昆蟲數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在桃紅頸天牛雌雄成蟲鑒別中的應(yīng)用

潘鵬亮，史洪中，尹新明

(信陽農(nóng)林學(xué)院 農(nóng)學(xué)院，河南 信陽 464000)

桃紅頸天牛[Aromiabungii(Faldermann)]屬于鞘翅目(Coleoptera)天?？?Cerambycidae)昆蟲，是林果類重要的蛀干害蟲[1]。據(jù)報道，桃紅頸天牛成蟲體長28～37 mm[2]，也有文獻(xiàn)描述為雄成蟲體長23～28 mm，雌成蟲體長30～42 mm[3]，其雄蟲身體比雌蟲小，雄蟲觸角超過體長4～5節(jié)，而雌蟲觸角超過體長1～2節(jié)[4]等。可以看出，不同文獻(xiàn)對該害蟲雌雄個體大小描述有所不同。那么，對于桃紅頸天牛來說，雌雄個體大小或觸角長短的差異能否作為區(qū)分其不同性別的指標(biāo)，除此以外，是否可以從其他方面區(qū)別雌雄個體的差異，這些值得深入研究。

隨著計算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，越來越多的證據(jù)表明昆蟲數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)[5]可以應(yīng)用于昆蟲分類鑒定[6]，可以區(qū)分同種昆蟲不同種群[7]。比如，國內(nèi)有利用此技術(shù)對鱗翅目(Lepidoptera)蝶類[8]和蛾類[9-10]、鞘翅目昆蟲[11-12]、半翅目(Hemiptera)昆蟲[13]等種類鑒定的研究，國外有利用該技術(shù)對膜翅目(Hymenoptera)[14-16]、鱗翅目[17]等不同昆蟲種類鑒定和識別的研究，也有對膜翅目[18]、雙翅目(Diptera)[19]等不同種群變異的研究，還有學(xué)者對同一種昆蟲性二型現(xiàn)象進(jìn)行過研究[20]。但利用昆蟲數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，尤其是基于圖像處理技術(shù)對同一種昆蟲雌雄個體差異性的系統(tǒng)研究報道較少。因此，利用此技術(shù)對桃紅頸天牛成蟲不同性別間的差異性進(jìn)行系統(tǒng)地研究，以核實文獻(xiàn)中對該害蟲描述的準(zhǔn)確性，同時明確哪些特征可以用于區(qū)別該成蟲雌雄個體，哪些特征可能存在波動不對稱性等問題。

1 材料和方法

1.1 試驗昆蟲

2016年7月中旬，于河南省信陽農(nóng)林學(xué)院校內(nèi)桃園試驗基地采集桃紅頸天牛，共采集到雄成蟲23頭，雌成蟲6頭。根據(jù)手工測量成蟲連翅體長的長度，選取大小有代表性的雌雄成蟲各5頭，并把觸角、足和翅從蟲體分離。樣本數(shù)量的選擇參考Chang等[21]研究環(huán)境壓力對白狹扇蟌[Coperaannulata(Selys)]波動不對稱性影響的方法。

1.2 圖像獲取

利用愛普生掃描儀(Epson perfection V370 photo)進(jìn)行昆蟲分解圖的掃描，分辨率設(shè)置為1 200 dpi[22]。同時，在該分辨率下掃描繪圖用直尺，以矯正測量時昆蟲實際尺寸的大小。蟲體軀干進(jìn)行背腹面掃描，以便獲取到足間距離和體長等參數(shù)。

1.3 參數(shù)選擇

利用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)IPMist實驗室開發(fā)的BugShape(v1.0)軟件對桃紅頸天牛體長(不連翅)，前胸背板長和寬，觸角各節(jié)長度，3對足的腿節(jié)、脛節(jié)和跗節(jié)，鞘翅長度和寬度，足間距離(基節(jié)窩最近距離)等參數(shù)進(jìn)行測量(圖1)。同一樣本重復(fù)測量3次，并采用批量測量方法，即所有標(biāo)本測量完成后，再測量下一次重復(fù)，以減少人為操作的誤差。

as1—10：觸角1—10節(jié)；fpp：前足腿節(jié)；tpp：前足脛節(jié)；pt：前足跗節(jié)；fms：中足腿節(jié)；tms：中足脛節(jié)；mt：中足跗節(jié)；fmt：后足腿節(jié)；tmt：后足脛節(jié)；ht：后足跗節(jié)；ew：鞘翅寬度；el：鞘翅長度；bl：體長；pnl：前胸背板長度；pw：前胸背板寬度；GF：前足間距；GM：中足間距；GH：后足間距

1.4 統(tǒng)計分析

利用多元方差分析方法對雌雄樣本各參數(shù)，如體長、前胸背板長和寬、足間距離、鞘翅長和寬、觸角長、足長等參數(shù)以及3次重復(fù)測量之間的差異進(jìn)行分析。對于成對性狀參數(shù)，如左右觸角長度、左右鞘翅長度和寬度、左右足長度等，進(jìn)行獨立樣本t檢驗，通過計算體長/體寬、鞘翅長/寬、觸角各節(jié)占觸角總長的比值、足部各節(jié)占足長的比值等，并進(jìn)行獨立樣本t檢驗，研究雌雄個體間的差異。通過對兩側(cè)性狀參數(shù)差值進(jìn)行零均值檢驗、正態(tài)性檢驗等，確定雌雄個體兩側(cè)是否對稱，以及是否存在波動不對稱性(fluctuating asymmetry，F(xiàn)A)[21]。所有分析均在SPSS 22.0中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 桃紅頸天牛雌雄成蟲個體大小的差異

多元方差分析結(jié)果證明，雌雄2個處理間差異顯著(F=2 107.422;df=7,18;P<0.001)，而3次重復(fù)間差異不顯著(F=1.345;df=12,36;P=0.295)，處理和重復(fù)無互作效應(yīng)(F=0.513;df=12,36;P=0.939)。圖2顯示，通過組間比較，桃紅頸天牛雌雄個體前足間距(F(1,24)=5.539,P=0.027)、中足間距(F(1,24)=5.564,P=0.027)、后足間距(F(1,24)=8.837,P=0.007)和左側(cè)觸角長度(F(1,24)=38.121,P<0.001)差異均達(dá)到顯著水平，而體長(F(1,24)=2.006,P=0.170)、前胸背板長(F(1,24)=0.050,P=0.825)、前胸背板寬(F(1,24)=

*：α=0.05；**：α=0.01；ns：不顯著。下同

0.186,P=0.670)、左側(cè)鞘翅長(F(1,24)=1.002,P=0.327)、左側(cè)鞘翅寬(F(1,24)=1.950,P=0.175)、左側(cè)前足長(F(1,24)=0.158,P=0.695)、左側(cè)中足長(F(1,24)=0.048,P=0.828)、左側(cè)后足長(F(1,24)=0.021,P=0.887)差異均不顯著。

2.2 桃紅頸天牛雌雄成蟲成對性狀的差異

通過配對樣本t檢驗，本研究對桃紅頸天牛成蟲的左右兩側(cè)成對性狀進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，雌雄成蟲作為一個數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析時(df=29)，鞘翅寬度(t=4.535,P<0.001)、中足長度(t=-2.958,P=0.006)、觸角第1節(jié)(t=2.638,P=0.013)、前足腿節(jié)長度(t=-2.165,P=0.039)、中足附節(jié)長度(t=-2.624,P=0.014)和后足腿節(jié)長度(t=-3.761,P=0.001)兩側(cè)差異顯著，而其他所測參數(shù)兩側(cè)間差異不顯著。僅對雌成蟲進(jìn)行分析時(df=14)，鞘翅寬度(t=3.723,P=0.002)、中足長度(t=-2.348,P=0.034)、后足長度(t=-2.401,P=0.031)、觸角第4節(jié)(t=2.283,P=0.039)、前足腿節(jié)長度(t=-4.060,P=0.001)、中足腿節(jié)長度(t=-2.879,P=0.012)、中足附節(jié)長度(t=-2.465,P=0.027)兩側(cè)差異達(dá)到顯著水平，其他參數(shù)兩側(cè)間差異不顯著。僅對雄成蟲進(jìn)行分析時(df=14)，鞘翅寬度(t=2.640,P=0.019)、前足長度(t=2.210,P=0.044)、觸角第8節(jié)長度(t=-2.645,P=0.019)、前足附節(jié)長度(t=3.678,P=0.002)、中足脛節(jié)長度(t=-2.639,P=0.019)、后足腿節(jié)長度(t=-3.376,P=0.005)兩側(cè)差異達(dá)到顯著水平，其他參數(shù)兩側(cè)差異不顯著(表1)。

表1 桃紅頸天牛雌雄成蟲成對性狀的差異

續(xù)表1 桃紅頸天牛雌雄成蟲成對性狀的差異

注：R、L分別代表右、左兩側(cè)特征。

2.3 桃紅頸天牛各部位參數(shù)比值的差異

對桃紅頸天牛成蟲身體左側(cè)鞘翅長/寬、觸角各節(jié)與觸角總長之比、足各節(jié)(腿節(jié)、脛節(jié)、跗節(jié))與足總長之比進(jìn)行了獨立樣本t檢驗(df=28)。結(jié)果表明，雌雄兩性間鞘翅長/寬差異達(dá)到顯著水平(t=-2.401,P=0.023)，觸角1—10節(jié)與觸角總長之比差異達(dá)到顯著(t=-2.704,P=0.012)或極顯著(t=-25.972～35.102,P<0.001)水平，中足腿節(jié)(t=-3.319,P=0.003)、中足脛節(jié)(t=-4.088,P<0.001)、中足跗節(jié)(t=5.201,P<0.001)與中足總長之比差異達(dá)到極顯著水平，前足腿節(jié)與前足總長之比差異達(dá)到顯著水平(t=-2.668,P=0.013)，而前足脛節(jié)(t=0.639,P=0.528)、前足跗節(jié)(t=1.483,P=0.149)與前足總長之比差異不顯著，后足腿節(jié)(t=-1.655,P=0.109)、后足脛節(jié)(t=1.610,P=0.119)及后足跗節(jié)(t=-0.290,P=0.774)與后足總長之比差異亦不顯著(圖3)。

2.4 桃紅頸天牛兩側(cè)不對稱性類型

根據(jù)對桃紅頸天牛身體左右兩側(cè)成對性狀的分析，認(rèn)為該害蟲可能存在左右不對稱性。本研究利用其成對性狀的右側(cè)值減去左側(cè)值，形成數(shù)據(jù)集，對兩側(cè)差值進(jìn)行了其均值是否為零的t檢驗，利用單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗判斷數(shù)據(jù)是否為正態(tài)分布，以判斷桃紅頸天牛各測量參數(shù)是否存在波動不對稱性、單向不對稱性(directional asymmetry，DA)或雙向不對稱性(antisymmetry，AS)[21]。分析結(jié)果表明，雌雄2個性別的成蟲在鞘翅長度、3對足的長度方面存在波動不對稱性，觸角第1、2、3、5、8、9、10節(jié)存在波動不對稱性，前足脛節(jié)、前足跗節(jié)、后足脛節(jié)以及中足的腿節(jié)、脛節(jié)和跗節(jié)均存在波動不對稱性。此外，雄成蟲的鞘翅寬度和觸角總長存在左右波動不對稱性(表2)。

圖3 桃紅頸天牛雌雄成蟲參數(shù)間比值的差異

參數(shù)性別正態(tài)性檢驗tP差值平均值零檢驗P不對稱類型參數(shù)性別正態(tài)性檢驗tP差值平均值零檢驗P不對稱類型鞘翅長♀-0.4210.6950.200FA前足長♀-0.4660.6650.200FA♂0.3370.7530.200FA♂1.3120.2600.200FA鞘翅寬♀3.3850.0280.200AS前足腿節(jié)長♀-2.8880.0450.200AS♂2.5590.0630.200FA♂0.0420.9690.107FA觸角長♀2.9200.0430.017-前足脛節(jié)長♀-0.4750.6600.200FA♂-0.9560.3930.200FA♂-1.2820.2690.200FA觸角第1節(jié)♀1.1200.3250.200FA前足附節(jié)長♀0.1750.8690.200FA♂1.2170.2900.200FA♂2.1600.0970.200FA觸角第2節(jié)♀-0.5880.5880.200FA中足長♀-1.3650.2440.200FA♂-1.2790.2700.200FA♂-1.2100.2930.200FA觸角第3節(jié)♀-0.2610.8070.177FA中足腿節(jié)長♀-1.8000.1460.200FA♂-0.3980.7110.200FA♂0.1670.8750.200FA觸角第4節(jié)♀2.2350.0890.200FA中足脛節(jié)長♀0.4720.6610.200FA♂-1.5740.1910.034DA♂-2.3190.0810.200FA觸角第5節(jié)♀-0.3030.7770.200FA中足附節(jié)長♀-1.5700.1920.200FA♂-1.1900.3000.101FA♂-0.8340.4510.142FA觸角第6節(jié)♀0.2500.8150.016DA后足長♀-1.3670.2430.200FA♂-0.9540.3940.200FA♂-0.3780.7240.200FA觸角第7節(jié)♀1.1160.3270.009DA后足腿節(jié)長♀-1.0780.3420.016DA♂1.0940.3360.200FA♂-1.8950.1310.006DA觸角第8節(jié)♀-0.0310.9770.052FA后足脛節(jié)長♀-1.1240.3240.200FA♂-1.7130.1620.200FA♂1.5270.2010.183FA觸角第9節(jié)♀-0.0030.9980.200FA后足附節(jié)長♀-0.6570.5470.200FA♂-0.1310.9020.200FA♂0.1690.8740.013DA觸角第10節(jié)♀1.4960.2090.200FA♂0.1010.9240.200FA

注：FA.波動不對稱性；DA.單向不對稱性；AS.雙向不對稱性；-.不符合。

3 結(jié)論與討論

本研究通過計算機(jī)圖像處理技術(shù)成功獲取到桃紅頸天牛成蟲外部數(shù)學(xué)形態(tài)特征，并通過統(tǒng)計分析證實了雌雄個體間在體長[雌性：(31.38±0.93)mm；雄性：(29.52±0.93)mm]、前胸背板長度[雌性：(5.65±0.18)mm；雄性：(5.70±0.18)mm]和前胸背板寬度[雌性：(8.68±0.32)mm；雄性：(8.48±0.32)mm]方面不存在顯著差異。這類決定個體大小的參數(shù)不能單獨作為區(qū)別雌雄的指標(biāo)，根據(jù)本試驗在同一地點采集到的標(biāo)本大小來看，部分雄性個體大小遠(yuǎn)大于雌性。因此，部分文獻(xiàn)中“雌大雄小”的描述有待商榷。然而，桃紅頸天牛雌雄間在足間距和觸角長度[雌性：(36.74±2.40)mm；雄性：(57.67±2.40)mm]方面存在顯著差異。據(jù)報道，天牛類昆蟲存在性二型，主要表現(xiàn)在觸角長度不一，這可能與其利用觸角作為種內(nèi)化學(xué)通訊器官方面的差異有關(guān)[23]。此外，桃紅頸天牛還存在紅頸型和全黑型2種生態(tài)型[24]，本研究以紅頸型為例，未對全黑型桃紅頸天牛相關(guān)參數(shù)進(jìn)行驗證。

通過比較桃紅頸天牛成蟲左右成對性狀，認(rèn)為其左右鞘翅寬度存在顯著差異，其他成對性狀在2個性別間差異顯著性不同。其中，雌性鞘翅寬度、中足長度、后足長度、觸角第4節(jié)、前足腿節(jié)長度、中足腿節(jié)長度、中足跗節(jié)長度左右兩側(cè)存在顯著差異，雄性鞘翅寬度、前足長度、觸角第8節(jié)、前足跗節(jié)長度、中足脛節(jié)長度、后足腿節(jié)長度左右兩側(cè)存在顯著差異。雌雄個體作為一個整體樣本進(jìn)行分析時，鞘翅寬度、中足長度、觸角第1節(jié)、前足腿節(jié)長度、中足跗節(jié)長度、后足腿節(jié)長度左右兩側(cè)差異達(dá)到顯著水平。

通過計算相關(guān)參數(shù)間的比值發(fā)現(xiàn)，桃紅頸天牛雌雄成蟲在鞘翅長/寬、觸角各節(jié)/觸角總長、前足腿節(jié)/前足長、中足各節(jié)/中足長等方面存在顯著差異。這些可以作為利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)技術(shù)進(jìn)行種內(nèi)區(qū)分紅頸型桃紅頸天牛雌雄個體的判別參數(shù)。該計算方法在國內(nèi)外相關(guān)報道中被廣泛采用，如Albrecht等[25]利用昆蟲前翅翅脈相對位置的差異性和不對稱性對10種小潛蛾科昆蟲進(jìn)行了評估。

桃紅頸天牛雌雄成蟲身體兩側(cè)多個性狀存在波動不對稱性。其中，鞘翅長度、觸角第1節(jié)、觸角第2節(jié)、觸角第3節(jié)、觸角第5節(jié)、觸角第8節(jié)、觸角第9節(jié)、觸角第10節(jié)、前足長度、中足長度、后足長度、前足脛節(jié)長度、前足跗節(jié)長度、中足各節(jié)長度、后足脛節(jié)長度均存在波動不對稱性。除此以外，雄成蟲在鞘翅寬度、觸角總長方面也存在波動不對稱性。而其他成對性狀的差異超出了波動不對稱性的范疇[21]。桃紅頸天牛不同性別存在這種差異有無生態(tài)學(xué)或生理學(xué)上的生存優(yōu)勢，這是一個值得研究的課題。

致謝：衷心感謝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)沈佐銳教授和高靈旺副教授在軟件應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析方面提供的幫助！

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