不同强度与时间高压静电辐射处理对麦长管蚜生长发育与繁殖的影响.pdf 8页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn不同强度与时间高压静电辐射处理对麦长管蚜生长发育与繁殖的影响#高瑞，赵惠燕**5（西北农林科技大学植保学院，陕西杨凌712100）摘要：为了探究不同强度高压静电辐射不同时间处理对麦长管蚜SitobionavenaeFabriciusde生长发育和繁殖的影响。用不同强度（3kV/cm、4kV/cm、5kV/cm）和不同时间（20min、40min、60min）的高压静电处理小麦种子和出生24小时之内的1龄若蚜后，采用特定年龄10生命表的方法，统计电场胁迫后麦长管蚜的生命表种群参数、繁殖参数以及存活率和繁殖率的变化。结果表明（1）在同一辐射时间下麦长管蚜内禀增长率r，净增值率R0等生态学参数和繁殖力F，成虫寿命等繁殖参数均低于对照（P<0.05），且20min时，4kv受影响显著，而在40min和60min时，5kv受影响显著；（2）在同一电场强度下，麦长管蚜内禀增长率r，净增值率R0，繁殖力F，成虫寿命在电场强度为3kv/cm、4kV/cm时，最低值出现在20min，15而5kV/cm时，最低值出现在40min。（3）麦长管蚜种群存活繁殖曲线受到了电场强度和辐射时间的显著影响。结论：麦长管蚜的生长发育和繁殖同时受到电场强度和辐射时间的影响，且随着电场强度和处理时间的不同组合产生相应的辐射效应。创新点：通过同时控制电场强度和处理时间两个因素探究高压静电场对麦长管蚜的影响，探究高压静电场对麦长管蚜影响最为显著的最佳剂量，为麦蚜的物理防治奠定理论基础。20关键词：麦长管蚜；高压静电场；电场强度；辐射时间；生命表；生态学参数；繁殖参数中图分类号：S435.122.2EffectsofHighVoltageElectrostaticField(HVEF)radiationintensityanddurationonthegrowthand25fecundityofSitobionavenaeGaoRui,ZhaoHuiyan(CollegeofPlantProtection,NorthwestA&FUniversity,YanglingShaanxi,712100)Abstract:IThisstudyaimstoinvestigatetheeffectsofdifferentradiationintensityanddurationofHighVoltageElectrostaticField(HVEF)onthegrowthandfecundityofSitobionavenae(Fabricius).30FollowingdifferentHVEFtreatments(3kV/cm、4kV/cm、5kV/cmHVEFintensity,20min,40min,60minradiationdurationrespectively)onWheatseedsandS.avenaenymphsbornwithin24h.Thepopulationparameters,reproductiveparameters,survivalrateandreproductionrateofS.avenae(Fabricius)afterHVEFstresswerecalculatedbyusingthemethodofage-specificlifetable.Theresultsshowedthat:(1)Inthesameradiationduration,thepopulationparameterssuchastheintrinsicrateofincrease(r),the35netreproductiverate(R0)andthereproductiveparameterssuchasfecundityandadultlongevitywerealllowerthanthecontrol(P<0.05),and4kvwasaffectedat20min,Whileat40minand60min,5kvwassignificantlyaffected.(2)Inthesameradiationintensity,whentheelectricfieldintensitywas3kv/cmand4kV/cm,ther,R0,F,andadultlongevityofS.avenaewerelowestin20min,whilethe5kV/cmappearedin40min.(3)Thesurvivalandreproductioncurvesofthepopulationweresignificantly40affectedbytheHVEFintensityandtheradiationtime.ThegrowthandreproductionofS.avenaewerealsoaffectedbytheelectricfieldintensityandradiationduration,andtheradiationeffectwasrelatedtotheelectricfieldintensityandtreatmenttime.Inthisstudy,theeffectsofHVEFonS.avenaewasexploredbycontrollingtheelectricfieldintensityandtreatmenttimesimultaneously,whichlayatheoreticalfoundationforS.avenaecontroln)45Keywords:Sitobionavenae;HighVoltageElectrostaticField(HVEF);radiationintensity;duration;lifetable;populationparameters;reproductiveparameters.3基金项目：高校博士点基金（20130204110004）;陕西省科技厅国际合作项目(2012)作者简介：高瑞（1990年4月出生），女，硕士研究生，主要研究方向：昆虫生态学通信联系人：赵惠燕（1955年6月出生），女，博士，教授，博导，主要研究方向：昆虫生态学.E-mail:zhaohy@nwsuaf.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn0引言地球是一个巨大的静电场，其表面的电场强度约为130V/m[1]。正常情况下，地球表面50的各种生物都已适应这种复杂的环境，但如果这种静电场发生变化，就会对生物体造成一定的影响[2]。由于自然界中带有电荷的云层，空间电荷等的存在，以及各种高压电线和电器设备的使用，使得稳定的电场环境遭到破坏并对环境造成污染，这种污染势必会对生物造成一定程度的影响[3-6]。目前研究结果表明，电场作用涉及酶活力的变化[7-8]，蛋白构造[,9-10]，RNA转录和DNA合成[11-13]等方面。电磁污染对生物的影响在医学方面较为常见，比如导致癌症55等疾病的产生[14-15]。对于植物，已有研究表明适宜的电场剂量（剂量=场强×作用时间）通过提高种子萌发过程中各种酶的活性[16]来提高种子的萌发率[17-18]，且种子萌发对体内营养物质的利用率也明显提高[19]。对于昆虫的研究报道包括王金福等对淡色库蚊进行卵期静电处理发现：在同一场强的不同处理时间下，短时间处理对其各种生物学特性的影响要小一些；在同一处理时间的不同场强下，低场强对某些主要生物学特性有促进作用．而高场强则会起60抑制作用[20]。David等研究发现不同种类和不同龄期的根结线虫会因不同的电场强度做出不同的反应[21]。Jackson等研究发现家蝇（MuscadomesticaL）的行走速度与电网屏蔽的电流积累紧密相关[22]。李利峰研究发现柑橘中的墨西哥果蝇卵和幼虫可以有效的被高压脉冲电场杀死[23]。对其他的研究包括陈丹等研究表明一定的电场剂量能够使大肠杆菌的蛋白酶活力活化或钝化[7]。上述前人研究多数只针对高压静电场对动物、植物或其他生物的某一方面，65但是同时对昆虫和寄主植物施以一定的电场剂量所产生的生物学效应却鲜见报道。麦长管蚜Sitobionavenae(Fabricius)是目前小麦生产中的重要农业害虫，是典型r对策者。它具有的孤雌生殖、生命周期短、繁殖快、世代重叠等生物学特性使得其能很快适应环境的变化。此外它不但可以通过直接刺吸小麦汁液来危害作物,还可传播病毒病(如大麦黄矮病毒BYDV),分泌蜜露遮盖叶片影响光合作用而引起作物进一步受害,造成作物减产[24-25]。尽70管本团队前期研究表明直接用0—6kV/cm高压静电场处理麦长管蚜4min，对蚜虫的发育和寿命存在不利影响[26]；直接用0—6kV/cm高压静电场处理小麦种子20min，电场对小麦和蚜虫的保护酶系均存在影响[27]；直接用0—6kV/cm高压静电场同时处理麦长管蚜和小麦种子20min，对蚜虫的生长发育也存在不利影响[28]。上述研究仅限于不同电场强度单一因素对蚜虫的作用，而通过控制同时控制时间与强度对蚜虫蚜还未见报道。为了探明不同强度的高75压静电在不同处理时间上对麦长管蚜的影响，本研究以麦长管蚜作为研究材料，在不同高压静电场和不同时间处理下，通过生命表的方法研究麦长管蚜受种群生态参数的变化，分析不同强度和不同时间高压静电处理对麦长管蚜生长发育和繁殖的影响，以期对高压静电场辐射下生物的适应性有更深层的了解，为高压静电控制蚜虫提供实验基础和理论依据。1材料与方法801.1供试材料小麦品种为矮抗58（西北农林科技大学农学院提供），挑选大小一致的籽粒种植在大小规格一致的塑料盆里，每盆种植30粒；栽培小麦用土为纯育苗基质（购自陕西杨陵农资市场），栽培环境为光周期16（L）:8（D），温度为20±1℃，相对湿度为70%±10%。麦苗长至二叶期时（14日龄）待用。85供试虫源来自陕西杨凌小麦试验田(34°16"N，108°4"E)的单头无翅麦长管蚜，并在西北-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn农林科技大学昆虫生态实验室人工气候箱内(光周期16（L）:8（D），温度为20±1℃，相对湿度为70%±10%)进行多代饲养而得到的麦长管蚜单克隆种群。1.2高压静电场处理高压静电发生器（BM201）购自无锡比蒙科技有限公司，其能够产生0-65kv连续电压，90处理终端是由两个长60cm，宽25cm的铝板构成，两者之间的距离是8cm（处理装置如图1）。本实验包括处理种子和麦长管蚜若蚜，处理强度分别为3kV/cm，4kV/cm，5kV/cm，处理时间分别为20min、40min、60min和对照（0kV/cm-0min）。小麦种子和1日龄初产若蚜分别在3kV/cm、4kV/cm、5kV/cm的电场条件下辐射20min、40min、60mimn，每个处理20头，每个处理重复3次，统计生命表数据。95平行电极板静电场。。。。。电源小麦种子，麦长管蚜若蚜100图1装置示意图Fig.1Schematicdiagramofthedevice1.3生命表研究放置一层沾湿滤纸于培养皿(直径60mm，NEST生物技术有限公司)中，挑取上述处理105过的新鲜小麦叶片于滤纸上，挑取经同样电场强度强度和时间辐射过的初产若蚜于小麦叶片上并在光周期16（L）：8（D），温度为20±1℃，相对湿度为70%±10%的养虫室内进行单头饲养。每天观察并记录蚜虫的蜕皮，产仔，存活和死亡情况。所得数据用于计算蚜虫的内禀增长率（r），净增值率（R0），平均世代周期（T），周限增长率（λ），计算公式如下：T=Σxlxmx/Σlxmx110R0=Σlxmxr=lnR0/Tλ=er其中lx表示特定时间存活率，mx表示特定时间繁殖力，x表示若蚜龄期1.4数据分析115采用两性生命表来分析将记录的麦长管蚜蜕皮、生长及产仔情况,生命表原始记录数据采用软件TWOSEX-MSChart2.0[29]进行分析，分析方法如Chi[30-31]所述。最后所得生命表数据采用SPSS16.0进行统计检验，SNK方法进行多重比较，各处理组间的显著性差异水平均为P＜0.05，用Sigmaplot12.5作图。2结果与分析-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1202.1不同强度与不同时间高压静电处理后麦长管蚜种群生命参数变化经不同强度与不同时间高压静电处理后麦长管蚜种群生命参数受到不同程度的影响，其种群内禀增长率内禀增长率rm，净增殖率Ｒ0，平均世代周期（T）和周限增长率（λ）如表1所示。对于同一时间不同处理强度，麦长管蚜种群内禀增长率在20min处理时间最低值出现在4kv/cm且与对照组相比有显著性差异（P<0.05），40min、60min处理时间的最低值出125现在5kv/cm且与对照组相比有显著性差异（P<0.05），对于同一处理强度不同处理时间,3kv/cm、4kv/cm处理强度下的最低值均出现在20min，而5kv/cm处理强度下的最低值出现在40min且都显著低于对照。表明：高压静电场抑制了麦长管蚜种群的生长发育和繁殖。蚜虫净增值率（R0）受不同时间和强度高压静电影响差异显著，对于同一时间不同处理其变化规律与r类似，对于同一强度不同辐射时间，3kv/cm、4kv/cm、5kv/cm各处理组130均低于对照且与对照组相比有显著性差异（P<0.05），4kv/cm最低值出现在20min，5kv/cm出现在40min。所有处理的平均世代周期相对于对照在一定程度上缩短但与对照相比并无显著性差异。蚜虫的周限增长率（λ）与内禀增长率rm的变化规律类似，说明不同剂量的高压静电场都会抑制麦长管蚜的种群增长。2.2不同强度高压静电处理后麦长管蚜不同世代种群繁殖的变化135从表2中可以看出麦长管蚜的繁殖受高压静电强度和世代影响差异显著，同一时间不同处理，产仔前总时间（TPOP）各处理与对照组之间均低于对照组且存在显著性差异（P<0.05）,而繁殖力的变化规律与净增值率R0类似，产仔天数对于同一时间不同强度，各处理均低于对照组，20min最低值出现在4kv，40min和60min出现在5kv；对于同一强度不同时间各处理的产仔天数，3kv各处理之间与对照组无显著性差异，4kv的最低值出现在20min，与140对照组存在显著性差异（P<0.05）；5kv的40min和60min与对照组存在显著性差异（P<0.05）。各处理组的成虫寿命均显著低于对照组。表1不同强度高压静电处理不同时间后麦长管蚜种群生态学参数比较Table1Comparisonsoflifetablepopulationparameters(mean±SE)ofSitobionavenaeunderdifferentintensity145ofHVEFradiationfordifferenttime辐射时间辐射强度内禀增长率（r）净增值率（R0）平均世代周期（T）Time（Min）Treatments(kV/cm)周限增长率（λ）1.298±0.0067aA000.2609±0.0051aA28.96±0.8274aA12.90±0.1656aA1.252±0.0086bcB30.2248±0.0069bcB16.61±0.6034bB12.51±0.2612aA1.234±0.0045cB2040.2102±0.0036cB13.18±0.5196cC12.26±0.0760aA1.266±0.0071bAB50.2360±0.0097bAB18.05±.1393bB12.27±0.2690aAB1.255±0.0187abB30.2271±0.0086abB16.32±0.2487bB12.33±0.4917aA1.250±0.0152abB4040.2232±0.0122abB15.57±1.045bB12.32±0.3872aA1.237±0.0144bB50.2129±0.0115bB12.07±1.202cC11.67±0.2218aB1.273±0.0069abAB30.2412±0.0054abAB17.79±0.7970bB11.93±0.0814bA1.273±0.0110abAB6040.2412±0.0087abAB18.81±0.8510bB12.18±0.2763bA1.250±0.0132bB50.2229±0.0106bB13.40±0.9249cC11.64±0.2472bB注：数据后大写字母表示在同一强度电场下不同时间处理的显著性差异，小写字母表示在同一时间下不同强度电场处理的显著性差异(Student-Newman-Keuls检验，P＜0．05，one-wayANOVA)。Differentlowercaselettersfollowingthedatainthelineindicatesignificantdifferenceamongdifferentradiationduration，-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnwhilecapitallettersfollowingthedataindicatesignificantdifferenceunderdifferentintensityofHVEF150(Student-Newman-Keulstest:P＜0．05，followingone-wayANOVA)．图1同一强度电场下不同时间处理后麦长管蚜内禀增长率r的变化图2同一强度电场下不同时间处理后麦长管蚜内禀增长率r的变化Fig1ChangesinrofSitobionavenaeexposedtothreeintensityofHVEFFig2ChangesinrofSitobionavenaeexposedtodifferentofHVEFradiationforradiationforsametime.sametime.柱上不同小写字母表示同一处理时间下不同电场强度处理间的显著性柱上不同大写字母表示同一电场强度下不同处理时间处理间的显著性差异差异(Student-Newman-Keuls检验，P＜0．05，one-wayANOVA)(Student-Newman-Keuls检验，P＜0．05，one-wayANOVA)DifferentlowercaselettersabovebarsindicatesignificantdifferenceamongDifferentcapitallettersabovebarsindicatesignificantdifferenceamongdifferent155differentradiationintensityforthesameradiationdurationradiationdurationforthesameradiationintensity(Student-Newman-Keulstest，(Student-Newman-Keulstest，P＜0．05，followingone-way)P＜0。05，followingone-way)ANOVA)表2不同强度高压静电处理不同时间后麦长管蚜种群繁殖的比较Table2Thefecundity(mean±SE)ofSitobionavenaeunderdifferentintensityofHVEFradiationfordifferenttime辐射时间产崽天数成虫寿命辐射强度产崽前总时间繁殖力Time（Ovi-days）（Adultlongevity）Treatments(kV/cm)（TPOP）（Fecundity）（Min）009.877±0.1436aA28.96±0.8285aA8.175±0.2548aA21.28±0.1159aA38.380±0.1441bB16.61±0.6038bB7.623±0.1362aA18,70±0.1541bB2048.672±0.2586bB13.18±0.5187cC6.040±0.1890bC16.81±0.0700cD58.129±0.1034bB18.05±0.1386bB7.487±0.1994aB18.74±0.1067bB38.347±0.2714bB16.32±0.2483bB7.219±0.4948aA18,09±0.2721bB4048.261±0.1832bB15.58±1.046bC7.048±0.2798aB17.97±0.0939bC58.359±0.1387bB12.07±1.202cC5.532±0.0793bC16.03±0.1359cD38.129±0.1296bB17.79±0.7950bB7.722±0.2546aA18.12±0.0994cB6048.210±0.0804bB18.81±0.8484bB7.947±0.0911aA18.79±0.2008bB58.541±0.1838bB13.40±0.9244cC5.442±0.1192bC16.66±0.0289dC160注：数据后小写字母表示在同一强度电场下不同时间处理的显著性差异，大写字母表示在同一时间下不同强度电场处理的显著性差异(Student-Newman-Keuls检验，P＜0．05，one-wayANOVA)。Differentcapitallettersfollowingthedatainthelineindicatesignificantdifferenceamongdifferentradiationduration，whiledifferentlowercaselettersfollowingthedataindicatesignificantdifferenceunderdifferentintensityofHVEF(Student-Newman-Keulstest:P＜0．05，followingone-wayANOVA)．1652.3高压静电场不同辐射条件下麦长管蚜种群存活繁殖曲线lx表示蚜虫从生到死的存活率，mx表示年龄性别繁殖力，因此lxmx可以看出不同电场处-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn理对种群的贡献能力，例如有些种群成虫期有很高的繁殖力，但是存活率低，那么它对种群的贡献就小，反之则贡献大，因此其存在依赖于蚜虫的存活率（赫娟毕业论文）。不同电场170强度（3kv,4kv,5kv）辐射不同时间（20min，40min，60min）对麦长管蚜繁殖力的影响如图2所示：同一时间不同电场强度处理下，当辐射时间为20min时，所有处理的繁殖力曲线面积均小于对照，且4kvcm强度下的电场辐射对蚜虫的抑制作用最为显著，当辐射时间为40min和60min时，所有处理的繁殖力曲线面积也均小于对照，而5kv强度下的电场辐射对蚜虫的抑制作用最为显著；同一电场强度不同处理时间下，3kv的各个处理之间繁殖力曲线175面积均小于对照，但各处理之间曲线变化趋势较为类似，4kv、5kv的各处理之间繁殖力曲线面积也均小于对照，而4kv-20min，5kv-40min相较于该强度下的其他处理对蚜虫产生的抑制作用更为明显。图3HVEF不同辐射条件下麦长管蚜特定年龄存活率、繁殖率以及生育率曲线180Fig3Age-specificsurvivalrate(lx)，age-specificfecundity(mx)，andage-specificmaternity(lxmx)ofSitobionavenaeunderdifferentintensityofHVEFradiationfordifferenttime-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnCK:对照Control(0kv/cm-0min);电场强度HVEFintensity(3kv/cm,4kv/cm,5kv/cm);辐射持续时间Ｒadiationduration(20min,40min,60min)3结论与讨论185本研究通过控制高压静电辐射强度和辐射时间两个因素，通过麦长管蚜特定年龄生命表中的种群参数、繁殖参数、繁殖力、存活率的变化来评估高压静电对麦长管蚜种群生长发育和繁殖的影响。实验结果表明，高压静电场强度和世代对麦长管蚜上述生物指标产生了显著影响。本研究所设的强度梯度较前人稍作修改，在20min时所得出的关键强度仍是4kv，印证190了前人的研究结果[29]。而辐射40min和60min时最低值出现在5kV/cm，短时间电场辐射中等强度的电场更不利于蚜虫的生长发育，但是随着辐射时间的延长，高强度的电场辐射似乎更不利于麦长管蚜的生长发育。辐射时间越长，高强度的电场对蚜虫产生的毒害效果越明显。在同一电场强度下，对麦蚜产生显著影响的处理时间也不一样，例如，当电场强度为3kv和4kv时，对麦蚜的内禀增长率（r）产生显著影响的是20min，而当电场强度为5kv时，195对麦蚜的内禀增长率（r）产生显著影响的却是40min，这可能是因为每个电场强度的时间阈值不同。而场强和时间的累积效应会使生物体内产生过量的超氧阴自由基，适量的超氧阴自由基具有代谢转化的作用，而过量则会破坏脂质及蛋白质，损伤核酸。所以想要对麦蚜产生毒害作用，当电场强度一定的情况下，需找到一定的处理时间，得到最佳的处理剂量，才能发挥出最佳的防治效果。200本研究中经不同强度和时间的高压静电场处理后麦长管蚜的繁殖力曲线差异显著，存活率下降点较对照提前，成虫存活天数也都小于对照，表明任何剂量的电场都会对蚜虫产生毒害作用。在20min时4kV/cm受影响最显著，与前人研究结果一致[28]，但是当辐射时间为40min和60min时5kV/cm受影响较为显著；而同一电场强度辐射不同时间，3kv各个处理之间繁殖率曲线变化趋势类似，而中高强度的各个电场处理之间却显示出差异性，例如2054kv-20min，5kv-40min较该强度下其他处理对蚜虫的繁殖力的影响更为明显，而当电场强度为3kv时，各处理虽与对照组有显著性差异，但各处理组之间的繁殖力曲线图趋势较为类似，所以在3kv的电场强度下，是否存在更为精确的处理时间有待进一步研究。经过电场辐射的麦长管蚜取食同样经过电场辐射的小麦，其净生殖率和内禀增长率都显著低于对照，而平均世代周期也没有得以延长来弥补增长率缩小所造成的损失，这说明麦长210管蚜的防御和修复机制并不能有效阻止双重胁迫所造成的伤害。因此本研究具有一定的实际应用价值。本研究中电场处理只是将麦蚜和种子处于一定的电场强度下处理一定的时间，但如果将麦蚜和种子处于不同的电场强度下处理一定的时间会产生什么样的效果有待进一步研究。本研究分析了麦长管蚜在受到高压静电场胁迫后其种群生命参数和繁殖参数的变化，，215但电场辐射的作用是否具有累积效应，对后代麦长管蚜的生长发育与繁殖会产生什么影响，蚜虫取食经电场辐射的小麦后对小麦生理生化的影响以及长期电场辐射下麦蚜的适应性还需要做多代的研究。至于电场辐射对麦长管蚜生理生化的影响，例如在不同强度和不同时间电场辐射下，蚜虫体内某些化学物质的变化情况，以及有关电场胁迫的分子机理、相关蛋白质合成的代谢通路以及相关核酸水平上的遗传变异有待进一步深入探索，从而更好地解释麦220蚜相关参数变化的根本原因，为麦蚜的防治奠定理论基础。-7- 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