《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Effect of temperature on growth and development of rice weevil [Sitophilus oryzae (L.) (Coleoptera: Curculionidae)] on polished rice
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本文系统研究了不同温度（-80°C至50°C）及暴露时间（24-72小时）对主要储粮害虫米象（Sitophilus oryzae）死亡率、F1代成虫羽化、发育周期及谷物重量损失的调控作用。研究发现极端温度（-80°C、-20°C、50°C）可实现100%致死率并完全抑制后代繁殖，而25°C最利于其种群增长。该研究为开发基于温度调控的绿色储粮害虫管理（IPM）技术提供了关键理论依据。
1 引言
水稻（Oryza sativa L.）是全球重要的粮食作物，在孟加拉国等国家是主要营养来源。然而，稻谷在储存期间易遭受多种害虫侵袭，其中米象（Sitophilus oryzae L.）是危害最严重的储粮害虫之一。米象通过取食和繁殖活动，导致谷物重量损失、营养耗竭和品质下降，造成巨大的经济损失。在适宜环境条件下，一对米象在3个月内可繁殖约百万头后代，其作为内部取食者，对储粮造成严重的数量和质量损害。
传统的化学杀虫剂和熏蒸剂虽广泛用于害虫防治，但存在农药残留、害虫抗药性及环境危害等问题。全球对无农药残留食品的需求日益增长，以及储粮害虫对化学农药抗性的增加，限制了某些杀虫剂的持续使用。因此，评估非化学控制策略，包括极端温度和低温条件，成为现代害虫管理计划中的重要组成部分。温度是影响米象生物学特性的关键环境因子，直接关系到谷物品质和害虫侵染的发生与发展。与使用杀虫剂相比，利用极端温度的优点包括环境安全性、食品无残留、对作物无害，且无需特定许可注册。此外，温度处理有潜力管理对传统杀虫剂产生抗性的储粮害虫种群，且证据表明害虫无法对极端温度处理产生抗性。本研究旨在探究温度和暴露时间间隔对米象生物学的影响，以制定可持续的非化学害虫管理策略，保障精米的安全储存。
2 材料与方法
实验于2023年10月至2024年11月在孟加拉国水稻研究所（BRRI）昆虫学系实验室进行两次。米象种群采集自BRRI昆虫学系的饲养设施，在实验室条件下（25 ± 2°C，65 ± 3%相对湿度）用糙米进行培养和维持种群。
实验采用完全随机设计，包含两个因子：因子（A）为八种温度处理（T1= -80°C，T2= -20°C，T3= 4°C，T4= 20°C，T5= 25°C（对照），T6= 35°C，T7= 40°C，T8= 50°C）；因子（B）为三种暴露时间（24小时暴露时间（HET）、48 HET和72 HET），每个处理重复三次。实验使用24个培养皿，每皿盛放20克新鲜精米（水分含量124.50 ± 0.50 g/kg），并引入10对相似日龄的米象成虫。培养皿在室温下放置7天以供交配和产卵，之后根据设计施加温度处理。分别在24、48和72小时结束时记录米象死亡率，并移除存活成虫。随后将培养皿置于实验室室温下观察F1代成虫羽化情况，记录羽化数量及发育周期。谷物重量损失百分比通过称量受损和未受损谷物重量计算。
数据使用R studio软件（版本2024.04.1）进行统计分析，采用方差分析（ANOVA）和最小显著差异检验（LSD）比较处理均值（显著性水平5%）。使用“ggplot2”和“Rmisc”包绘制图表，并使用“metan”包进行相关性分析。此外，将温度条件分为三类：（a）低温至极端低温（4°C、-20°C和-80°C），（b）适中温度（20°C、25°C和35°C），以及（c）极端高温（40°C和50°C）。
3 结果
3.1 不同温度和暴露时间下米象的死亡率百分比
米象的死亡率百分比在不同温度、不同暴露时间（24、48和72 HET）以及温度和暴露时间的交互作用下均存在显著差异。在极端温度T1（-80°C）、T2（-20°C）和T8（50°C）下，均记录了100%的死亡率，且统计上无显著差异。T7（40°C）的死亡率为96.11%，而T6（35°C）为22.78%。在20°C和25°C下，所有暴露时间均未观察到死亡率。随着暴露时间的延长，死亡率显著增加：24 HET为50.00%，48 HET为52.50%，72 HET为57.50%。交互作用显示，T1、T2和T8在24、48和72 HET下均实现100%死亡率；T7在48和72 HET下也达到100%死亡率，而在24 HET下为88.33%。T6在72 HET下死亡率为48.33%，48 HET下为11.67%。
3.2 不同温度和处理后F1代成虫羽化数量
F1代成虫羽化数量在不同温度下存在显著差异。25°C（T5）下羽化数量最高（124.77头），其次为35°C（T6，72.11头）、20°C（T4，64.33头）和4°C（T3，18.89头）。40°C（T7）下羽化数量极低（3.78头），而在T1（-80°C）、T2（-20°C）和T8（50°C）下则无F1代成虫羽化。不同暴露时间及其与温度的交互作用对F1代成虫羽化数量无显著影响。
3.3 不同温度和时间下米象成虫的发育时间
从卵到成虫的发育周期在所有暴露时间、温度以及温度和暴露时间的交互作用下均存在显著差异。由于在-80°C、-20°C和50°C下无F1代成虫羽化，故无法计算发育周期。25°C下发育周期最短，而4°C下最长。随着暴露时间延长，米象完成生长发育所需时间增加：24 HET下为51.27天，72 HET下为59.72天。交互作用表明，在4°C、72 HET下发育周期最长（69.67天），其次为48 HET（62.00天）和24 HET（58.67天）；而在25°C下的24 HET（48.33天）、48 HET（47.33天）和72 HET（50.33天），35°C下的24 HET（49.67天）以及40°C下的24 HET（49.33天）发育周期最短。
3.4 不同温度和暴露时间下的谷物重量损失百分比
谷物重量损失百分比在不同温度下及温度与暴露时间的交互作用下存在显著差异。25°C（T5，33.90%）和35°C（T6，31.79%）下的重量损失百分比最高，且统计上无显著差异。而-80°C（T1，0.50%）、-20°C（T2，0.98%）和50°C（T8，1.81%）下的重量损失最低。交互作用显示，25°C在24 HET（32.82%）、48 HET（36.50%）和72 HET（32.37%），35°C在24 HET（30.79%）、48 HET（33.74%）和72 HET（30.84%），以及20°C在72 HET（30.67%）下重量损失最高。不同暴露时间对重量损失百分比无显著影响。
3.5 不同温度下的相关性分析
3.5.1 低温至极端低温（4°C至-80°C）下的关联
在低温至极端低温条件下，温度与发育时间、重量损失百分比和F1代成虫羽化数量呈显著正相关（相关系数分别为0.72、0.72和0.70），而与死亡率百分比呈显著负相关（-0.72）。死亡率百分比与发育时间、重量损失百分比和F1代成虫羽化数量均呈显著负相关（分别为-0.99、-0.97和-0.98）。F1代成虫羽化数量与发育时间和重量损失百分比呈显著正相关（0.95和0.93），重量损失百分比与发育时间亦呈显著正相关（0.98）。
3.5.2 适中温度（20°C–35°C）下的关联
在适中温度下，温度与死亡率百分比呈显著正相关（0.66），与发育时间呈不显著正相关（0.25），与重量损失百分比呈不显著正相关（0.12），而与F1代成虫羽化数量呈不显著负相关（-0.06）。死亡率百分比与发育时间呈显著正相关（0.64），与重量损失百分比和F1代成虫羽化数量呈不显著负相关（-0.01和-0.28）。F1代成虫羽化数量与发育时间呈显著负相关（-0.42），与重量损失百分比呈不显著正相关（0.29）。重量损失百分比与发育时间呈不显著负相关（-0.13）。
3.5.3 极端高温（40°C–50°C）下的关联
在极端高温条件下，温度与发育时间、重量损失百分比和F1代成虫羽化数量均呈显著负相关（分别为-0.71、-0.80和-0.70），而与死亡率百分比呈不显著正相关（0.44）。死亡率百分比与发育时间、重量损失百分比和F1代成虫羽化数量均呈负相关（分别为-0.57、-0.61和-0.66）。F1代成虫羽化数量与发育时间和重量损失百分比呈显著正相关（0.98和0.93）。重量损失百分比与发育时间呈显著正相关（0.95）。
4 讨论
4.1 不同温度和小时数对米象死亡率百分比的影响
温度和暴露时间对米象死亡率有直接影响。在T1（-80°C）、T2（-20°C）和T8（50°C）下观察到100%死亡率。随着暴露时间延长，米象死亡率增加。在4°C（T3）和35°C（T6）下，死亡率随暴露时间延长而逐渐增加。在25°C和20°C下，所有暴露时间均未观察到死亡率。低于4°C和高于35°C的温度对米象是致命的，死亡率随时间推移而增加。50°C下暴露2小时对所有生活阶段的储粮害虫都是致命的。高于40°C的温度是害虫的致死温度，会导致活动停止、发育停滞并最终导致种群灭绝。温度是影响节肢动物生理、行为和种群动态的关键环境变量，其降低或升高会导致发育过程逐渐减缓直至完全停止。过高温度可能引起米象体液pH值和离子浓度改变，进而影响关键大分子特性，严重时导致死亡。相反，低温能显著抑制害虫增殖，这解释了日本广泛采用低温储粮以减轻米象危害的原因。
4.2 温度与米象成虫羽化
不同温度和时间间隔下F1代成虫羽化结果揭示了米象的热敏感性和发育偏好。25°C持续支持最高的羽化率，表明25°C是测试温度中最适宜的温度，20°C–35°C是F1代成虫发育的最佳温度范围。米象繁殖的最适温度为15°C–34°C。在极端高温（40°C）下，F1代成虫羽化被完全抑制，特别是在72 HET下，表明40°C是米象发育的临界上限。高温下米象代谢活动增加，导致水分耗竭、体液pH值、离子浓度和细胞结构改变，这些变化可能破坏昆虫的正常生理过程并最终导致死亡。与20°C、25°C和35°C相比，4°C下F1代成虫羽化数量急剧减少，表明该物种是喜温的，但无法在极端温度下维持有效发育。在适宜温度（24°C–32°C）下米象繁殖力高，低于20°C时逐渐降低，在极高或极低温度下由于与繁殖相关的酶和激素活动受干扰而丧失繁殖能力。
4.3 米象成虫发育周期的持续时间
从卵到成虫的发育周期在所有三种HET下均存在显著差异，强调了温度和HET对米象发育持续时间的决定性影响。极端温度条件（-80°C、-20°C和50°C）下完全无F1代成虫羽化，表明这些条件在任何发育阶段对米象都是致命的。25°C被确定为米象成虫发育的最适温度，在所有三种HET下观察到的发育周期最短。在20°C–32°C温度范围内，米象的发育周期随温度升高而持续缩短。4°C下发育周期最长，这可能是由于低温下代谢活动降低导致发育进程减慢。4°C下发育周期延长表明，低温储存或暴露可通过延迟生命周期进展来管理米象种群增长。发育过程缩短可能归因于米象体内保护酶的激活，这种激活可能增强了其生存能力并加速了发育周期。在最佳范围内温度升高可显著加速米象发育，但当温度超过该范围时，支持其发育的各种酶和激素活性受到抑制或完全抑制，从而阻碍其生长。
4.4 不同温度和暴露时间对谷物重量损失百分比的影响
研究揭示了温度显著影响所有观测温度下及温度与暴露时间交互作用下的重量损失百分比。在25°C（T5，33.90%）和35°C（T6，31.79%）下观察到最高的重量损失百分比，这是由于繁殖、取食以及F1代成虫羽化数量最多所致。在极端低温（-80°C和-20°C）和高温（50°C）暴露下，由于米象代谢或生理活动受抑制且无成虫羽化，重量损失百分比最小。谷物重量损失百分比增加是由于米象死亡率降低和F1代种群数量增加；相反，在处理温度和时间内，由于米象死亡率增加和F1代种群数量减少，重量损失百分比降低。这表明重量损失显著依赖于温度，最佳范围在20°C–35°C左右。
4.5 不同温度模式下的相关性系数
相关性系数分析揭示了在不同温度条件下米象生物学反应及发育时间、重量损失百分比、F1代成虫羽化和死亡率百分比之间相互作用的关键见解。在低温至极端低温下，发育过程明显受冷胁迫影响。发育时间、重量损失百分比和F1代成虫羽化与低温呈正相关，表明这些温度条件可能减慢发育，导致幼虫或蛹期延长，或通过破坏卵而停止进程。死亡率百分比与温度呈强负相关，表明较高死亡率与低温、发育缓慢和F1代成虫羽化减少相关。死亡率百分比与适中温度（20°C–35°C）呈正相关，表明这些温度在特定水平下可能是最适的，随后死亡率随温度升高而增加。F1代成虫羽化与发育时间呈负相关，可能表明在这些温度下较快的发育增强了生存和繁殖能力。在极端高温下，生物胁迫从发育时间、重量损失百分比和F1代成虫羽化与温度的显著负相关中显而易见。高温降低了米象的存活率。相关性分析强调了温度对米象关键生活史特征的显著影响。低温至极端低温延长发育但具有致死性，适中温度提供接近最佳的条件，而升高的高温增加了米象的死亡率。
5 结论
本研究强调了温度和暴露时间在影响米象死亡率、发育、种群动态、F1代成虫羽化和相关重量损失方面的关键作用。米象死亡率随4°C、35°C和40°C下暴露时间延长而增加。极端温度（-80°C、-20°C和50°C）是致命的，完全阻止了F1代成虫羽化，而40°C也实现了100%死亡率，但需要较长的暴露时间（48和72 HET）。相反，适中温度（20°C、25°C和35°C）支持米象生存，其中25°C最有利于快速发育和高成虫羽化率。发育周期在不同处理间差异显著，在20°C–35°C范围内加速，但在较低和较高极端温度下受到抑制（最长所需时间出现在4°C、72 HET下）。重量损失趋势与发育活动一致，在适中温度（20°C、25°C和35°C）下因取食和繁殖增加而达到峰值，在极端条件下因无成虫羽化而最小化。相关性分析揭示了温度与米象增殖之间的紧密联系，冷胁迫延长发育而极端高温缩短发育周期但降低存活率。这些发现凸显了将基于温度的综合害虫管理（IPM）策略应用于储粮保护的潜力。将温度控制纳入害虫管理可有效抑制米象种群，同时最大限度地减少谷物损失并减少合成杀虫剂的使用。未来的研究应探索在储存和农业中的实际应用，重点关注中间温度效应，以完善我们对米象特定耐热性和生长模式的理解，以及热处理后的营养价值。
作者贡献
Tapon Kumar Roy：概念化；数据管理；形式分析；调查；监督；撰写初稿；审阅编辑。Sanjida Akter：审阅编辑。Mir Md Moniruzzaman Kabir：监督。Mst. Hasna Hena：资源。Jannatul Yeasmin Joaty：资源。ABM Anwar Uddin：审阅编辑。Md Najmul Bari：审阅编辑。Md Mosaddek Hossain：审阅编辑。Anamika Sannal：数据管理；形式分析；撰写初稿；审阅编辑。
致谢
作者衷心感谢孟加拉国水稻研究所（BRRI）昆虫学系首席科学官和主任对开展本实验提供的宝贵支持和设备。
利益冲突声明
作者声明无利益冲突。
