寒冷胁迫、种群密度以及雌雄分离对Callosobruchus maculatus死亡率、寿命和繁殖特征的交互作用

《Journal of Stored Products Research》：Interactive effects of cold stress, density, and male-female separation on mortality, longevity, and reproductive traits in Callosobruchus maculatus

冷暴露、密度及性别分离对豆象生存与繁殖的交互影响研究。通过三因素实验发现，严寒（-18℃）1小时致85%死亡率，高密度使雌虫死亡率增加30%；温和冷暴露（4℃）显著降低繁殖成功率，高密度下成虫羽化率下降50%，性别分离进一步抑制繁殖。研究证实压力组合引发生存与繁殖权衡，高密度与性别分离协同降低繁殖效率，但延长雌虫寿命。

　　

Azam Amiri|Ali R. Bandani

伊朗锡斯坦和俾路支斯坦大学地理与环境规划学院景观工程系，扎赫丹

摘要

昆虫在其自然环境中面临多种限制，这些压力因素在它们的生存和繁殖中起着复杂的作用。虽然严重的压力通常是有害的，但轻微的寒冷暴露会对生命史特征产生依赖环境的具体影响：在某些处理组合中，寿命会增加，但总体繁殖性能会下降。本研究调查了三种关键压力因素——寒冷暴露（极端、轻微、正常温度）、密度（高、低）以及雌雄分离（混合性别、分开性别）——对Callosobruchus maculatus的死亡率、寿命、繁殖性能和发育的影响。暴露在?18°C下1小时导致所有组的死亡率均显著增加（高达85%）。高密度降低了雌性的耐寒性（?18°C下1小时），高密度组的死亡率比低密度组高出30%。相比之下，轻微的寒冷压力（4°C下4天）显著降低了繁殖力、孵化成功率和成虫出现率。这些下降在高密度条件下最为明显，成虫出现率比低密度对照组降低了50%，表明拥挤会损害耐寒性。当高密度与性别分离结合时，这种效应加剧。暴露于这些综合压力因素下的雌性表现出更长的寿命（11天对比低密度混合性别组的9天），但繁殖成功率较低，产卵111枚，孵化率为84%，而对照组为189枚，孵化率为97%。同样，性别分离也降低了出现率和卵的存活率。这些发现表明，综合压力因素与雌性寿命延长但繁殖性能下降有关，这与生存和繁殖之间的依赖环境权衡一致。理解这些压力相互作用为昆虫的压力生态学和适应策略提供了宝贵的见解。

引言

昆虫是动物界中多样性最丰富的群体，能够适应从干旱沙漠到极地极端的各种生态位。它们的显著成功主要归因于它们能够承受各种环境压力因素，包括极端温度（Harrison等人，2012年）。其中，寒冷压力是一个重大挑战，会破坏关键的代谢途径，导致机械损伤、细胞脱水、神经肌肉功能障碍以及离子和水分平衡失调（Lubawy等人，2020年；Abarca和Spahn，2021年）。这些干扰常常导致发育异常、活动能力下降、寿命缩短、繁殖产出受损以及性别比例失衡（Chidawanyika等人，2019年）。

易受寒冷影响的物种在长时间暴露于低温下会遭受寒冷伤害。这种伤害表现为运动障碍和发育停滞，尽管短暂暴露于中等温度后可以恢复，如从寒冷昏迷中恢复的能力所示（Ko?tál等人，2006年；Milton和Partridge，2008年）。然而，严重的寒冷暴露会导致寒冷休克，显著影响昆虫各个生命阶段的生存和繁殖适应性（Jakobs，2014年；Singh等人，2015年；Singh和Prasad，2016年）。

昆虫经常遇到环境和社交压力因素，如低温和种内竞争。虽然传统上认为压力对昆虫的发育、生存或繁殖有害，但越来越多的研究表明，轻微或反复暴露于特定压力因素可能会激活适应性生理反应。这种现象通常被称为“激素作用”，与寿命延长、对后续压力的抵抗力增强以及生理性能改善有关（Scharf等人，2019年；Berry III和López-Martínez，2020年；López-Martínez等人，2021年）。

轻微的压力有时在激素作用的背景下被讨论，即低水平的压力因素暴露相对于未经处理的对照组会产生刺激效应。然而，这种解释需要整体性能改善的证据，而不仅仅是单一特征的增强。因为压力暴露也可能改变维持和繁殖之间的资源分配，轻微的压力反而可能产生依赖环境的可塑性和生命史权衡。在这种框架下，生存或寿命的增加可能伴随着繁殖输出的减少，反映了在压力下有限资源的重新分配，而不是明显的激素作用益处（Scharf等人，2019年；Berry III和López-Martínez，2020年；López-Martínez等人，2021年）。

例如，在D. melanogaster中，反复的寒冷压力降低了体重和卵的孵化率，但同时延长了寿命、提高了耐寒性和认知功能（Petavy等人，2001年；Kelty和Lee，2001年）。高密度环境已知会增加许多昆虫的生理和繁殖压力，通常导致繁殖力降低、交配行为改变或后代存活率下降（Wardhaugh和Didham，2005年）。例如，在Sitophilus oryzae中，较高的雄性密度导致交配竞争加剧，从而减少了雌性的进食和产卵时间，最终降低了繁殖适应性（Flay等人，2014年）。

在豆甲虫Callosobruchus maculatus中也观察到了依赖于密度的反应。这种模式昆虫在不同密度条件下表现出明显的表型变化（Gascoigne等人，2022年）。该物种在密度变化条件下表现出显著的表型可塑性，但依赖于密度的幼虫竞争也可能具有进化意义。先前的研究表明，在资源受限的情况下，竞争类型的改变可以改变生态特征并影响种群动态，突显了密度效应在该物种中的广泛进化相关性（Tuda和Iwasa，1998年；Tuda，2011年）。除了这些可塑性特征外，雌性在交配过程中可以获得营养和水分，这可能影响它们的生理韧性（Edvardsson，2007年）。同时，关于C. maculatus的寒冷压力影响的研究揭示了阶段特异性的韧性，卵比成虫更能耐受低温（Johnson和Valero，2003年）。蛹阶段似乎特别耐寒，Loganathan等人（2011年）报告称在0°C下所有生命阶段都能存活。

尽管已有大量研究探讨了寒冷压力和高密度对昆虫的单独影响，但这些压力因素的联合影响仍不甚清楚。此外，对环境压力因素的性别特异性反应增加了复杂性，因为雄性和雌性昆虫在压力条件下常常表现出不同的适应性权衡。为了填补这一知识空白，本研究调查了三种压力因素（包括寒冷暴露（极端、轻微和正常温度）、密度（高和低）以及雌雄分离（混合性别 vs. 分开性别）对C. maculatus的死亡率、寿命、繁殖性能和发育的交互作用。虽然寒冷和密度代表了典型的非生物和生物压力因素，但包括了性别分离以模拟自然交配模式的破坏。频繁的交配对该物种的雌性来说是有成本的，但也是最大化繁殖输出所必需的（Maklakov和Arnqvist，2009年）。因此，性别分离可能是一种社会压力因素，因为它剥夺了雌性的交配刺激，改变了她们的生理状态和繁殖投资。这种设计使我们能够评估环境和社交压力对关键适应性特征的单独和联合影响。为了考虑寿命和繁殖生物学中的固有性别二态性，分别分析了雄性和雌性。所有比较都是在每种性别的不同处理组合内进行的；没有直接比较性别之间的差异。

我们测试了以下假设：（1）寒冷暴露会降低生存率和繁殖性能，极端寒冷的影响比轻微寒冷更强烈；（2）高密度会加剧寒冷压力的负面影响；（3）性别分离会通过限制交配和雄性带来的好处来降低繁殖输出。我们进一步预测，这些环境和社交压力因素会相互作用，影响C. maculatus的死亡率、寿命、繁殖力、卵的孵化率、成虫出现率和后代性别比例。因此，本研究的目的是评估寒冷压力、密度和性别分离如何共同塑造这些生命史特征，并确定它们的影响是否揭示了生存和繁殖之间的依赖环境权衡。

部分摘录

昆虫群体

本研究中使用的Callosobruchus maculatus种群来自伊朗法尔斯省设拉子大学的植物保护部门（纬度：29.5926，经度：52.5836，海拔：1585米）。在实验前，这种甲虫菌株在受控实验室条件下连续饲养了五代，以黑眼豆（Vigna unguiculata）作为宿主。所有实验都在温度控制在27 ± 1°C、相对湿度50 ± 5%的实验室中进行

极端寒冷暴露后密度对死亡率的影响

高密度显著降低了雌性的耐寒性。在?18°C下暴露1小时后，高密度组的雌性死亡率为70%，而正常密度组为40%（Wald χ²(1) = 4.394；P = 0.036；图1a）。相比之下，雄性的死亡率不受密度影响（Wald χ²(1) = 0.141；P = 0.708；图1b）。在正常密度下，雄性和雌性的死亡率相似。然而，在高密度下，雌性的死亡率（70%）显著高于雄性（31.67%；Wald χ

讨论

我们的数据显示，极端寒冷暴露（?18°C下1小时）导致C. maculatus的死亡率显著增加，雌性的死亡率受到密度的影响显著，表明寒冷暴露超出了生理耐受阈值。这与其他昆虫的研究结果一致，其中急性寒冷暴露会导致系统损伤，包括膜电位丧失、离子平衡失调和细胞凋亡（Ko?tál等人，2006年，2019年；Sinclair等人，2015年）。尽管没有直接

CRediT作者贡献声明

Azam Amiri：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。Ali R. Bandani：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念化。

伦理批准

我们使用Callosobruchus maculatus作为模式昆虫，并声明遵守德黑兰大学农业与自然资源学院的伦理标准。

数据和材料的可用性

本研究中生成和/或分析的数据集可作为补充材料提供。

资助

没有需要声明的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。