昆虫过冷却点的影响因素概述.docx

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昆虫过冷却点的影响因素概述

昆虫过冷却点的影响因素概述

作者：

张瑞　马纪

来源：

《天津农业科学》2013年第11期

        摘要：

昆虫体液可以耐受0℃以下的低温仍不结冰，这种现象称为“过冷却”。

当外界温度继续下降到一定温度时，虫体开始结冰，此时的虫体温度即为过冷却点。

过冷却点可被用来代表昆虫的耐寒性，因此在昆虫耐寒性研究中常常需要测定过冷却点。

有多种因素影响过冷却点，笔者从环境因素与食物、昆虫发育阶段与生物学状态、含水量与生化物质以及冰核物质4个方面综述了昆虫过冷却点的影响因素，这些影响因素相互关联共同发挥作用。

研究昆虫的过冷却点对于认识其抗冻耐寒特性与机理、保护益虫、防治害虫都具有重要的意义。

        关键词：

过冷却点；环境因素；发育阶段；生化物质；抗冻蛋白

        中图分类号：

Q965文献标识码：

ADOI编码：

10.3969/j.issn.1006-6500.2013.11.021

        昆虫是变温生物，能否安全过冬直接决定了昆虫的生存和种群的延续，因此寒冷地区的昆虫都成功地演化出一整套安全过冬的机制。

进入过冷却状态是北半球温带和寒温带地区昆虫所采取的主要过冬策略。

昆虫的体液在低于冰点温度时，仍能保持液体状态的现象即为昆虫的过冷却现象。

使昆虫体液保持液态的最低温度，称为昆虫的过冷却点（supercoolingpoint，SCP）。

Bachmetjew最早开始了对昆虫过冷却现象的研究，为昆虫在低温环境下的适应能力，以及许多有关实践问题的研究开辟了广阔的领域[1]。

        一般来说，根据昆虫能否在体液结冰条件下存活，可将昆虫的耐寒性划分为两种类型。

（1）耐结冰型：

昆虫能耐受细胞外液的结冰而不死亡，此类昆虫的过冷却能力较差，过冷却点较高。

大多数耐结冰的昆虫，在低温下能主动形成冰核，使细胞外液在较高的亚致死温度下结冰，而阻止细胞内液结冰，避免使细胞受到更严重的损伤；

（2）避结冰型或结冰敏感：

此类昆虫对体内形成的冰晶较为敏感，形成冰晶可对虫体造成致命伤害。

因而，这些昆虫必须最大限度地增强其过冷却能力[2]，降低过冷却点，以避免机体结冰。

北半球温带及寒温带地区的昆虫绝大多数属于上述的避结冰型，过冷却点是其能存活的最低温度。

因此，过冷却点是描述昆虫耐寒性的主要指标之一。

        昆虫对低温回应的体温变化过程如图1所示[3]。

虽然在有些昆虫种类中，其大量死亡出现在过冷却点以上的亚致死温度，过冷却点不能作为它们存活的低温下限[4]，但其过冷却能力在昆虫耐寒性强弱中所起的作用不可否认。

而且通过测定恒定低温下昆虫的存活能力及过冷却能力来研究昆虫耐寒性已取得了很大进展[5]。

昆虫过冷却点在个体之间和群体之间都有很大的变化，受环境、自身发育、机体代谢状态等很多因素影响，这些因素进而也影响昆虫的耐寒性，笔者对影响昆虫过冷却点的影响因素进行了分析和总结。

        1环境因素与食物

        1.1季节变化

        昆虫的抗寒能力呈现出季节性的变化趋势，即随着冬季低温的到来，其抗寒能力逐渐增强，冬季过后又随气温的回升，其抗寒力逐渐减弱。

一般情况下，昆虫的过冷却点也具有明显的季节性变化（表1）。

例如，红褐斑腿蝗（CatantopspinguisStal）成虫的夏季SCP为-4.0℃，冬季为-19.3℃[6]。

从表1中可以看出，红火蚁（SolenopsisinvictaBuren）[7]工蚁成虫夏季与冬季之间的过冷却点变化幅度最小，是5.5℃。

此外，蛛形纲的甲螨（Phauloppiap）[8]夏季与冬季之间的过冷却点的变化幅度比昆虫要大很多，达到25.9℃。

由此可以看出季节变化对昆虫的过冷却点有较大的影响。

这可能是由于随着季节性气温变化，昆虫体内产生一些抗冻保护物质，从而使其过冷却点发生适应性的变化[9]。

        有些昆虫的过冷却点值波动较大，每个季节既有最高值又有最低值。

同时，这两部分的比例随着季节性气温的变化有明显的差异。

气温较低的月份，较低SCP的比例增加，而且最小过冷却点的值也更低；反之，较高SCP的比例增加，过冷却点最高值也升高[10-11]。

一种昆虫的SCP为何会产生如此大的差异，Sjursen等[8]的解释是，环境变化时一些个体能紧跟微环境的变化，而另外一些个体则需要较长时间的驯化。

        1.2地理位置

        低纬度地区昆虫的过冷却点高于高纬度地区昆虫的过冷却点（表2）。

例如，从玉米上[14]采集的棉铃虫通州种群（低纬度）的过冷却点极显著高于饶阳种群（高纬度）。

麦红吸浆虫（Sitodiplosismosellana）[15]河南辉县（N35°27'）种群和天津（N39°07'）种群的过冷却点差异为6.88℃；二化螟（Chilosuppressalis）[16]福建福州（N26°8'）种群和北京（N39°38'）地区种群的过冷却点差异只有0.23℃。

总体来看，不同维度地区同种昆虫的过冷却点差异不是很大，这可能是由于因为食物源的不同或者是生境压力的差异[17-18]。

        在南方地区种群中，昆虫过冷却点的个体变异较小，中部和北方地区个体间的变异都明显增加，即靠北的种群个体变异相对较大，接受自然选择的范围扩大。

而南方种群通常处于稳定而温暖的气候条件下，缺乏提高过冷却能力的进化压力。

由此可见，昆虫过冷却能力和耐寒性的提高有其生理基础和进化上的意义[19]。

        1.3冷驯化

        昆虫在经历一个胁迫温度之上较温和的低温后，能够增强其抵抗低温伤害能力的现象称为冷驯化[22]。

这一过程可能是昆虫应对不良环境的进化适应现象。

在早春或晚秋气温急剧波动的情况下，许多昆虫可以通过快速冷驯化反应迅速提高它们的耐寒能力，来抵御自然界这种昼夜温度的变化或短时间的低温暴露。

昆虫经冷驯化后过冷却点降低。

越北腹露蝗滞育卵[9]在5℃适应30d后，平均过冷却点从-20.1℃显著降低到-25.9℃。

草地螟（LoxostegesticticalisLinne）[23]幼虫经4℃处理1d的非滞育幼虫冰点为-2.28℃，而处理25d则降低到-4.76℃，过冷却点可从-13.97℃降低到-21.47℃；经4℃处理25，35d的滞育幼虫，其过冷却点分别为-25.82℃和-26.79℃，冰点分别为-5.59℃和-9.13℃。

在低温驯化过程中，昆虫可在体内聚集低分子量的多元醇或大分子的抗冻蛋白，这些物质能很好地维持昆虫的过冷却状态[24]。

        1.4降温速率

        在测定过冷却的过程中发现，降温速率影响昆虫的过冷却点。

冷却速度越小则过冷却点就越低。

在自然界中，昆虫对低温的感受都是一个逐渐的过程，因此，在实验室测定昆虫的过冷却点时有必要考虑以较慢的冷却速率来降温[25]。

在0.1～15.0℃·min-1降温速率范围内测定白蛾周氏啮小蜂（ChouioiacuneaYang）和黄粉甲（Tenebriomolitor）老熟幼虫的SCP和FP结果表明，白蛾周氏啮小蜂的SCP和FP与降温速率具有一定的线性关系，而黄粉甲老熟幼虫的SCP和FP与降温速率间的变化不规律，但在这个降温速率范围内随着降温速率的增加，2种试虫的SCP都有缓慢升高的趋势[26]。

昆虫的过冷却点在不同的冷却速率内其测定值常不一致，原因可能与环境、营养、发育阶段和虫体结构的不同有关。

        1.5食物

        昆虫取食的食物不同，对过冷却点也有影响。

在不同寄主中发育的桔小食蝇（BactroceradorsalisHendel）SCP值存在显著差异，其中以取食浦桃者最高，为-11.03℃，取食苦瓜者最低，为-13.17℃[27]。

为害黑松和乌尾松的松突圆蚧（Hemiberlesiapitysophila）雌成虫的过冷却点，显著高于为害湿地松和火炬松的松突圆蚧的过冷却点，二者间过冷却点的温差为0.9～2.3℃[28]。

棉铃虫（Helicoverpaarmigera）幼虫取食棉花时产生的滞育蛹的过冷却点，低于取食玉米的滞育蛹的过冷却点。

而且采自棉花的棉铃虫个体间过冷却点比较稳定，而采自玉米的个体间变化较大[14]。

由于寄主的营养直接作用于昆虫体内抗寒性物质的积累和与低温耐寒能力等有关的生理代谢过程，因此不同寄主对昆虫过冷却点的影响，可能是由于寄主的营养成分和含量的不同所造成的。

        2昆虫发育阶段与生物学状态

        大量研究表明，处于不同发育阶段和不同生物学状态的昆虫其耐寒能力和过冷却点都有较大的不同。

由于昆虫是完全变态的，体内不同发育阶段所合成的物质组成有很大区别，比如幼虫期主要物质为蛋白质、矿物质元素，并且含水量较高；而成虫期主要为脂肪类、灰分，含水量较幼虫期低[29]。

        2.1发育阶段

        一般而言，随着幼虫虫龄的增加，过冷却点逐渐降低（表3）。

相邻龄期幼虫的过冷却点均未呈现出显著性差异，但低龄幼虫和高龄幼虫间存在显著性差异[30]。

例如光滑鳖甲（Anatolicapolitaborealis）[31]1龄幼虫的SCP最高（-9.50℃），6龄最低（-15.7℃）。

随着虫龄增加，SCP逐渐降低，表明耐寒性逐渐增强。

但也有一些昆虫的幼虫随着虫龄的增加，过冷却点逐渐升高（表3）。

例如，甜菜夜蛾（SpodopteraexiguaHübner）[32]1龄幼虫的SCP最低（-15.96℃），5龄的最高（-8.65℃）。

这可能是由于昆虫过冷却能力与其体质量成反比，昆虫越小越容易进入过冷却状态，较大昆虫的过冷却能力通常更为有限[2]。

        2.2雌雄成虫

        有些昆虫的雌虫的过冷却点较雄虫的过冷却点低，但是差异不显著（表4）。

例如龙眼长跗萤叶甲（Monoleptaoccifuvis）成虫[39]的雌虫体过冷却点为-13.38～-5.56℃，平均-10.75℃；雄虫体过冷却点为-11.22～-5.56℃，平均-8.88℃；雌虫的耐寒性强于雄虫。

中华通草蛉（Chrysoperlasinica）第4代成虫（越冬代）中[40]，雌虫的SCP是-13.29℃，雄虫是-12.84℃，雌虫的抗寒能力极显著高于雄虫。

表4中10种昆虫雌虫和雄虫的SCP差异在0.14～1.87℃。

呈此现象的主要原因是，昆虫在越冬以后随着春季光照时数的增加其自身滞育开始解除，雌雄开始交配，雌虫进行大量取食并产卵，体内脂肪含量增加，其抗寒力较强；但雄成虫由于其自身的使命就是和雌虫交配，故其体内生理生化的变化不及雌虫，其抗寒力较弱[40]。

        2.3滞育

        昆虫滞育是指昆虫事先感受到不利环境变化的某种信号（如光周期、温度等），通过体内一系列生理、生化变化的编码过程，随后诱导的生长、发育、繁殖停滞的现象[47]，滞育亦是昆虫对不良环境适应的一种反应。

        昆虫的滞育虫体较非滞育虫体的平均过冷却点低（表5）。

例如，越北腹露蝗（FruhstorferiolatonkinensisWill.）滞育卵的SCP是-20.1℃，非滞育卵是-12.4℃[9]，差异较大（7.7℃）。

二化螟（ChilosuppressalisWalker）滞育幼虫SCP是-9.09℃，非滞育幼虫SCP是-8.28℃[16]，差异较小（0.81℃）。

滞育昆虫可能是在滞育期间积累了脂肪、渗透保护物质等抗寒物质来增强其抗寒能力[48]。

        2.4化性

        鲁新等[50]发现亚洲玉米螟（OstriniafurnacalisGuenee）一化性越冬代的过冷却点比二化性越冬代低4℃左右。

一化性种群苜蓿切叶蜂（MegachilerotundataF.）前蛹[51]的过冷却点低于二化性种群2.03℃，过冷却点间的差异随低温（5℃）时间的增加而减少，低温处理12个月后，两种类型种群的苜蓿切叶蜂前蛹过冷却点间的差异不明显（P

        3昆虫体内的含水量及抗冻保护物质

        上述环境因素与食物、昆虫的发育阶段与生物学状态等因素对昆虫过冷却点的影响最终都是通过昆虫体内含水量、抗冻保护物质的产生与变化来实现的。

        3.1体内含水量

        过冷却点和昆虫体内的总含水量呈正相关，总含水量高的虫体，其SCP也较高。

有些昆虫的总含水量基本不变，SCP与结合水含量呈负相关，与自由水含量呈正相关。

        甘薯天峨（AgriusconvolvuliL.）幼虫[52]和中华通草蛉（Chrysoperlasinica）成虫[40]体内含水量和SCP呈现出较好的正相关，体内含水量高的幼虫，其SCP较高。

桑螟（DiaphaniapyloalisWalker）越冬幼虫[53]和异色瓢虫（Harmoniaaxyridis）[11]体内含水量随气温下降逐渐减少，过冷却能力随体内水分的减少而增强，越冬后期随水分的增加而降低。

虫体总水含量下降造成血淋巴体积减小，导致无机盐类如K+、Na+和Mg2+含量增大，从而改变了离子平衡电势和跨膜电化学势[54]，提高了通过调节虫体细胞原生质黏性和加大渗透压，来降低虫体结冰的可能性[55]。

        光滑鳖甲（A.polita）成虫在不同季节的总含水量基本稳定。

准备越冬过程中，结合水含量升高，自由水含量降低。

结合水含量与SCP高度相关，表明光滑鳖甲通过提高结合水的比例降低SCP[31]。

将越冬期水稻二化螟（ChilosuppressalisWalker）幼虫游离水和结合水含量分别与SCP呈正、负相关，说明二化螟幼虫暴露于冬季低温时，通过减少游离水含量而增加结合水含量来降低体液SCP，提高自身过冷却能力[56]。

在越冬前将体内游离水排出或部分转化为结合水，以提高体液浓度确保体内较大又连续的水相可被一些组织或高浓度物质分隔，或诱导抗冻蛋白生成等来阻止虫体胞内结冰，从而避免胞内或其它重要部位遭冷害[57]。

        3.2脂肪

        昆虫虫体内总脂肪的含量与其SCP呈负相关，体内脂肪含量越高，其SCP越低[31，40，52]。

此外，游离脂肪和结合脂肪含量分别与过冷却点呈正、负相关。

        甘油含量与过冷却点呈负相关，甘油含量越高，SCP越低。

光滑鳖甲体内甘油浓度每增加1mg·mL-1，虫体的SCP降低0.62℃，表明该虫可通过启动体内甘油合成与代谢，来调控其耐寒性以应对低温胁迫[31]。

越冬期二化螟幼虫游离脂肪和结合脂肪含量分别与同期SCP呈正、负相关，说明该越冬幼虫可通过自发调节体内两种脂肪比例来增强其耐寒性[56]。

        3.3小分子碳水化合物

        过冷却点与昆虫体内碳水化合物的总量呈正相关。

碳水化合物含量越高，SCP越低。

总糖含量可作为昆虫耐寒性的一个指标[56]。

        昆虫血淋巴内的葡萄糖、海藻糖、山梨醇等小分子碳水化合物，可以有效保护虫体免于冰冻的损伤。

由于这些物质结冰时被浓缩，它们的存在可以将盐保持在溶液中，保证了体内正常代谢的进行。

多元醇的羟基能有效地与水结合，减少水分流动性，从而也减少参与结冰的水分。

多元醇类还可以通过调节胞外结冰所引的胞内脱水产生的渗透压变化而稳定蛋白质的结构，减少快速结冰造成的损伤，从而协同血淋巴高效晶核，维持昆虫的耐冻性[58]。

海藻糖能稳定膜的结构，从而抑制体内水分降低所引起的膜和凝胶的转相，海藻糖对膜结构的稳定效应大大强于双糖、单糖或多元醇[59]。

        3.4抗冻蛋白

        抗冻蛋白是具有热滞效应，能结合并抑制新的冰晶生长，能抑制冰的重结晶的一类蛋白质。

抗冻蛋白可降低溶液的冰点而不影响其熔点，由此产生抗冻蛋白特有的热滞活性（thermalhysteresisactivity，THA）。

热滞活性越大，抗冻能力越强[60]。

例如，光滑鳖甲的THA的季节性变化与虫体SCP的变化趋势一致，血淋巴的热滞活性每增加1℃，虫体的SCP降低5.26℃[31]。

此外，过冷却点和AFP代谢有时间上的对应性，例如昆虫Meracanthacontracta，在2月份当地气温最低时，体液过冷却点最低，AFP积累量也最大；随着气温回升，过冷却点也升高，AFP积累量减少[61]。

目前认为AFP合成的调节是气候因子（低温，短日照，低的相对湿度）正向作用于中枢神经系统，导致内分泌激素（AKH，JH等）增加，促使在脂肪体合成AFP[62]。

        根据氨基酸组成的差异，将AFP分成3种类型：

Ⅰ型，富丙氨酸；Ⅱ型，富半胱氨酸；Ⅲ型，不富丙氨酸也不富半胱氨酸[63]。

抗冻蛋白的功能除了能产生热滞效应外，还能改变冰晶的形态，能够结合并抑制新的冰晶生长，降低血浆的冰点；另外，它还能抑制冰的重结晶，防止小的冰晶凝聚成大的冰晶[64]。

Rubinsky等[65]还发现AFP能阻断Ca+、K+通道，维持细胞膜的稳定性，抑制冰晶对细胞膜的损伤。

AFP还可能与昆虫体内水分平衡有关，可增强细胞或体液的保水能力[66]。

相比于其他的抗冻保护物质，由于抗冻蛋白能非依数性降低昆虫体液的冰点[67]，因而认为抗冻蛋白在昆虫的抗冻过程中起着十分重要的作用。

        3.5氨基酸

        昆虫进入越冬期后丙氨酸、脯氨酸、丝氨酸等氨基酸含量增加，对比虫体和血淋巴内氨基酸含量可以看出，惟有丙氨酸含量均增加，可以认为丙氨酸为越冬幼虫的主要抗寒物质。

丙氨酸参与降低过冷却点的直接证据还没有，但是在极地海洋鱼的研究中发现，抗冻蛋白中60%的氨基酸残基是丙氨酸。

抗冻蛋白的主要作用是吸附潜在的晶核，而丙氨酸侧链的甲基起着疏水屏障的作用，阻止了水分子同晶核结合。

由此可见，游离丙氨酸可能参与屏蔽晶核的作用，从而降低冰点和过冷却点[68]。

        影响昆虫过冷却点的因素并不是单独作用的，而是相互关联，共同作用。

大多数昆虫都由几种抗寒物质组成一个系统，如欧桦小蠹（Scolytusratzeburgi）幼虫的甘油-山梨醇-葡萄糖-海藻糖系统[69]，桑尺蠖（Phthonandriaatrilineata）越冬幼虫的小分子糖-氨基酸-糖蛋白系统[70]，黄地老虎（Agrotissegetum）幼虫的小分子糖类-氨基酸-糖蛋白系统[71]。

昆虫利用多物质系统可以避免因某种物质过量积累而造成中毒，在寒冷适应过程中大量积累小分子抗寒物质，通过溶质效应降低体液的冰点和过冷却点，同时这些物质也非常容易通过代谢产生和去除[72]。

        4冰核物质

        在适当的低温下，体系内需存在起始结冰的冰核，才能诱导冰晶产生，此物质称为冰核剂。

相对于昆虫来说，冰核可以分为同源冰核和异源冰核。

当同源冰核含量很高时，虫体能保持较高的过冷却状态。

低温生物学研究表明，水分保持过冷却的能力与其中存在的冰核有关，当只有同源冰核时，过冷却可以保持-39℃[73]。

而异源冰核的含量越高，虫体的过冷却能力越低，容易在接近0℃以下温度结冰。

一些越冬昆虫之所以能在很低的温度下保持过冷却状态，与其体内缺乏异源冰核有很大的关系[74]。

异源冰核有生物冰核和肠道冰核两类。

        4.1生物冰核

        冰核细菌和冰核真菌能够显著升高避冻型昆虫的过冷却点。

通过冰核细菌饲喂昆虫或喷洒虫体，能使谷蠢（RhizoperthadominicaFabricius）体液的结冰温度提高10.5℃[75]，使棉铃虫的冰点提高6.65℃[76]，使光肩星天牛（AnoplophoraglabripennisMotschulsky）冰点提高7.1℃[77]，使印度谷螟（PlodiainterpunctellaHübner）的冰点提高13℃[78]，使二化螟的过冷却点提高14.4℃[79]。

        利用冰核真菌F9502（禾谷镰刀菌FusariumgraminearumSchwabe）接种棉铃虫，使棉铃虫蛹的冰点提高了10.9℃[80]，使赤拟谷盗的平均过冷却点提高了8.25℃[81]。

        4.2肠道冰核

        肠道冰核主要是指昆虫消化道内的食物颗粒、尘粒、部分植物蛋白质以及体内的含有蛋白质性质的冰核物质。

在低温时，冰核物质会诱发结冰，导致昆虫消化道或细胞膨胀破裂而死。

在冬季来临之前，避冻型昆虫可以通过排出肠道内的冰核物质使过冷却点降低，增加过冷却能力，降低虫体结冰的危险。

例如，非滞育的麻蝇在幼虫与蛹的过渡期，通过排出异源冰核，过冷却点从-11℃降至-23℃[82]。

避免冻型幼虫Ceruchuspiceus冬季通过清除肠腔内冰核物质，可使幼虫的SCP从夏天的-7℃降低到冬季的-20℃[83]。

        综上所述，影响昆虫过冷却点的因素很多，这些因素相互关联共同发挥作用。

季节变化、食物等环境因素影响昆虫的发育和生物学状态，而这些因素对过冷却点的影响最终都是通过昆虫体内甘油、氨基酸、抗冻蛋白等抗冻保护剂的产生与变化来实现的。

研究昆虫的过冷却点对于认识其抗寒特性与机理，进而保护农业益虫，防治农业害虫都有重要的意义。

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