据最新数据显示,全球CO2浓度已从工业革命前的280ppm增长到了 2016年的404ppm,且自1980年以来以平均每年1.8ppm的速度持续递增。大气CO2浓度升高可以直接影响植物生长发育、形态结构和生理生化,进而由“上行效应”(bottom-up effects;BUE)影响以之为食的植食性昆虫。大量研究表明,刺吸类昆虫是一类典型对CO2浓度升高呈积极响应的昆虫。在大气CO2浓度升高下,典型刺吸类昆虫褐飞虱和棉蚜会做出怎样的响应?其取食行为机理又是如何?这些问题的解决有望进一步明确大气CO2浓度升高的气候变化下农业生产所面临的刺吸类害虫灾变规律及其发生动态,并指导其防治开展。本研究以典型的刺吸类害虫褐飞虱和棉蚜为研究对象,紧密联系生产实际,结合大气CO2浓度升高这一全球气候变化“热点”问题,从昆虫生理学、昆虫取食行为学、植物生理学和分子生物学角度入手研究大气CO2浓度倍增对褐飞虱和棉蚜适合度的影响及其调控刺吸取食行为的分子生物学机理研究,本文主要研究结果如下:1.刺吸电位技术中固定昆虫的三种方法比较本研究以灰飞虱Laodelphax striatellus(Fallen)为例,就EPG实验中电极连接时常用的三种昆虫固定技术(即麻醉法、冷冻法和负压法)进行了详细描述与比较。研究结果表明,固定灰飞虱最优的方法为负压法,其次为麻醉法和冷冻法。并利用优化后的负压法开展了褐飞虱、棉蚜的取食行为检测实验以及灰飞虱带毒对其取食行为的验证研究。2.褐飞虱刺吸取食行为对CO2浓度倍增的响应机制大气CO2浓度增加作为气候变化的主要因素是国内外备受关注的全球性热门“话题”。本研究以亚洲稻区主要害虫褐飞虱为研究对象,从取食行为学入手探究褐飞虱在应对大气CO2浓度倍增的响应及其分子机制,为预测气候变化下褐飞虱的发生为害提供理论依据。试验结果表明:CO2浓度倍增可以极显著缩短褐飞虱卵发育历期(4.04%)、若虫总发育历期(6.67%)以及雌虫寿命(18.28%),表明CO2浓度倍增缩短了褐飞虱的世代历期,增加了褐飞虱的为害风险;CO2浓度倍增可显著降低褐飞虱初羽化雌虫的体重(4.93%),但对雄虫没有明显的影响;CO2浓度倍增对褐飞虱雌虫有效卵量和卵的孵化率均有显著的提高,分别达22.10%和8.50%,表明CO2浓度倍增对褐飞虱的繁殖力有显著的增益效应;CO2浓度倍增显著提高褐飞虱4龄和5龄若虫口针的刺探效率,P波持续时间降低达23.35%和42.01%,并显著提高4龄和5龄若虫韧皮部取食的N4b波的持续时间分别为30.03%和123.06%;从取食相关基因表达量分析显示,CO2浓度倍增可显著上调食欲相关基因的表达。根据本研究结果可知,大气CO2浓度倍增可能增加褐飞虱的发生为害,主要因为取食量的增加使世代历期缩短,导致发生世代量增加,最终致使褐飞虱种群为害加重。3.棉蚜刺吸取食行为对CO2浓度倍增响应的EPG研究本研究通过刺吸电位图谱(EPG)技术检测棉蚜取食行为对CO2倍增的响应,同时测定寄主棉花叶片的显微结构和可溶性成分来衡量CO2倍增下植物叶片结构和营养品质变化对棉蚜口针刺探和食物品质可塑性的影响,进而从植物“物理抗性”和“抗生性”角度来明确植物对大气CO2倍增的响应。研究结果表明:CO2倍增显著增加棉蚜成虫鲜重、繁殖力和种群数量;CO2倍增显著影响棉蚜的取食行为,即明显改变了 EPG记录参数,包括增加静息状态(移动、搜寻取食位点),E2<8min(韧皮部持续摄食少于8min),首次E2>8min(首次韧皮部持续摄食超过8min)的持续时间,以及减少E2>8min的持续时间;CO2倍增显著影响叶片显微结构,表现为上表皮变薄和下表皮、海绵组织以及栅栏组织加厚。因此,可以推测当寄主植物暴露于加倍CO2环境下,棉蚜会消耗更多的时间穿刺更厚的叶片下表皮和海绵组织;C02倍增显著增加叶片可溶性组分,包括可溶性糖、游离氨基酸、游离脂肪酸和总可溶物,此结果与叶片膨压的显著增加和渗透势的显著降低相符合;C02倍增引起食欲基因(NPF)表达量的显著提高,进而导致唾液分泌蛋白(SHP和COO2b)的显著上调。可见,CO2倍增环境下,棉花叶片膨压和叶可溶性成分的增加有利于棉蚜的摄食,这也致使成蚜鲜重、繁殖力和种群数量增加。综上所述,CO2浓度倍增通过影响棉花的物理结构和生化组分含量,进而通过“上行效应”对以之为食的棉蚜的食欲和适合度产生影响,最终促使棉花在气候变化下的生长可能会面临棉蚜为害加重的风险。综上所述,CO2浓度倍增可以提高刺吸类害虫的适合度,表现在世代历期显著缩短,繁殖力的显著提高以及显著提高口针刺探效率和韧皮部取食持续时间,并且CO2浓度倍增显著上调食欲相关基因的表达量。本研究系统阐述了褐飞虱和棉蚜适合度对C02浓度倍增的响应并从刺吸取食行为及其分子生物学机制进行验证,明确了气候变化下褐飞虱和棉蚜的发生为害规律,以及未来气候变化下水稻和棉花等粮食和经济作物可能面临更严峻的生产安全和生态风险。