,有反应的视为存活,无反应视为死
亡),每组试验 3次重复,每重复 30头蠋蝽.
1郾 4摇 数据处理
原始数据用 Excel 软件计算平均数后,用单因
素方差分析(one鄄way ANOVA)的新复极差法(SSR)
检验不同冷驯化处理对蠋蝽各项测试指标的差异显
著性(琢=0郾 05)(SPSS 13郾 0), 分析后的数据用 Sig鄄
maPlot 10郾 0 软件作图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同处理对蠋蝽成虫耐寒性的影响
3 个暴露梯度的试验结果表明,温度越低(在冷
却点以上),低温驯化对蠋蝽成虫耐寒性影响越显
著.其中,在 0 益下,各驯化处理组和对照组蠋蝽成
虫存活率无显著差异,且都在 90%以上(df = 4,F =
0郾 57,P=0郾 69);在-5 益时,对照组和 15 益驯化组
间存活率无显著差异,都为 70% ,显著低于其他各
组(df=4,F=4郾 82,P= 0郾 02);当温度降低至-10 益
时,梯度处理组和 4 益冷驯化处理组蠋蝽成虫存活
率还能保持在 50%以上,但其他处理组及对照组存
活率显著降低至 20% 以下( df = 4,F = 34郾 15,P =
0郾 00)(表 1).
2郾 2摇 不同处理对蠋蝽过冷却点的影响
从图 1 可以看出,不同冷驯化温度下蠋蝽成虫
过冷却点不同,其中 15 益冷驯化处理和 10 益冷驯
化处理的蠋蝽成虫过冷却点分别为 - 14郾 35 和
-14郾 17 益,与对照组蠋蝽过冷却点(-14郾 39 益)无
显著差异.梯度处理的蠋蝽成虫与 4 益冷驯化处理
的蠋蝽成虫无显著差异,其过冷却点分别为-15郾 69
和-15郾 55 益,但与其他 2 种处理及对照差异显著
(df=4;F=51郾 25; P=0郾 00).
2郾 3摇 不同处理对蠋蝽虫体含水率的影响
从图 2 可以看出,各处理蠋蝽成虫虫体含水率
无显著差异(df=4;F = 1郾 44;P = 0郾 29),平均含水率
为 61郾 8% .
3973 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李兴鹏等: 蠋蝽抗寒性对快速冷驯化的响应及其生理机制摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 不同冷驯化处理的蠋蝽成虫在不同低温下的存活率
Table 1摇 Effect of various RCH induction temperatures on survival rate of Arma chinensis at different low temperatures
(mean依SE)
暴露温度
Exposure
temperature (益)
存活率摇 Survival rate(% )
T1 T2 T3 T4 CK
0 96郾 7依3郾 3a 96郾 7依3郾 3a 93郾 3依3郾 3a 96郾 7依3郾 3a 90郾 0依5郾 8a
-5 70郾 0依5郾 8a 90郾 0依5郾 8b 93郾 3依6郾 7b 93郾 3依3郾 3b 70郾 0依5郾 8a
-10 3郾 3依3郾 3a 16郾 7依3郾 3a 60郾 0依5郾 8b 56郾 7依3郾 3b 6郾 7依6郾 7a
T1、T2、T3、T4 分别代表冷驯化条件为 15 益 4 h、10 益 4 h、梯度降温和 4 益 4 h T1, T2, T3, T4, CK denoted treatment at 15 益 for 4 h, 10 益 for
4 h, gradual cooling, and 4 益 for 4 h郾 CK: 对照 Control郾 不同字母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Different letters meant significant difference
among treatments at 0郾 05 level郾 下同 The same below.
图 1摇 不同驯化温度下蠋蝽成虫过冷却点
Fig. 1 摇 Super cold point (SCP) of Arma chinensis at different
temperatures of cold hardening (mean依SE).
T1、T2、T3、T4 分别代表冷驯化条件为 15 益4 h、10 益4 h、梯度降温
和 4 益4 h T1, T2, T3, T4, CK denoted treatment at 15 益 for 4 h,
10益 for 4 h, gradual cooling, and 4 益 for 4 h; CK: 对照 Control郾 不
同字母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Different letters meant signifi鄄
cant difference among treatments at 0郾 05 level郾 下同 The same below.
图 2摇 不同驯化温度下蠋蝽成虫虫体含水率
Fig. 2 摇 Water content of Arma chinensis at different tempera鄄
tures of cold hardening (mean依SE)郾
2郾 4摇 不同驯化温度对蠋蝽虫体小分子碳水化合物
及甘油含量的影响
从图 3 可以看出,不同冷驯化处理对蠋蝽成虫
虫体小分子碳水化合物及甘油含量影响不同,表现
为一部分化合物含量显著增加,而另一部分含量明
显降低.其中,梯度处理组和 4 益冷驯化处理组间各
化合物无明显差异,与其他各组比较,葡萄糖含量增
加 2郾 82 倍(df = 4,F = 97郾 24,P = 0郾 00)、山梨醇增加
2郾 65 倍 ( df = 4,F = 255郾 57,P = 0郾 00)、甘油增加
3郾 49 倍(df=4,F = 1135郾 45,P = 0郾 00)、而海藻糖和
甘露糖含量比其他各组分别下降 68郾 4% (df = 4,F =
486郾 55,P=0郾 00)和 52郾 2% (df = 4,F = 291郾 34,P =
0郾 00),各处理组间果糖含量无显著差异(df = 4,F =
0郾 46,P=0郾 76).
2郾 5摇 不同驯化温度对蠋蝽虫体氨基酸含量的影响
蠋蝽成虫 17 种氨基酸测试结果表明,不同冷驯
化处理对蠋蝽虫体氨基酸含量具有不同程度的影
响,其中梯度处理组和 4 益冷驯化处理组间氨基酸
无显著差异.但与对照组相比,丙氨酸含量、谷氨酸
含量分别增加 51郾 3%和 80郾 2% ;脯氨酸含量降低
30郾 2% (表 2).
图 3摇 不同驯化温度下蠋蝽成虫虫体小分子碳水化合物及
甘油含量
Fig. 3摇 Contents of carbohydrate and glycerol of Arma chinensis
at different temperatures of cold hardening (mean依SE).
A:葡萄糖 Glucose; B:海藻糖 Fucose; C:甘露糖 Mannose; D:山梨醇
Sorbitolum; E:果糖 Fructolysis; F:甘油 Glycerol.
497 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 2摇 不同驯化温度下蠋蝽成虫虫体氨基酸含量
Table 2摇 Contents of amino acid of Arma chinensis at different temperatures of cold hardening [mean依SE, g·(100 g-1)]
氨基酸
Amino acid
不同驯化温度
Different temperatures of cold hardening
T1 T2 T3 T4 CK
单因素方差分析结果
Result of one鄄way ANOVA
df F P
赖氨酸 Lys 1郾 67依0郾 02a 1郾 64依0郾 02a 1郾 67依0郾 01a 1郾 66依0郾 01a 1郾 64依0郾 03a 4 0郾 60 0郾 68
蛋氨酸 Met 0郾 98依0郾 01a 1郾 01依0郾 01a 1郾 01依0郾 01a 0郾 99依0郾 02a 1郾 03依0郾 01a 4 1郾 43 0郾 29
天门冬氨酸 Asp 4郾 06依0郾 02a 4郾 11依0郾 02a 4郾 11依0郾 01a 4郾 09依0郾 01a 4郾 08依0郾 01a 4 1郾 79 0郾 21
胱氨酸 Cys 0郾 46依0郾 01a 0郾 45依0郾 01a 0郾 45依0郾 02a 0郾 43依0郾 01a 0郾 45依0郾 02a 4 0郾 54 0郾 71
丝氨酸 Ser 2郾 68依0郾 02a 2郾 66依0郾 02a 2郾 65依0郾 02a 2郾 69依0郾 03a 2郾 69依0郾 03a 4 0郾 54 0郾 71
甘氨酸 Gly 3郾 57依0郾 02a 3郾 52依0郾 01a 3郾 47依0郾 07a 3郾 54依0郾 02a 3郾 56依0郾 01a 4 1郾 58 0郾 25
精氨酸 Arg 2郾 14依0郾 01a 2郾 16依0郾 02a 2郾 15依0郾 01a 2郾 12依0郾 02a 2郾 12依0郾 02a 4 1郾 67 0郾 23
丙氨酸 Ala 4郾 86依0郾 04a 4郾 92依0郾 02a 7郾 41依0郾 02b 7郾 37依0郾 01b 4郾 87依0郾 03a 4 2427郾 12 0郾 00
脯氨酸 Pro 4郾 19依0郾 01a 4郾 21依0郾 01a 2郾 94依0郾 02b 2郾 91依0郾 02b 4郾 17依0郾 02a 4 2029郾 43 0郾 00
苯丙氨酸 Phe 1郾 19依0郾 01a 1郾 19依0郾 02a 1郾 16依0郾 01a 1郾 16依0郾 02a 1郾 15依0郾 01a 4 0郾 98 0郾 46
络氨酸 Tyr 1郾 70依0郾 25a 2郾 03依0郾 01a 2郾 04依0郾 01a 1郾 97依0郾 01a 2郾 01依0郾 02a 4 1郾 62 0郾 24
亮氨酸 Leu 3郾 41依0郾 02a 3郾 44依0郾 02a 3郾 43依0郾 01a 3郾 44依0郾 01a 3郾 45依0郾 01a 4 0郾 90 0郾 50
异亮氨酸 Ile 1郾 82依0郾 01a 1郾 83依0郾 01a 1郾 85依0郾 01a 1郾 84依0郾 02a 1郾 87依0郾 02a 4 1郾 72 0郾 22
苏氨酸 Thr 1郾 63依0郾 01a 1郾 65依0郾 01a 1郾 62依0郾 01a 1郾 62依0郾 01a 1郾 64依0郾 02a 4 0郾 89 0郾 51
缬氨酸 Val 2郾 72依0郾 01a 2郾 74依0郾 01a 2郾 71依0郾 01a 2郾 71依0郾 02a 2郾 71依0郾 02a 4 1郾 23 0郾 36
组氨酸 His 1郾 32依0郾 01a 1郾 36依0郾 01a 1郾 34依0郾 02a 1郾 35依0郾 01a 1郾 33依0郾 01a 4 1郾 46 0郾 28
谷氨酸 Glu 4郾 66依0郾 02a 4郾 63依0郾 01a 8郾 37依0郾 02b 8郾 38依0郾 02b 4郾 65依0郾 02a 4 14555郾 96 0郾 00
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 不同冷驯化处理对蠋蝽耐寒性的影响
研究表明,快速冷驯化可在有限温度范围内提
高昆虫的耐寒性[14-15,17,20,32] .本研究也证实,蠋蝽经
低温冷驯化诱导后,其耐寒性显著提高.但不同冷驯
化处理方式对蠋蝽耐寒性影响不尽相同. 在 15 和
10 益驯化 4 h,并不能提高蠋蝽成虫的耐寒性;但在
4 益驯化 4 h后,其耐寒性显著提高,表明蠋蝽耐寒
性的诱导具有临界温度值. Koveos[20]对橄榄果蝇
(Bactrocera oleae)成虫的冷驯化研究发现,该虫的冷
驯化诱导温度为 0 ~ 10 益 .在此范围内经任意温度
驯化,其在-6郾 5 益 2 h暴露条件下的耐寒性无显著
差异,存活率都保持在 90%左右;在 24 益下饲养未
经过冷驯化的成虫存活率仅为 5% ;而当驯化温度
高于 10 益时,并不能提高橄榄果蝇的耐寒性.对于
其他一些昆虫,其冷驯化诱导温度范围会更小,只在
0 ~ 5 益范围内才有效[33-35] .在本研究中,经 10 益驯
化并不能提高蠋蝽在-10 益下的存活率,但其在-5
益下的存活率却比对照显著提高. 这可能是因为温
周期冷驯化(cold acclimation,ACC)会诱导蠋蝽在其
越冬最低温度以上对其抗寒性起到积极作用,因为
蠋蝽野外越冬层温度一般只有-6 益左右(距地表
5 ~ 10 cm).类似现象也出现在其他昆虫冷驯化研
究中. 例如将西花蓟马(Frankliniella occidentalis) 1
龄幼虫 15 益驯化 4 h后,在-11郾 5 益下暴露 2 h,其
存活率为 0,但在-5 益下暴露 2 h 的成活率则提高
到 80% ;而将其在 5 益下驯化 4 h 后,无论是在-5
益还是 - 11郾 5 益下暴露 2 h,其存活率都能够在
80%以上[32] .值得注意的是,在本实验中,梯度驯化
后的蠋蝽耐寒性与直接在 4 益条件下驯化的耐寒性
一致,即梯度降温驯化并不能在单独快速冷驯化基
础上进一步增加昆虫的抗寒性[36] . 但部分研究认
为,温周期驯化和快速冷驯化存在着功能叠加效应
(RCH+ACC>RCH) [32,37] .
3郾 2摇 快速冷驯化对蠋蝽生理代谢的影响
低温冷驯化能够在短时间内改变昆虫体内一些
抗冻物质的含量[11,33] .在本研究中,经梯度驯化和 4
益驯化处理的蠋蝽虫体葡萄糖和甘油含量都有不同
程度的增加,且这两种冷驯化处理都能够降低蠋蝽
的过冷却点.这可能是蠋蝽冷驯化后,虫体内糖原可
通过磷酸化酶作用分解为葡萄糖[21],昆虫将此作为
能量的储备或者将其进一步转化为甘油.研究证明,
甘油在昆虫经受低温胁迫时具有降低冷却点、保护
生物膜和蛋白质的作用[38] .山梨醇在蠋蝽冷驯化后
含量增加,可能和甘油具有相同的功能.山梨醇也是
一类多羟基化合物,是昆虫抗冻保护剂[22,39] . 某些
昆虫在低温下可通过中断己糖磷酸化过程积累葡萄
糖,而葡萄糖在还原剂作用下可生成山梨醇[40] . 而
蠋蝽虫体海藻糖和甘露糖含量降低的原因可能是在
低温状态下,海藻糖和甘露糖通过糖酵解途径转化
为抗冻功能更强的葡萄糖.
5973 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李兴鹏等: 蠋蝽抗寒性对快速冷驯化的响应及其生理机制摇 摇 摇 摇 摇 摇
蠋蝽经梯度驯化和 4 益驯化后,虫体谷氨酸和
丙氨酸含量都有不同程度增加.在低温胁迫时,谷氨
酸可抑制细胞凋亡并对昆虫细胞膜渗透压有一定影
响[23] .这可以很好地解释蠋蝽在低温冷驯化后谷氨
酸含量增加的原因. 然而我们并不清楚在快速冷驯
化后蠋蝽虫体丙氨酸含量增加的原因,只知道在麻
蝇的冷驯化过程中,丙氨酸与尿素循环有密切关
系[11] .然而令人费解的是,在蠋蝽经低温冷驯化后
脯氨酸含量有明显降低,而在对植物的抗寒性研究
中普遍认为脯氨酸是一类抗冻保护剂,在植物受低
温胁迫时,其含量会有大幅度增加[41] .
在本研究中,与对照相比,15 和 10 益冷驯化处
理后蠋蝽虫体各项生理指标无显著差异,这表明低
温冷驯化的生理反应可能受某些酶或者基因的控
制,比如可能存在某种冷胁迫蛋白酶,这种酶只有在
某一温度范围内才会被激活. Yoshihiro 和 Den鄄
linger[42]从肉蝇体内分离出一种对生物细胞凋亡具
有重 要 调 节 作 用 的 丝 裂 原 活 化 蛋 白 激 酶
(p38MAPK).该酶对肉蝇冷驯化过程中的生理反应
起诱导作用.这种蛋白酶的活性只有在 0 益左右,10
min后才会被激活,2 h 后达到最大值. 但研究者并
没有证实 p38MAPK在昆虫冷驯化过程中对细胞凋
亡具有怎样的影响.
参考文献
[1]摇 Butterfield A, Buse JC, Coulson J, et al. Herbivory in
global climate change research: Direct effects of rising
temperatures on insect herbivores. Global Change Biolo鄄
gy, 2002, 8: 1-16
[2]摇 Harrington RR, Fleming I, Woiwood P. Climate change
impacts on insect management and conservation in tem鄄
perate regions: Can they be predicted. Agricultural and
Forest Entomology, 2001, 3: 233-240
[3]摇 Ma C鄄S (马春森), Ma G (马 摇 罡), Du Y (杜
尧), et al. Current status and future perspectives for
behavioural response of insects to temperature gradient.
Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2005, 25 (12):
3390-3397 (in Chinese)
[4]摇 Hayward SAL, Worland MR, Convey P, et al. Temper鄄
ature preferences of the mite, Alaskozetes antarcticus and
the collembolan, Cryptopygus antarcticus from the mari鄄
time Antarctic. Physiological Entomology, 2003, 28:
114-121
[5]摇 Danks HV. Insect adaptations to cold and changing
environments. The Canadian Entomologist, 2006, 138:
1-23
[6]摇 Block W, Zettel J. Activity and dormancy in relation to
body water and cold tolerance in a winter鄄active spring鄄
tail. European Journal of Entomology, 2003, 100:
305-312
[7]摇 Ma Y鄄L (马延龙), Hou F (侯 摇 凤), Ma G (马
纪). Seasonal changes in cold tolerance of desert beetle
Anatolica polita borealis ( Coleoptera: Tenebrionidae)
and their physiological mechanisms. Acta Entomologica
Sinica (昆虫学报), 2009, 52(4): 372-379 ( in Chi鄄
nese)
[8]摇 Kostal V, Vambera J, Bastl J. On the nature of pre鄄
freeze mortality in insects: Water balance, ion homeo鄄
stasis and energy charge in the adults of Pyrrhocoris
apterus. Journal of Experimental Biology, 2004, 207:
1509-1521
[9]摇 Qiang C鄄K (强承魁), Du Y鄄Z (杜予州), Yu L鄄Y
(于玲雅), et al. Dynamic changes of cold鄄resistant
substances of overwintering Chilo suppressalis (Walker)
larvae. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态
学报), 2008, 19(3): 599-605 (in Chinese)
[10]摇 Han R鄄D (韩瑞东), Sun X鄄G (孙绪艮), Xu Y鄄Y
(许永玉), et al. The biochemical mechanism of cold鄄
hardiness in overwintering larva of Dendrolimus spectabi鄄
lis Butler (Lepidoptera: Lasiocampidae). Acta Ecologi鄄
ca Sinica (生态学报), 2005, 25(6): 1352-1356( in
Chinese).
[11]摇 Michaud MR, Denlinger DL. Shifts in the carbohydrate,
polyol, and amino acid pools during rapid cold鄄harden鄄
ing and diapause鄄associated cold鄄hardening in flesh flies
(Sarcophaga crassipalpis): A metabolomic comparison.
Journal of Comparative Physiology B, 2007, 177: 753-
763
[12]摇 Zhao J (赵 摇 静), Yu L鄄Y (于令媛), Li M (李
敏), et al. Seasonal variation in cold tolerance of the
multicolored ladybeetle, Harmonia axyridis ( Pallas )
(Coleoptera: Coccinellidae) adults. Acta Entomologica
Sinica (昆虫学报), 2008, 51(12): 1271-1278 ( in
Chinese)
[13]摇 Overgaard J, Malmendal A, S覬rensen JG, et al.
Metabolomic profiling of rapid cold hardening and cold
shock in Drosophila melanogaster. Journal of Insect
Physiology, 2007, 53: 1218-1232
[14]摇 Lee RE, Chen CP, Denlinger DL. A rapid cold鄄harden鄄
ing process in insects. Science, 1987, 238: 1415-1417
[15]摇 Kelty JD, Lee RE. Rapid cold鄄hardening of Drosophila
melanogaster (Diptera: Drosophilidae) during ecologi鄄
cally based thermoperiodic cycles. Journal of Experi鄄
mental Biology, 2001, 204: 1659-1666
[16]摇 Overgaard J, Sorensen JG, Petersen SO, et al. Changes
in membrane lipid composition following rapid cold hard鄄
ening in Drosophila melanogaster. Journal of Insect
Physiology, 2005, 51: 1173-1182
[17]摇 Teets NM, Elnitsky MA, Benoit JB, et al. Rapid cold鄄
hardening in larvae of the Antarctic midge Belgica ant鄄
arctica: Cellular cold鄄sensing and a role for calcium.
697 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
American Journal of Physiology, 2008, 294: 1938 -
1946
[18]摇 Kelty JD, Lee RE. Induction of rapid cold hardening by
cooling at ecologically relevant rates in Drosophila mela鄄
nogaster. Journal of Insect Physiology, 1999, 45: 719-
726
[19]摇 Shreve SM, Kelty JD, Lee RE. Preservation of repro鄄
ductive behaviors during modest cooling: Rapid cold鄄
hardening fine鄄tunes organismal response. Journal of
Experimental Biology, 2004, 207: 1797-1802
[20]摇 Koveos DS. Rapid cold hardening in the olive fruit fly
Bactrocera oleae under laboratory and field conditions.
Entomologia Experimentalis et Applicata, 2001, 101:
257-263
[21]摇 Chen CP, Denlinger DL. Activation of phosphorylase in
response to cold and heat stress in the flesh fly, Sar鄄
cophaga crassipalpis. Journal of Insect Physiology,
1990, 36: 549-554
[22]摇 Salvucci ME. Sorbitol accumulation in whiteflies: Evi鄄
dence for a role in protecting proteins during heat stress.
Journal of Thermal Biology, 2000, 25: 353-361
[23]摇 Fuchs BC, Bode BP. Stressing out over survival: Gluta鄄
mine as an apoptotic modulator. Journal of Surgical
Research, 2006, 131: 26-40
[24]摇 Michaud MR, Denlinger DL. Oleic acid is elevated in
cell membranes during rapid cold鄄hardening and pupal
diapause in the flesh fly, Sarcophaga crassipalpis. Jour鄄
nal of Insect Physiology, 2006, 52: 1073-1082
[25]摇 Storey JM, Storey KB. Regulation of cryoprotectant
metabolism in the overwintering gall fly larva Eurosta
solidaginis: Temperature control of glycerol and sorbitol
levels. Journal of Comparative Physiology B, 1983,
149: 495-502
[26]摇 Chen CP, Lee RE, Denlinger DL. Cold shock and heat
shock: A comparison of the protection generated by pre鄄
treatment at less severe temperatures. Physiological
Entomology, 1991, 16: 19-26
[27]摇 Monroy AF, Dhindsa RS. Low鄄temperature signal trans鄄
duction: Induction of cold acclimation鄄specific genes of
alfalfa by calcium at 25 degrees C. The Plant Cell,
1995, 7: 321-331
[28]摇 Yano S, Tokumitsu H, Sodeling TR. Calcium promotes
cell survival through CaM鄄K kinase activation of the pro鄄
tein kinase鄄B pathway. Nature, 1998, 396: 584-587
[29] 摇 Stephen RM, Chen CP, Virginia KW. Cold tolerance
and proline metabolic gene expression in Drosophila mel鄄
anogaster. Journal of Insect Physiology, 2001, 47: 393
-400
[30]摇 Jing X鄄H (景晓红), Kang L (康摇 乐). Research pro鄄
gress in insect cold hardines. Acta Ecologica Sinica (生
态学报), 2002, 22(12): 2202-2207(in Chinese)
[31]摇 Chen Y鄄J (陈永杰), Sun X鄄G (孙绪艮), Zhang W鄄G
(张卫光), et al. Relation between variation of water,
fat, glycerol in vivo of over鄄wintering Diaphania pyloalis
walker larvae and cold鄄hardiness. Acta Sericologica Sini鄄
ca (蚕业科学), 2005, 31(1): 22-25 (in Chinese)
[32]摇 Mcdonald JR, Bale JS, Walters KFA. Rapid cold鄄hard鄄
ening in the western flower thrips Frankliniella occiden鄄
talis. Journal of Insect Physiology, 1997, 43: 759-766
[33]摇 Chen CP, Denlinger DL, Lee RE. Cold鄄shock injury
and rapid cold hardening in the flesh fly Sarcophaga
crassipalpis. Physiological Zoology, 1987, 60: 297-304
[34]摇 Czajka MC, Lee RE. A rapid cold hardening response
protecting against cold shock injury in Drosophila mela鄄
nogaster. Journal of Experimental Biology, 1990, 148:
245-254
[35]摇 Nunamaker RA. Rapid cold鄄hardening in Culicoides
variipennis sonorensis ( Diptera: Ceratopogonidae ).
Journal of Medical Entomology, 1993, 30: 913-917
[36]摇 Hanec W, Beck SD. Cold hardiness in the European
corn borer, Pyrausta nubilalis (H俟bn. ) . Journal of In鄄
sect Physiology, 1960, 5: 169-180
[37]摇 Shintani Y, Ishikawa Y. Relationship between rapid
cold鄄hardening and cold acclimation in the eggs of the
yellow鄄spotted longicorn beetle, Psacothea hilaris. Jour鄄
nal of Insect Physiology, 2007, 53: 1055-1062
[38]摇 Lee RE, Denlinger DL. Insects at Low Temperature.
New York: Chapman & Hall Press, 1991
[39]摇 Wang HS, Kang L. Effect of cooling rates on the cold
hardiness and cryoprotectant profiles of locust eggs.
Cryobiology, 2005, 51: 220-229
[40]摇 Joanisse DR, Storey KB. Temperature acclimation and
seasonal responses by enzymes in cold鄄hardy gall
insects. Archives of Insect Biochemistry and Physiology,
1995, 28: 339-349
[41]摇 Zhao F鄄G (赵福庚), Liu Y鄄L (刘友良). Advances in
study on metabolism and regulation of proline in higher
plants under stress. Chinese Bulletin of Botany (植物学
通报), 1999, 16(5): 540-546 (in Chinese)
[42]摇 Yoshihiro F, Denlinger DL. P38 MAPK is a likely com鄄
ponent of the signal transduction pathway triggering rapid
cold hardening in the flesh fly Sarcophaga crassipalpis.
The Journal of Experimental Biology, 2007, 210: 3295-
3300
作者简介摇 李兴鹏,男,1978年生,助理研究员.主要从事昆虫
生理生态及森林害虫生物防治研究. E鄄mail: lxpjsx@126. com
责任编辑摇 肖摇 红
7973 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李兴鹏等: 蠋蝽抗寒性对快速冷驯化的响应及其生理机制摇 摇 摇 摇 摇 摇