螨類耐寒性及其機理研究進展

唐思瓊,梁馨亓,蘇 杰,張建萍

(石河子大學農學院,新疆綠洲農業病蟲害治理與植保資源利用重點實驗室,新疆石河子 832000)

在節肢動物中,螨類數量多,物種豐富,分布廣泛,于溫帶、熱帶、亞熱帶、甚至極地等地區均有分布(Luypaertetal., 2015; Amanietal., 2020; Brunettietal., 2021)。溫度是影響螨類生長發育、繁衍生存、分布范圍的重要因素,尤其是在溫帶和寒帶地區,冬季低溫條件是螨類生存的巨大挑戰。螨類本身具有一定的抗凍耐寒能力,并且可以感知環境溫度,通過一系列行為和生理對策(滯育、溫度適應)提高耐寒性,應對環境壓力(Ghazyetal., 2016)。通常根據螨類抗寒性的生理生化機制的不同將螨類分為兩種類型:結冰耐受型(Freeze tolerant)和避免結冰型(Freeze avoiding);結冰耐受型的螨類能忍受細胞外體液結冰而不死亡;避免結冰型的螨類,通過增強過冷卻能力,使自身的結冰溫度降低,溫帶和寒帶的螨類多為該類型(Sinclairetal., 2015; Andreadis and Athanassiou, 2017)。螨類的耐寒性是可塑的,并受到多種因素的影響,如溫度變化、季節更替、地理差異、食物營養、發育階段等(Worland and Lukes?ova, 2000; Hawesetal., 2007b; Izadietal., 2019; Keosentseetal., 2021)。耐寒性的研究對于揭示螨類的物種分布、種群波動、綜合控制和天敵的開發利用等具有重要意義。本文從螨類的耐寒性生物學特性、耐寒性影響因素和耐寒性機理這3個方面進行總結,以期對螨類耐寒性的研究提供參考。

1 螨類耐寒性評估生物學指標

1.1 過冷卻點

大多數昆蟲和螨類中都存在一種過冷卻現象,即環境溫度低于其體液冰點時,體液仍能保持液體狀態的現象(秦明等, 2017; Masoumietal., 2021)。過冷卻點則是指螨類和昆蟲體液開始結冰時的溫度(Whiteetal., 2018; Bleiker and Smith, 2019)。過冷卻點是螨類及昆蟲耐寒性研究的重要指標,不同螨類的過冷卻能力不盡相同,受生理狀態、體型大小、生活史階段和季節等因素的影響(Ghazyetal., 2016; 史彩華等, 2016)。目前螨類過冷卻點測定的原理是:將螨類放置于逐漸降溫的環境中,當螨類體液開始結冰,螨體會有放熱現象,放熱升溫,螨體溫度回升,溫度開始上升的起點即為過冷卻點。

目前螨類過冷卻點測定方法根據所用儀器不同分為兩種。一是使用熱電偶。將螨體固定在熱電偶上,熱電偶可以測量螨體的溫度,然后放入冰箱或者降溫儀器中,以一定的速率逐漸降溫,熱電偶另一端與計算機相連記錄螨體的溫度變化(Broufas and Koveos, 2001a)。二是使用差示掃描量熱儀(Differential scanning calorimeter,DSC)(Hartetal., 2002; Hatherlyetal., 2004),將螨放置于DSC專用的鋁皿中,封閉鋁皿,放入DSC中,DSC以一定的速率逐漸降溫,與DSC連接的計算機軟件會記錄鋁皿內的溫度變化。

1.2 致死溫度和致死時間

除了過冷卻點的檢測,另一個螨類耐寒性生物學評估指標是螨類在低溫下的存活狀態,通常將螨類置于不同溫度梯度下一定時間,或者置于某一溫度不同時間下,恢復正常溫度,24 h后檢測螨類的死亡率或者存活率,使用Probit模型分析螨類致死溫度(Lower lethal temperature)和致死時間(Lower lethal time)(Khodayarietal., 2012; Luypaertetal., 2015),致死溫度和致死時間的檢測更加明確了低溫對螨類種群的脅迫作用,可預測螨類在低溫下的存活情況。

2 螨類耐寒性影響因素

2.1 發育階段

處于不同發育階段的螨類,耐寒性有所差異。對螨類過冷卻點的檢測發現,大多數螨類的卵或者幼螨的過冷卻點低于成螨(表1),例如智利小植綏螨Phytoseiuluspersimilis(Athias-Henriot, 1957),胡瓜新小綏螨Neoseiuluscucumeris(Oudemans, 1930)和巨毛植綏螨Phytoseiulusmacropilis(Banks, 1904),推測原因是卵或者幼螨尚未取食,體內冰核物質較少(Morewood, 1992; Coombs and Bale, 2014)。然而,高山小盲綏螨Typhlodromipsmontdorensis(Schicha, 1979)成螨和幼螨的過冷卻點沒有明顯差異(Hatherlyetal., 2004)。過冷卻點并不是耐寒性高低評價的唯一標準,即使幼螨的過冷卻點低于成螨,但在低溫脅迫試驗中發現,成螨在低溫下的存活能力普遍高于幼螨(Ghazyetal., 2012; Ito and Chae, 2019)。

表1 不同發育階段螨類的過冷卻點Table 1 Supercooling point of mite at different developmental stages

此外,在南極阿拉斯加甲螨Alaskozetesantarcticus(Michael, 1903)發現了一種有趣的現象,無論環境溫度如何變化,野外采集和經過冷馴化(5℃)后的成螨在蛻皮狀態下都具有較低的過冷卻點(Hawesetal., 2007a)。在彈尾目昆蟲中發現了同樣的現象,推測可能是因為彈尾目昆蟲通過蛻皮蛻掉了體內冰核物質(Worlandetal., 2006; 史彩華等, 2016),但在螨類中尚未研究報道原因。

2.2 滯育

滯育是節肢動物應對不利環境的一種普遍對策(姜春艷等, 2021)。滯育在螨類越冬中發揮重要作用,顯著影響螨類對低溫的耐受能力(Bryonetal., 2017)。例如,二斑葉螨Tetranychusurticae(Koch, 1836)雌成螨進入滯育后,過冷卻點顯著降低,低溫致死率降低(Khodayarietal., 2012; Khodayarietal., 2013b; Whiteetal., 2018)。芬蘭真綏螨Euseiusfinlandicus(Oudemans, 1915)滯育雌成螨于-12℃暴露2 h后全部死亡,而非滯育雌成螨置于-11℃則全部死亡(Broufas and Koveos, 2001b)。

2.3 季節

季節變遷是影響螨類耐寒能力的因素之一。秋季,氣溫逐漸降低誘導節肢動物產生一系列生理適應過程提高它們的耐寒性(Jensenetal., 2019)。大量研究表明,螨類的耐寒性存在明顯的季節分化,通常越冬種群過冷卻點降低,可承受更低的溫度的脅迫(表2)(Sjursen and S?mme, 2000; Khodayarietal., 2013a; Ghazyetal., 2016)。梨盲走螨Typhlodromuspyri(Scheuten, 1857)的過冷點顯著受到季節的影響,在7-9月過冷卻點為-18.2℃,10月為-23.2℃,在較冷的11月至3月其過冷卻點下降至-28.2℃(Moreauetal., 2000)。蟻食菌螨Anoetusmyrmicarum(Scheucher, 1957)成螨冬季的過冷卻點低于夏季,相差17℃以上(Zhigulskaya and Berman, 2014)。南極阿拉斯加甲螨的耐寒性表現出明顯的季節變化規律,低過冷卻點個體的比例隨著溫度的降低而增加(Hawesetal., 2007a)。

表2 不同季節下螨類過冷卻點Table 2 Supercooling point of mite one the different season

2.4 冷馴化

昆蟲在經歷低溫鍛煉后,其抵抗低溫傷害的能力增強的現象稱為冷馴化(唐斌等, 2014)。根據冷馴化時間長短可將其分為兩種類型,一是長時間馴化,即昆蟲通過幾天甚至幾周的低溫鍛煉,從而獲得抗低溫能力;另一種是短時間馴化,也稱快速冷耐受(Rapid cold hardening, RCH),即昆蟲在低溫下經歷幾個小時甚至幾十分鐘的鍛煉,從而耐寒性提高(岳雷等, 2013; 沈祖樂等, 2017; 張小香等, 2021)。長時間馴化和快速冷耐受在螨類耐寒性研究中均有涉及,多關注于冷馴化對過冷卻點和低溫存活能力的影響。冷馴化的溫度和時間因螨種類而有所差異,通常螨類冷馴化溫度在0～15℃(Morewood, 1992; Deereetal., 2006; Khodayarietal., 2012; Jensenetal., 2017)。不同螨類對于冷馴化的生理響應機制不同,耐寒能力提升程度不同。但多數螨類經過冷馴化后或多或少其耐寒性有所提高。加州新小綏螨Neoseiuluscalifornicus(McGregor, 1954)在5℃馴化1 h后再置于-10℃暴露2 h,存活率相比對照提高了70%以上(Ghazy and Amano, 2014)。芬蘭鈍綏螨EuseiusfinlandicustOudemans雌成螨于5℃馴化1～2周后,過冷卻點無明顯變化,但在-15℃的低溫下其存活時間有所延長(Broufas and Koveos, 2001a, 2001b)。高山小盲綏螨成螨和幼螨于10℃馴化7 d后,過冷卻點雖沒有明顯的變化,但是相比于未馴化的雌成螨,馴化后的雌成螨可以耐受更低的溫度(Hatherlyetal., 2004)。二斑葉螨雌成螨和雄成螨同樣在10℃馴化7 d后,過冷卻點顯著降低(Whiteetal., 2018)(表3)。

表3 冷馴化對螨類過冷卻點的影響Table 3 The effect of cold acclimation on supercooling point of mite

2.5 其它因素

螨類耐寒性的可塑性還表現在對不同氣候條件的適應方面。不同的地理位置引起的氣候條件的差異也間接影響螨類耐熱性和耐寒性的變化,赤足地螨Halotydeusdestructor(Tucker, 1925)原是南非本地種,后入侵澳大利亞逐漸適應當地的氣候,成為澳大利亞主要的農業害蟲,研究發現澳大利亞赤足葉螨種群與南非種群的耐寒性有所差異,甚至在澳大利亞不同氣候地區的種群之間的耐寒性也有所變化(Hilletal., 2013)。食物對螨類耐寒性也具有一定影響,南極阿拉斯加甲螨取食含有冰核的藻類Prasiolacrispa(Lightfoot, 1837)后,有耐寒性降低的現象(Worland and Lukes?ova, 2000)。加州新小綏螨在低溫(7.5℃)貯藏前飼喂富含低溫保護劑、抗氧化物質以及能量物質的滯育二斑葉螨可以提高加州新小綏螨的貯藏效果,間接反映了食物對該捕食螨低溫耐受型提升的重要性(Ghazyetal., 2013)。

3 螨類耐寒性的生理生化和分子機制

螨類越冬存活或者耐寒性的提高,取決于體內的生理調節,特別是與滯育和冷馴化相關的調控機制,包括抗凍保護物質、能量儲備物質的積累和新陳代謝的改變,這些調節對于螨類耐寒性的提高具有重要作用(Morewood, 1992)(表4)。

表4 低溫脅迫后或越冬螨類低溫保護物質以及相關基因的變化Table 4 Changes in cryoprotective compounds and related genes of mites after cold stress or during the winter

3.1 抗凍保護物質和能量物質的積累

昆蟲和螨類抗凍耐寒的關鍵生理機制之一是一些小分子量低溫保護物質(Low molecular mass cryoprotective compounds,CPs)的積累,其種類和數量因物種而異,諸如甘油、葡萄糖、海藻糖,果糖等(陳豪等, 2010; Teets and Denlinger, 2014; Des Marteauxetal., 2019)。甘油是昆蟲和螨類中最常見的低溫保護物質,螨類的耐寒性與甘油的含量密切相關。已有研究發現甘油是南極阿拉斯加甲螨和拉氏革塞螨Gamasellusracovitzai(Trouessart, 1903)成螨和若螨中存在的主要低溫保護物質,表現出明顯的季節波動并在在冬季積累量顯著增加。異絨螨成螨在寒冷的冬季,血淋巴滲透壓和甘油濃度升高,含水量降低。Riddick and Wu(2010)研究發現為貯藏期的智利小植綏螨提供低溫保護劑物質如甘油、乙二醇或者碳水化合物葡萄糖、蔗糖等一定程度上可以增加捕食螨在低溫下的存活率,促進貯藏效果,間接體現了低溫保護物質對低溫下捕食螨的保護作用。

3.2 激活保護酶活性

在惡劣的環境下,例如低溫,極易誘導昆蟲或螨類細胞代謝的變化導致活性氧(Reactive oxygen species, ROS)的積累,引發生物細胞的嚴重損傷。昆蟲在低溫脅迫下為避免氧化應激,通常采用兩種策略,一是增加抗氧化酶活性(避免結冰型昆蟲),二是降低代謝從而減少活性氧的產生(結冰耐受型昆蟲)(Lubawyetal., 2022)。在螨類抗氧化能力研究中發現,低溫脅迫下螨類的抗氧化機制激活,通過增加抗氧化酶的活性,清除細胞內的活性氧、羥自由基及其他過氧化物,降低對細胞的損傷。例如腐食酪螨Tyrophagusputrescentiae和柑橘全爪螨Panonychuscitri(McGregor, 1916)在低溫下(0, 5, 10, 15℃)超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD)和谷胱甘肽-S-轉移酶(Glutathione-S-transferase, GST)活性增強;胡瓜新小綏螨在低溫暴露下SOD和過氧化物酶(Peroxidase, POX)活性增強(Zhangetal., 2014; 楊麗紅等, 2016; 王靜等, 2019)。低溫脅迫下抗氧化酶活性增強可能是螨類耐寒性增強的原因之一。

3.3 積累大分子蛋白物質

昆蟲和螨類的耐寒性與多種蛋白質密切相關。近年來,在多種生物體內發現了與耐寒性相關的蛋白質,如熱激蛋白(Heat shock proteins,Hsps),抗凍蛋白(Antifreeze Proteins,Afps),水通道蛋白(Aquaporins,Aqps)等(Enriquez and Colinet, 2019; Teetsetal., 2019)。

抗凍蛋白是一類吸附在冰核表面,降低體液冰點和過冷卻點,抑制冰核增長的冰結合蛋白,具有熱滯活性可成為熱滯蛋白(Clark and Worland, 2008)。大多數產生抗凍蛋白的節肢動物為避免結冰型(Dumanetal., 2004)。Block and Duman(1989)在南極阿拉斯加甲螨中發現了抗凍蛋白(Block and Duman, 1989)。此后,Sjursen and S?mme在單奧甲螨屬Phauloppiasp.成螨中發現了明顯的熱滯現象,驗證了熱滯蛋白的存在(Sjursen and S?mme, 2000)。Bryonetal.(2013)在滯育的二斑葉螨中發現了類似抗凍蛋白的基因,且滯育會誘導該基因上調表達。但螨類抗凍蛋白的相關研究較少,該蛋白對于螨類耐寒性的調控機制尚不明確。

熱激蛋白是一類抗逆蛋白,多在環境脅迫下應激表達,具有保護細胞不受傷害的作用(史彩華等, 2016)。多項研究發現熱激蛋白基因與螨類溫度耐受性有關,尤其是在螨類抵御高溫脅迫中發揮重要作用(Yangetal., 2012; Xinetal., 2018; Xuetal., 2018; Tianetal., 2020)。研究發現朱砂葉螨Tetranychuscinnabarinus(Boiduval, 1956)和柑橘全爪螨在40℃高溫脅迫下Hsp90基因表達量顯著上調(Fengetal., 2010; 楊麗紅等, 2016);腐食酪螨和木薯單爪螨Mononychellusmcgregori(FlechtmannetBaker, 1970)在42℃高溫脅迫下Hsp70基因表達量提升(盧芙萍等, 2017; Wangetal., 2021)。熱激蛋白基因在螨類抗低溫脅迫中也具有一定作用,胡瓜新小綏螨在5℃處理6 h,Hsp70和Hsp90基因表達上調(Chenetal., 2015)。朱砂葉螨于4℃暴露1 h后,Hsp90表達量增加(Fengetal., 2010)。然而,由于螨類耐寒性調控機制的種間差異、熱激蛋白基因家族間的的功能差異,使得熱激蛋白對于螨類耐寒性的作用更為復雜。熱激蛋白對于螨類耐寒性的影響仍需進一步探索。

4 總結與展望

耐寒性的研究是探討螨類對低溫適應機制的重要方面之一。當溫度逐漸下降,螨類是如何適應,如何增強抗凍耐寒能力?其中涉及復雜的基因水平和生理代謝水平的變化。目前螨類耐寒性的研究主要涉及過冷卻點以及低溫的脅迫作用等一部分生物學研究,螨類耐寒性提升的生理代謝和分子調控機制亟待進一步研究。首先,系統開展螨類低溫抗逆性的研究,包括不同螨類耐寒性類型的確定,影響螨類過冷卻點的因素等研究。第二,在低溫下,昆蟲維持體內穩態平衡的能力決定著抗寒性的高低,因此昆蟲的滲透調節能力對于耐寒性有重要的作用。螨類在低溫下如何維持細胞內外的離子平衡需進一步研究。第三,開展螨類低溫響應生理生化和代謝機制研究,了解螨類在低溫下代謝物質以及蛋白質(酶)的差異,解析在螨類的耐寒性提升過程中發揮重要作用的小分子低溫保護物質、保護酶、蛋白質的種類及變化。第四,螨類耐寒性分子機制的研究,解析螨類耐寒性提升的調控機制,核心信號通路和相關基因的篩選,關鍵基因的功能研究,例如,昆蟲抗寒分子機制研究中的熱點—熱激蛋白基因、抗凍蛋白基因,從分子水平揭示螨類耐寒性調控機制。

螨類耐寒性研究不僅對于闡明其對低溫適應的分子機制有重要的理論意義,而且對于探明害螨預測預報和綜合防治具有重要的應用價值。首先,了解螨類抗凍耐寒機制,有利于揭示螨類越冬與存活規律,預測其種群動態和潛在地理分布,揭示害螨種群暴發成災原因。其次,通過對螨類耐寒性調控基因的研究,可通過基因工程等相關技術開發新型生物制劑,阻斷害螨體內耐寒調控機制,降低害螨抗寒能力,減少越冬基數,有效防治害螨。其三,對于入侵害螨耐寒性的研究有助于揭示其入侵潛力和生態位轉換的原因以及進化機制的探索。第四,在捕食螨開發利用領域,通過對捕食螨耐寒性調控機制的研究,探索捕食螨低溫耐受性提升的策略,包括低溫馴化,滯育和低溫保護物質的應用等策略,延長捕食螨產品貨架期,降低捕食螨開發利用的成本,促進捕食螨的商業化,大力推動“以滿治螨”的生物防治進程。

致謝：感謝中國科學院東北地理與農業生態研究所劉冬研究員為馬里恩海甲螨Halozetesmarionensis(Engelbrecbt, 1974),金黃海甲螨Halozetesfulvus(Engelbrecht, 1975),比利時海甲螨Halozetesbelgicae(Michael, 1903),單奧甲螨屬物種Phauloppiasp.,南極阿拉斯加甲螨Alaskozetesantarcticus(Michael, 1903)5種甲螨進行中文命名,以及對為本文中的物種命名年代和中文名稱進行的指導和修改。