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摘要
温度是昆虫生长发育的重要影响因子之一。本研究以室内25℃、L∥D=16 h∥8 h、80%RH条件下终年饲养的褐飞虱1日龄初孵若虫、10日龄高龄（4～5龄）若虫、羽化1日龄短翅型和长翅型雌雄成虫为研究对象，采用持续升温和恒温相结合的方法，研究比较了褐飞虱各虫态耐热性。研究结果表明：长翅雄成虫对温度变化的适应能力较弱，耐热性差；短翅型雌成虫耐热性强；成虫的耐热性强于若虫。开展对昆虫的耐热性研究可为害虫的预测预报和防治提供重要的理论依据。
关键词
褐飞虱；临界高温（CTMax，℃）；耐热性
中图分类号：
Q 968.1
文献标识码：A
DOI：10.3969/j.issn.05291542.2016.03.008
Abstract
Temperature is one of the most important factors affecting the growth and development of insects. In this study， the thermal tolerance of the brown planthoppers （BPHs） was compared under continuous heating and constant temperature， by using several forms of BPHs， including male or female brachypterous and macropterous adults of 1 day after eclosion， 1 and 10 dold nymphs， which were all reared for a long time under the conditions of 25℃，L∥D=16 h∥8 h and 80% relative humidity. The results showed that BPH adults had stronger thermal tolerance than nymphs， and female brachypterous adults had stronger adaptability to temperature change than male macropterous adults. This study on insect thermal tolerance may be helpful to prediction and control of pests.
Key words
Nilaparvata lugens；critical thermal maximum；thermal tolerance
褐飞虱[Nilaparvata lugens （Stl）]目前是我国及东南亚国家水稻生产上的重要害虫，具远距离迁飞习性，成虫有明顯的翅二型（wing dimorphism）现象[1]，分为长、短翅型，长翅型适于迁飞扩散，短翅型属居留型，繁殖能力较强。褐飞虱成、若虫以口器刺吸水稻茎基部维管束组织，消耗稻株营养和水分，从而引起稻株枯萎，造成“穿顶”或“虱烧”等田间症状，导致水稻严重减产，甚至颗粒无收，为害损失十分巨大[2]。
温度是昆虫生长发育的重要影响因素之一[3]。适宜的温度是昆虫正常生长发育的必要条件，过高温度或过低温度胁迫均对昆虫的生长发育等造成不利影响。目前，高温和低温胁迫研究多是在恒温条件下进行的，对于短时温度刺激或持续动态升温等对昆虫的影响方面研究较少。另外，全球气候变化是广为关注的问题，昆虫对气候异常变化的适应性研究亦成为当前热点[46]。为了更好地掌握气候变暖对褐飞虱生长发育规律、地理分布、种群动态等方面的影响，本文采用持续动态升温和恒温相结合的方法，进行了褐飞虱不同虫态的耐热性比较研究，以期为气候异常条件下褐飞虱的预测预报和科学合理防治提供理论依据。
1材料与方法
1.1供试昆虫
供试昆虫为室内25℃、L∥D=16 h∥8 h、80% RH条件下，于水稻品种‘TN1’上饲养的褐飞虱种群。连续饲养40代以上。
1.2持续动态升温加热装置
采用常向前等[7]改进的加热试验仪器，整个容器长31 cm，宽24 cm，高12 cm，浴池长22.7 cm，宽10 cm，高5.5 cm，该加热装置的升温速率可在0.1～99℃/min内调节。
1.3临界高温的定义
在对昆虫耐热性研究中，Lutterschmidt 和Hutchison[8]首次研究了昆虫受热达到临界高温时的标志行为，进而定义了临界高温（critical thermal maximum， CTMax，℃），即在持续动态升温过程中，致使昆虫达到痉挛或不能活动时的温度。本研究中，以毛笔轻触褐飞虱成、若虫，若虫体不能自由移动，仅可见足部的轻微活动，即判断为痉挛（据预备试验，通常试虫在达到痉挛后约数秒才死亡，如虫体腹部朝上，足部亦停止轻微活动）。
1.4褐飞虱不同虫态的CTMax（℃）测定
选取褐飞虱室内25℃饲养种群1日龄长短翅型雌雄成虫、1日龄若虫和10日龄（4～5龄）若虫为试验对象。分别设定了短时热激（35℃，1 h）、短时冷激（15℃，1 h）以及无冷热刺激等3种测定前的温度处理。然后用加热试验仪器进行持续动态升温，分批测定各虫态各处理单头褐飞虱的CTMax。参照常向前等[7]的方法，结合武汉当地实际情况，并根据预备试验，本研究中均选择设定升温速度为0.25℃/min，升温起点温度为25℃。每虫态每处理共测定60头，分别测定和记录各头试虫的CTMax。 1.5恒温条件下，不同高温对褐飞虱不同虫态的存活影响
选取褐飞虱室内25℃饲养种群1日龄长、短翅型雌雄成虫、1日龄若虫和10日龄（约4～5龄）若虫为试验对象。于HP300GSC型人工智能气候箱中，采用试管内置稻苗饲养方法，设定30、33、36、39℃共4个恒温温度梯度，比较接虫后3、6、12、24和48 h不同虫态的存活率。每处理虫数为60头。
1.6数据处理与分析
采用DPS v7.05版对试验数据进行单因素方差分析和Duncan氏新复极差多重比较，比较处理间差异显著性。
2结果与分析
2.1持续动态升温下，褐飞虱不同虫态临界高温（CTMax，℃）的比较
对事前未经冷热刺激处理的褐飞虱25℃饲养种群的测定结果表明，褐飞虱1日龄初孵若虫的平均CTMax最低，仅为42.83℃，长翅雄成虫的平均CTMax最高，达到47.32℃，10日龄高龄若虫、长翅雌成虫、短翅雌成虫、短翅雄成虫的平均CTMax分别为43.59、44.42、44.58℃和44.88℃。由此说明，事先未经刺激处理情况下，褐飞虱成虫的CTMax显著地高于若虫的，长翅雄成虫的CTMax显著高于其他虫态（P<0.05）。
短时热激处理（35℃，1 h）后，褐飞虱各虫态的CTMax均有变化。1日龄初孵若虫、10日龄高龄若虫、短翅雌成虫、短翅雄成虫、长翅雌成虫和长翅雄成虫的平均CTMax分别为4227、4333、4589、4536、4419、4293℃。其中，长翅雄成虫的平均CTMax下降幅度很大，而短翅成虫的平均CTMax则有所上升，说明适度热刺激有利于短翅型成虫对高温变化的适应能力提高。比较长翅型雌雄成虫的CTMax，雌成虫高于雄成虫（P<0.05），说明长翅雄成虫的耐热能力差于雌成虫。
短时冷激处理（15℃，1 h）后，褐飞虱各虫态的平均CTMax亦有所变化。1日龄、10日龄若虫、短翅雌成虫、短翅雄成虫、长翅雌成虫和长翅雄成虫的平均CTMax分别为4272、4265、4470、4309、4292、4208℃。可見，短时冷刺激后，褐飞虱长翅型雄成虫的平均CTMax下降幅度仍为最大，长翅型雄成虫对冷刺激反应敏感，耐受力较差。各虫态中，短翅型雌成虫的平均CTMax最高，高于其他各种虫态（P<0.05），且长翅雌成虫的平均CTMax亦高于长翅雄成虫，因此说明雌成虫对温度变化的耐受能力较强。详见表1。
2.2不同恒温温度梯度对褐飞虱不同虫态存活率的影响
不同温度梯度对褐飞虱不同虫态的存活率影响试验结果表明，在接虫3～6 h内，各虫态在不同温度下的存活率变化基本不大，接虫6 h后，不同虫态在高温下的存活率差异才渐渐趋于明显（P<0.05）。长翅型雄成虫在36℃以上高温时，于接虫12 h后存活率下降很快，在39℃高温下，接虫48 h后存活率降至0。在39℃高温时，其他各虫态存活率亦有明显下降，但48 h后的存活率基本保持在30%～50%间。详见图1～6。
恒温试验结果亦说明，长翅型雄成虫在39℃高温下存活率明显低于其他各虫态，对高温的耐受能力明显差于其他各虫态。
3结论与讨论
本研究首次通过持续动态升温与恒温相结合的方法研究和比较了褐飞虱不同虫态的耐热性。综上结果表明，褐飞虱长翅型雄成虫的耐热性明显较差，雌成虫特别是短翅型雌成虫对温度变化的适应能力较强。由于长翅型成虫适合远距离迁飞，而短翅型成虫属居留型，繁殖力较强，因此可设想，耐热性的差异是否与此有关？因为长翅型成虫能够通过迁飞来躲避高温，而雌成虫特别是短翅型雌成虫由于担负着种群繁殖的责任，从而表现出较强的耐热性。具体原因尚需进一步的遗传学与分子生物学方面的研究。
前人的研究[910]表明，昆虫对温度胁迫的反应与虫体内热激蛋白的表达密切相关。褐飞虱长翅型成虫的耐热能力要高于短翅型成虫，气温高有利于长翅型成虫的形成。但本研究在动态升温结合恒温条件下的结果表明，褐飞虱长翅型雄成虫对温度变化的适应耐受能力较差，且短翅型成虫的耐受能力强于长翅型，成虫的耐热性亦强于若虫。由此说明，受某种刺激后，褐飞虱不同虫态体内热激蛋白的表达呈现不同程度的变化，从而反映出虫体对温度的耐受能力有差异。引起热激蛋白差异表达的机制还有待日后进行相关热激蛋白的分子机理研究。有研究[11]表明，一种应激因子能增强昆虫对其他应激因子的耐受能力，即对昆虫的适度低温锻炼有助于其耐热性提高，存在交叉保护效应。但本研究中，经短时冷刺激后，长翅型雄成虫对温度的耐受能力仍较差。因此对于褐飞虱雄成虫而言，不一定存在上述交叉保护效应。总之诸多差异还需进一步的研究探讨。
另外关于全球气候变暖对昆虫的影响研究，人工模拟自然条件是关键所在，亦是难点。本研究首次采用持续动态升温装置研究比较了褐飞虱不同虫态的耐热性，在某种程度上能解释气候变暖对褐飞虱生长发育的影响，具有生态学意义，但事实上，气候变暖不是简单的持续升温，其变化的无规则性增加了模拟的难度，而这些无规则性的变化又造成了对昆虫至关重要的影响。随着研究方法和研究手段的改进和创新，这些难题或将得到解决。
参考文献
[1]马巨法，唐健，胡国文，等. 稻褐飞虱成虫的翅二型现象[J].昆虫知识，1995，32（3）；174178.
[2]丁锦华，苏建亚. 面向21世纪课程教材：农业昆虫学（南方本）[M].北京：中国农业出版社，2002.
[3]Morimoto N， Imura O， Kiura T. Potential effects of global warming on the occurrence of Japanese pest insects[J]. Applied Entomology and Zoology， 1998， 33（1）：147155. [4]Musolin D L. Insects in a warmer world：ecological，physiological and lifehistory responses of true bugs （Heteroptera） to climate change [J]. Global Change Biology， 2007，13（8）：15651585.
[5]Yamamura K， Yokozawa M， Nishimori M， et al. How to analyze longterm insect population dynamics under climate change：50 years data of three insect pests in paddy fields [J]. Population Ecology， 2006， 48（1）：3148.
[6]Newman J A. Climate change and cereal aphids：the relative effects of increasing CO2 and temperature on aphid population dynamics [J]. Global Change Biology， 2004，10（1）：515.
[7 ] 常向前，馬春森，张舒，等. 小菜蛾的耐热性[J]. 应用生态学报，2012，23（3）：772778.
[8]Lutterschmidt W I， Hutchison V H. The critical thermal maximum：Data to support the onset of spasms as the definitive end point [J]. Canadian Journal of Zoology， 1997，75：15531560.
[9]冯从经，戴华国，武淑文. 高温对褐飞虱体内保幼激素酯酶活性的影响[J]. 南京农业大学学报， 2000， 23（2）：114115.
[10]冯从经，戴华国，武淑文. 褐飞虱高温条件下应激反应及体内保护酶系活性的研究[J]. 应用生态学报，2001，12（3）：409413.
[11]Sejerkilde M， Soensen J G， Loeschcke V. Effect of cold and heat hardening on thermal resistance in Drosophila melanogaster [J]. Journal of Insect Physiology，2003，49（8）：719726.
（责任编辑：田喆）
温度是昆虫生长发育的重要影响因子之一。本研究以室内25℃、L∥D=16 h∥8 h、80%RH条件下终年饲养的褐飞虱1日龄初孵若虫、10日龄高龄（4～5龄）若虫、羽化1日龄短翅型和长翅型雌雄成虫为研究对象，采用持续升温和恒温相结合的方法，研究比较了褐飞虱各虫态耐热性。研究结果表明：长翅雄成虫对温度变化的适应能力较弱，耐热性差；短翅型雌成虫耐热性强；成虫的耐热性强于若虫。开展对昆虫的耐热性研究可为害虫的预测预报和防治提供重要的理论依据。
关键词
褐飞虱；临界高温（CTMax，℃）；耐热性
中图分类号：
Q 968.1
文献标识码：A
DOI：10.3969/j.issn.05291542.2016.03.008
Abstract
Temperature is one of the most important factors affecting the growth and development of insects. In this study， the thermal tolerance of the brown planthoppers （BPHs） was compared under continuous heating and constant temperature， by using several forms of BPHs， including male or female brachypterous and macropterous adults of 1 day after eclosion， 1 and 10 dold nymphs， which were all reared for a long time under the conditions of 25℃，L∥D=16 h∥8 h and 80% relative humidity. The results showed that BPH adults had stronger thermal tolerance than nymphs， and female brachypterous adults had stronger adaptability to temperature change than male macropterous adults. This study on insect thermal tolerance may be helpful to prediction and control of pests.
Key words
Nilaparvata lugens；critical thermal maximum；thermal tolerance
褐飞虱[Nilaparvata lugens （Stl）]目前是我国及东南亚国家水稻生产上的重要害虫，具远距离迁飞习性，成虫有明顯的翅二型（wing dimorphism）现象[1]，分为长、短翅型，长翅型适于迁飞扩散，短翅型属居留型，繁殖能力较强。褐飞虱成、若虫以口器刺吸水稻茎基部维管束组织，消耗稻株营养和水分，从而引起稻株枯萎，造成“穿顶”或“虱烧”等田间症状，导致水稻严重减产，甚至颗粒无收，为害损失十分巨大[2]。
温度是昆虫生长发育的重要影响因素之一[3]。适宜的温度是昆虫正常生长发育的必要条件，过高温度或过低温度胁迫均对昆虫的生长发育等造成不利影响。目前，高温和低温胁迫研究多是在恒温条件下进行的，对于短时温度刺激或持续动态升温等对昆虫的影响方面研究较少。另外，全球气候变化是广为关注的问题，昆虫对气候异常变化的适应性研究亦成为当前热点[46]。为了更好地掌握气候变暖对褐飞虱生长发育规律、地理分布、种群动态等方面的影响，本文采用持续动态升温和恒温相结合的方法，进行了褐飞虱不同虫态的耐热性比较研究，以期为气候异常条件下褐飞虱的预测预报和科学合理防治提供理论依据。
1材料与方法
1.1供试昆虫
供试昆虫为室内25℃、L∥D=16 h∥8 h、80% RH条件下，于水稻品种‘TN1’上饲养的褐飞虱种群。连续饲养40代以上。
1.2持续动态升温加热装置
采用常向前等[7]改进的加热试验仪器，整个容器长31 cm，宽24 cm，高12 cm，浴池长22.7 cm，宽10 cm，高5.5 cm，该加热装置的升温速率可在0.1～99℃/min内调节。
1.3临界高温的定义
在对昆虫耐热性研究中，Lutterschmidt 和Hutchison[8]首次研究了昆虫受热达到临界高温时的标志行为，进而定义了临界高温（critical thermal maximum， CTMax，℃），即在持续动态升温过程中，致使昆虫达到痉挛或不能活动时的温度。本研究中，以毛笔轻触褐飞虱成、若虫，若虫体不能自由移动，仅可见足部的轻微活动，即判断为痉挛（据预备试验，通常试虫在达到痉挛后约数秒才死亡，如虫体腹部朝上，足部亦停止轻微活动）。
1.4褐飞虱不同虫态的CTMax（℃）测定
选取褐飞虱室内25℃饲养种群1日龄长短翅型雌雄成虫、1日龄若虫和10日龄（4～5龄）若虫为试验对象。分别设定了短时热激（35℃，1 h）、短时冷激（15℃，1 h）以及无冷热刺激等3种测定前的温度处理。然后用加热试验仪器进行持续动态升温，分批测定各虫态各处理单头褐飞虱的CTMax。参照常向前等[7]的方法，结合武汉当地实际情况，并根据预备试验，本研究中均选择设定升温速度为0.25℃/min，升温起点温度为25℃。每虫态每处理共测定60头，分别测定和记录各头试虫的CTMax。 1.5恒温条件下，不同高温对褐飞虱不同虫态的存活影响
选取褐飞虱室内25℃饲养种群1日龄长、短翅型雌雄成虫、1日龄若虫和10日龄（约4～5龄）若虫为试验对象。于HP300GSC型人工智能气候箱中，采用试管内置稻苗饲养方法，设定30、33、36、39℃共4个恒温温度梯度，比较接虫后3、6、12、24和48 h不同虫态的存活率。每处理虫数为60头。
1.6数据处理与分析
采用DPS v7.05版对试验数据进行单因素方差分析和Duncan氏新复极差多重比较，比较处理间差异显著性。
2结果与分析
2.1持续动态升温下，褐飞虱不同虫态临界高温（CTMax，℃）的比较
对事前未经冷热刺激处理的褐飞虱25℃饲养种群的测定结果表明，褐飞虱1日龄初孵若虫的平均CTMax最低，仅为42.83℃，长翅雄成虫的平均CTMax最高，达到47.32℃，10日龄高龄若虫、长翅雌成虫、短翅雌成虫、短翅雄成虫的平均CTMax分别为43.59、44.42、44.58℃和44.88℃。由此说明，事先未经刺激处理情况下，褐飞虱成虫的CTMax显著地高于若虫的，长翅雄成虫的CTMax显著高于其他虫态（P<0.05）。
短时热激处理（35℃，1 h）后，褐飞虱各虫态的CTMax均有变化。1日龄初孵若虫、10日龄高龄若虫、短翅雌成虫、短翅雄成虫、长翅雌成虫和长翅雄成虫的平均CTMax分别为4227、4333、4589、4536、4419、4293℃。其中，长翅雄成虫的平均CTMax下降幅度很大，而短翅成虫的平均CTMax则有所上升，说明适度热刺激有利于短翅型成虫对高温变化的适应能力提高。比较长翅型雌雄成虫的CTMax，雌成虫高于雄成虫（P<0.05），说明长翅雄成虫的耐热能力差于雌成虫。
短时冷激处理（15℃，1 h）后，褐飞虱各虫态的平均CTMax亦有所变化。1日龄、10日龄若虫、短翅雌成虫、短翅雄成虫、长翅雌成虫和长翅雄成虫的平均CTMax分别为4272、4265、4470、4309、4292、4208℃。可見，短时冷刺激后，褐飞虱长翅型雄成虫的平均CTMax下降幅度仍为最大，长翅型雄成虫对冷刺激反应敏感，耐受力较差。各虫态中，短翅型雌成虫的平均CTMax最高，高于其他各种虫态（P<0.05），且长翅雌成虫的平均CTMax亦高于长翅雄成虫，因此说明雌成虫对温度变化的耐受能力较强。详见表1。
2.2不同恒温温度梯度对褐飞虱不同虫态存活率的影响
不同温度梯度对褐飞虱不同虫态的存活率影响试验结果表明，在接虫3～6 h内，各虫态在不同温度下的存活率变化基本不大，接虫6 h后，不同虫态在高温下的存活率差异才渐渐趋于明显（P<0.05）。长翅型雄成虫在36℃以上高温时，于接虫12 h后存活率下降很快，在39℃高温下，接虫48 h后存活率降至0。在39℃高温时，其他各虫态存活率亦有明显下降，但48 h后的存活率基本保持在30%～50%间。详见图1～6。
恒温试验结果亦说明，长翅型雄成虫在39℃高温下存活率明显低于其他各虫态，对高温的耐受能力明显差于其他各虫态。
3结论与讨论
本研究首次通过持续动态升温与恒温相结合的方法研究和比较了褐飞虱不同虫态的耐热性。综上结果表明，褐飞虱长翅型雄成虫的耐热性明显较差，雌成虫特别是短翅型雌成虫对温度变化的适应能力较强。由于长翅型成虫适合远距离迁飞，而短翅型成虫属居留型，繁殖力较强，因此可设想，耐热性的差异是否与此有关？因为长翅型成虫能够通过迁飞来躲避高温，而雌成虫特别是短翅型雌成虫由于担负着种群繁殖的责任，从而表现出较强的耐热性。具体原因尚需进一步的遗传学与分子生物学方面的研究。
前人的研究[910]表明，昆虫对温度胁迫的反应与虫体内热激蛋白的表达密切相关。褐飞虱长翅型成虫的耐热能力要高于短翅型成虫，气温高有利于长翅型成虫的形成。但本研究在动态升温结合恒温条件下的结果表明，褐飞虱长翅型雄成虫对温度变化的适应耐受能力较差，且短翅型成虫的耐受能力强于长翅型，成虫的耐热性亦强于若虫。由此说明，受某种刺激后，褐飞虱不同虫态体内热激蛋白的表达呈现不同程度的变化，从而反映出虫体对温度的耐受能力有差异。引起热激蛋白差异表达的机制还有待日后进行相关热激蛋白的分子机理研究。有研究[11]表明，一种应激因子能增强昆虫对其他应激因子的耐受能力，即对昆虫的适度低温锻炼有助于其耐热性提高，存在交叉保护效应。但本研究中，经短时冷刺激后，长翅型雄成虫对温度的耐受能力仍较差。因此对于褐飞虱雄成虫而言，不一定存在上述交叉保护效应。总之诸多差异还需进一步的研究探讨。
另外关于全球气候变暖对昆虫的影响研究，人工模拟自然条件是关键所在，亦是难点。本研究首次采用持续动态升温装置研究比较了褐飞虱不同虫态的耐热性，在某种程度上能解释气候变暖对褐飞虱生长发育的影响，具有生态学意义，但事实上，气候变暖不是简单的持续升温，其变化的无规则性增加了模拟的难度，而这些无规则性的变化又造成了对昆虫至关重要的影响。随着研究方法和研究手段的改进和创新，这些难题或将得到解决。
参考文献
[1]马巨法，唐健，胡国文，等. 稻褐飞虱成虫的翅二型现象[J].昆虫知识，1995，32（3）；174178.
[2]丁锦华，苏建亚. 面向21世纪课程教材：农业昆虫学（南方本）[M].北京：中国农业出版社，2002.
[3]Morimoto N， Imura O， Kiura T. Potential effects of global warming on the occurrence of Japanese pest insects[J]. Applied Entomology and Zoology， 1998， 33（1）：147155. [4]Musolin D L. Insects in a warmer world：ecological，physiological and lifehistory responses of true bugs （Heteroptera） to climate change [J]. Global Change Biology， 2007，13（8）：15651585.
[5]Yamamura K， Yokozawa M， Nishimori M， et al. How to analyze longterm insect population dynamics under climate change：50 years data of three insect pests in paddy fields [J]. Population Ecology， 2006， 48（1）：3148.
[6]Newman J A. Climate change and cereal aphids：the relative effects of increasing CO2 and temperature on aphid population dynamics [J]. Global Change Biology， 2004，10（1）：515.
[7 ] 常向前，馬春森，张舒，等. 小菜蛾的耐热性[J]. 应用生态学报，2012，23（3）：772778.
[8]Lutterschmidt W I， Hutchison V H. The critical thermal maximum：Data to support the onset of spasms as the definitive end point [J]. Canadian Journal of Zoology， 1997，75：15531560.
[9]冯从经，戴华国，武淑文. 高温对褐飞虱体内保幼激素酯酶活性的影响[J]. 南京农业大学学报， 2000， 23（2）：114115.
[10]冯从经，戴华国，武淑文. 褐飞虱高温条件下应激反应及体内保护酶系活性的研究[J]. 应用生态学报，2001，12（3）：409413.
[11]Sejerkilde M， Soensen J G， Loeschcke V. Effect of cold and heat hardening on thermal resistance in Drosophila melanogaster [J]. Journal of Insect Physiology，2003，49（8）：719726.
（责任编辑：田喆）