昆虫过冷却点的测定及抗寒机制研究概述

第１８卷２００２年１２月武夷科学ＷＵＹＩＳＣＩＥＮＣＥＪＯＵＲＮＡＬＶ０１．１８Ｄｅｃ．２００２文章编号：１００１—４２７６一（２００２）０１—０２５２—０６昆虫过冷却点的测定及抗寒机制研究概述鞠瑞亭，杜予州（扬州大学应用昆虫研究所，江苏扬州２２５００９）摘要本文综述了昆虫过冷却点测定方法和抗寒机制的研究进展，并就利用冰核微生物开展生物防治的应用前景进行了展望。

关键词过冷却点，抗寒机制，冰核微生物中圈分类号：Ｑ９６５文献标识码：Ａ物种在其长期的进化过程中，形成了一系列适应或抵御不良环境影响的生理对策。

昆虫也是如此。

昆虫为了使其种群得以繁衍和延续，特别是生活在气温相对较低的温带和寒带地区的昆虫，每年都不得不抵御一段时间的严寒侵袭，而它们往往是通过调节身体的过冷却（ｓｕｐｅｒ—ｃｏｏｌｉｎｇ）状态来增强其抗寒性。

所谓过冷却现象，就是温度低于昆虫体液冰点时，体液仍能保持液体状态的现象，这种现象是通过过冷却点（ｓｕｐｅｒ—ｃｏｏｌｉｎｇｐｏｉｎｔ）来量化反映的。

液体过冷却现象于１８４２年被Ｆａｈｒｅｎｈｅｉｔ首次发现；此后，物理学界和生物学界对其进行了广泛研究。

１８９９年，俄罗斯生物学家ＢａｘＭｅＴ＇ｂｅＢ利用电热测温技术首次发现昆虫的过冷却现象，他并对这一现象进行了科学的解释［１］。

在此之后，世界上许多学者对其做了大量的研究，并根据生理生化技术探索了这一现象的生理机制。

通过对昆虫过冷却点的测定和抗寒机制的研究，可以摸清昆虫的越冬情况，为分析翌年虫源种群发生动态及昆虫地理分布预测研究提供科学依据。

本文根据近年来的有关研究报道，结合我们的一些研究结果，将有关资料综述如下。

１过冷却点及其测定方法的研究当昆虫虫体温度冷却至过冷却点以下，体液开始发生自发结冰，此时，虫体需要向外界释放热量。

通过对这种释放的潜热的测定，可以方便地测出昆虫的过冷却点和结冰点。

根据这一原理，利用热分析法，即温差热电偶法来测定过冷却点很早就被应用于昆虫的抗寒性研究上¨ｏ。

该方法的装置主要由：制冷器、记录仪、交流稳压器、热稳定器、康铜一铜热电偶、温度补偿器等零部件组成；其中热电偶有两端，一端被称为热端，另一端叫自由端。

测定时热端与虫体接触，虫体温度变化，热端温度也跟着变化。

测定大致步骤为：首先将制冷装置预冷，而后将粘有虫体的热电偶一起放入制冷器中，设虫体的温度（热电偶热端的温度）为Ｔ，自由端的温度ＴＯ已补偿至０Ｃ，则热电偶输出一个与温差（Ｔ—Ｔ。

）成正比的电动势Ｅ—Ｋ（Ｔ—Ｔ。

）［３］。

虫体的体温变化可以由记录仪上记录的温差电动势变化曲线来反映。

利用该方法测定时，必须合理控制好虫体的冷却速率，一般认为，１℃／ｍｉｎ的冷却速率对测定结果较佳。

但是，由于昆虫个体差异明显，实际测量时，这个冷却速率并不完全科学［４］。

利用该方法，１９８４年，彭秀堂等测定了收稿日期；２００２一０６一ｌｏ第１８卷鞠瑞亭等：昆虫过冷却点的测定及抗寒机制研究概述·２５３·稻田宽黾蝽的过冷却点［２３；此后，谢佩华（１９８８）对柑桔木虱，钟诚等（１９９９）对稻螟蛉，王小奇等（１９９９）对水稻二化螟，孙绪艮等（２０００）对桑尺蠖，陈阿兰（２００１）对灰翅麦茎蜂，陈永年等（２００１）对棉叶蝉的过冷却点进行了测定［５一’７’８’９‘１０。

热分析法在测定昆虫过冷却点方面一度被广泛使用。

但是，由于该方法测定昆虫范围较窄，对虫体要求较为苛刻，如虫体个体要求大小适中，体壁较薄才能输出结果，即使达到了这些要求，测定的成功率也只有４０％～５０％左右，而且灵敏度也不高，检流计的指针读数很难准确掌握，装置体积较大，对工作环境有一定要求，并要使用交流电。

鉴于以上问题，秦玉川Ｉ等通过研究，提出了利用热敏电阻＋数字万用电表测定昆虫的过冷却点的方法ｎ１｜。

该方法具有灵敏度高，测定范围广，装置价格便宜，体积较小，便于携带等优点。

其原理十分简单，ＮＴＣ型热敏电阻的温度系数为负值，电阻值随温度的上升而下降，其温度与电阻值的关系曲线符合否指数规律，其关系式为ＤＪ：Ｒ，，一Ｒ。

ＰＢ；一赤式中：Ｒｒ——热敏电阻在绝对温度下得电阻值；Ｒ。

——热敏电阻在绝对温度丁。

时得电阻值；兀、丁——介质（环境）的起始温度和变化后的温度；Ｂ——热敏电阻的材料常数。

测定前，只需要事先利用万用电表测出不同温度下热敏电阻对应的电阻值，作出温度一电阻值的对应啮线，再记录下接触虫体在低温环境（一般用低温冰箱或碎冰加盐的方法制冷）下的电阻值变化情况，测定过程中，电阻值会持续上升，到达过冷却点时突然回跳，并在下降到一定阻值（冰点对应阻值）时，不在下降，重新回复上升，记录下两次跳跃时对应的电阻值，就可以直接从曲线中读出对应过冷却点和冰点。

利用该方法，我们在２００１年～２００２年对不同时期蔗扁蛾的过冷却点进行了成功测定，测定结果见表１。

表１不同时期蔗扁蛾高龄幼虫过冷却点和体液冰点单位（ｃ）此外，利用该方法与热分析法进行对比，秦玉川等测定了小到桃蚜、美ｉ｝１１斑潜蝇，大到金龟子成虫等多种昆虫的过冷却点，结果表明：前一种方法比后一种方法的平均成功率高５０％左右，测定温度的灵敏度和精确度高十几倍［１川。

随着传感技术的进一步发展，利用合适的集成块结合感温系统，可以直接从仪表上读出温度值。

目前，这些集成块已经被研制出来并开始应用到昆虫过冷却点的测定中。

此外，运用先进的计算机软件系统，通过感温材料与计算机相连，可以将测定数据收集后输入计算机，再由计算机内部相应的软件进行自动记录和处理，绘制出过冷却曲线，在曲线上可以很容易地读出过冷却点和冰点的数值，如鲁新等（１９９７）利用该方法测定了不同化性和不同地域的亚洲玉米螟的过冷却点并获得了成功ｎ２３；董慈祥等于１９９７年和２００１年分别对斑须蝽和美洲斑潜蝇的过冷却点进行了研究；崔龙等（１９９８）测定了棉铃虫蛹的过冷却点‘１３，１４，１ｓ３；江幸福等（２００１）测定·２５４·武夷科学第１８卷了甜菜夜蛾不同龄期和虫态的过冷却点ｕ６｜。

此外，紧随物理技术发展和低温生物学研究的深入，笔者预测，未来在测定昆虫过冷却点的方法上，将会有更精简、更灵敏的技术出现，譬如，利用温度与光的波长的关系，可以将对昆虫体内变化温度的测定转化成对光的波长变化的测定，这样就可以在不接触虫体的情况下间接测定出昆虫体内温度变化的情况，基于这样的思想，可以开发出新的波谱测温仪器应用到昆虫过冷却点的测定中。

所有这些技术革新，将使昆虫抗寒性研究越来越向智能化、高效化、精确化方向发展。

２昆虫抗寒类型及抗寒机制２．１昆虫抗寒类型一般认为，根据越冬昆虫体内生理生化反应的不同，可以将昆虫的越冬策略分为耐冻（ｆｒｅｅｚｉｎｇｔｏｌｅｒａｎｔ）和避冻（即不耐结冰型ｆｒｅｅｚｉｎｇｉｎｔｏｌｅｒａｎｔ）两种。

前者主要通过提高过冷却点来诱导胞外结冰，从而避免了低温对胞内亚细胞结构的进一步伤害；后者主要通过降低过冷却点来增加抗寒力，以降低体液结冰的概率，如有些昆虫在一６６Ｃ时都不会导致体液结冰Ｈｏ。

大多数陆生昆虫是不能耐受结冰的，它们主要通过降低过冷却点来提高耐寒性。

但据王小奇等人的报道，水稻二化螟采用的是两种对策兼有的方式越冬的，在滞育状态时，采用耐冻对策，而在滞育解除状态时，采用避冻对策口］，这说明采用耐冻或避冻是相对的，在每类越冬对策中，都有许多特殊种类的昆虫。

２．２越冬昆虫的抗寒机制２．２．１避冻型昆虫抗寒机制前面已经讲到，避冻型昆虫主要通过维持虫体的过冷却状态来免受冻害。

昆虫过冷却机制一般认为有三种，即：①晶核（冰核）物质的处理；②体内水分的排除；③体内抗寒性物质的积累叫。

冰核物质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。

昆虫排除体内水分的目的是为了增加体内溶质的浓度而降低体液的冰点和过冷却点。

此外，由于含水量的降低，体内连续较大的整体水相可能被一些组织或某些高浓度的物质所分隔，从而有利于昆虫体液的过冷却。

如在１１月中旬，桑尺蠖幼虫越冬前，其体内的大部分游离水已被排出体外，虫体进入越冬状态［８］。

在有些地区，随着春季气温回升，虫体内水分含量恢复以后，耐寒力下降，此时如突然出现寒流，常常会引起昆虫的死亡率增加［９］，这种现象在我国北方地区时有发生。

抗寒性物质包括一些温滞蛋白（热滞蛋白）和小分子物质。

有些学者认为，温滞蛋白是昆虫体内主要的抗寒性物质，因为它能产生温滞效应，通过吸附到晶核和冰晶表面来阻止结冰，从而达到降低冰点和过冷却点的目的［１７｜。

但是，近年来的研究证明，昆虫体内的一些小分子物质对提高昆虫抗寒性也起到了十分重要的作用，这些物质主要有：甘油、山梨醇、甘露醇、五碳多元醇、海藻糖、葡萄糖和果糖等。

如桑尺蠖越冬幼虫是以小分子糖类一氨基酸一糖蛋白组成的抗寒物质系统［８３；黄地老虎幼虫是由“海藻糖一葡萄糖一氨基酸一糖蛋白”组成的抗冻保护物质系统［１引。

也有人认为，在小分子物质中，甘油是最普遍的抗冻保护剂ｍ］。

除此而外，越冬昆虫第１８卷鞠瑞亭等：昆虫过冷却点的测定及抗寒机制研究概述·２５５·通过低温训练，体内的其它一些抗冻保护性物质如低分子糖和多元醇等的含量也会有一定的增加和累积，而这些小分子糖如葡萄糖、海藻糖、糖元等一般是由一些大分子糖或脂肪体降解而来，这些抗冻保护性物质可能在保护生物膜结构的完整性和细胞器功能的整体性方面发挥了重要的作用Ｌ８矗“２１ｊ。

２．２．２耐冻型昆虫抗寒机制昆虫耐冻的适应机制包括：稳定和保护亚细胞结构，降低因结冰所引起的伤害，在亚低温下，维持代谢的整体性和协同性［２引。

由于细胞膜对水的不通透性，昆虫往往通过细胞外血淋巴结冰从而降低水的分压，导致胞内水外渗。

这样虽然胞内水分降低了，但是避免了结冰带来的危险。

诱发胞外结冰的主要物质是昆虫血淋巴中的冰核物质，其可以诱导溶液或血淋巴在低温下结冰，使胞外在低温到来前结冰；同时将结冰仅限于胞外，胞外结冰体积受到限制，稳定该结冰温度。

结冰速度由结冰所引起的过膜渗透压胁迫缓慢进行，胞外结冰在多位点同时进行，产生的小冰晶减少了对细胞的损伤和渗透压的胁迫，胞内潜在的结冰点被移去从而提高了虫体的存活率［１７’２引。

耐冻型昆虫体内同样也存在一些抗寒性物质，这些物质并不是阻止结冰，而是在胞外结冰时防止其它组织造成伤害，这一体系主要也是一些由甘油等低分子的多元糖醇物质以及高分子的抗冻蛋白等组成。

低分子物质的羟基由于能有效地与水结合，这样就减少了水的流动性，从而降低了参与结冰的水的量。

此外，这些物质通过稳定蛋白质的结构，维持膜的流动性，也减少了快速结冰造成的损伤，与血淋巴中的冰核物质一起维持了昆虫的耐冻性Ｌｌ川。