鶴頂粉蝶覓食求偶過程中的視覺嗅覺信號識別

劉 杰，李明濤，陳順安，姚 俊，石 雷，陳曉鳴

(中國林業(yè)科學(xué)研究院高原林業(yè)研究所，國家林業(yè)和草原局資源昆蟲培育與利用重點(diǎn)實驗室，云南 昆明 650224)

大多數(shù)訪花昆蟲對某些特定顏色、氣味會表現(xiàn)出偏好，在尋找蜜源時，常以此作為識別、選擇信號。昆蟲氣味物質(zhì)大致包括2 大類：昆蟲自身產(chǎn)生的氣味物質(zhì)和植物產(chǎn)生的氣味物質(zhì)。通常，植物產(chǎn)生的氣味物質(zhì)多作為昆蟲覓食、產(chǎn)卵的信號物質(zhì)，而昆蟲產(chǎn)生的氣味物質(zhì)則多被用于種群內(nèi)部交流[1]。

蝶類是重要的訪花傳粉昆蟲，在訪花覓食過程中，遠(yuǎn)距離定位蜜源植物主要依靠花朵顏色提供的各種視覺信號，而嗅覺、觸覺信號被認(rèn)為在蜜源植物的近距離識別中發(fā)揮作用[2-4]。尤其是花色對蝴蝶搜尋蜜源相當(dāng)重要，然而不同蝶種對顏色和氣味的趨性有較大的區(qū)別[5-6]。目前關(guān)于蝴蝶成蟲復(fù)眼的結(jié)構(gòu)和功能方面已經(jīng)進(jìn)行過廣泛的研究[7-11]。白天活動的蝴蝶光感受器多樣化，不同蝶種光譜感受器種類不同[12-13]。白帶鋸?fù)惖–ethosia cyane）與金斑蝶（Danaus chrysippus）在訪花過程中偏愛紅色、橙色和黃色[6]。而達(dá)摩鳳蝶（Papilio demoleus）偏愛紫色和藍(lán)色[14]。暗脈粉蝶（Pieris napi）在覓食時主要利用視覺[15]。除了視覺，蝴蝶還具有發(fā)達(dá)的嗅覺系統(tǒng)[16-17]，花的氣味則作為嗅覺信號影響蝴蝶的訪花行為[18-19]，如蕁麻蛺蝶（Aglais urticae）、黃蛺蝶（Polygonia calbum）、枯葉蛺蝶（Kallima inachus）和紅鋸?fù)惖–ethosia bibis）主要利用嗅覺信號進(jìn)行覓食及搜尋寄主植物[6,20-21]。

不僅如此，蝶類在求偶過程中，也需通過視覺、嗅覺和觸覺等信號來進(jìn)行配偶的識別[22]。其中有些蝶類以視覺為主[23-24]，有些以嗅覺[25-26]或觸覺為主[27-28]，有的蝶類綜合利用視覺和嗅覺信號[17]進(jìn)行配偶識別。目前已有研究表明，暴露在蝴蝶翅膀腹面的色彩信號有助于躲避捕食者[29-30]，物種識別[31]，而隱藏在翅膀背面的色彩信號，包括紫外線信號，則在尋找配偶中起作用[32-33]，如菜粉蝶（Pierisrapae）雌蝶對背部翅膀顏色較深的雄性表現(xiàn)出明顯的偏好，這些雄蝶的翅膀背面顏色在長波較亮，紫外波長較暗，并且含有大量的蝶呤色素[34]。當(dāng)把蝶呤從雄性翅膀上去除后，雄蝶的求偶成功率降低[35]。而在近距離求偶時，蝴蝶利用蟲體揮發(fā)物提供的嗅覺信號對配偶進(jìn)行精準(zhǔn)識別，這種嗅覺信號，被認(rèn)為是對蝶類視覺信號的補(bǔ)充[36]。成蟲蟲體揮發(fā)物可以確保雌雄蝶交流具有高度的私密性[20]。如雄性信息素MSP 在偏瞳蔽眼蝶（Bicyclus anynana）的配偶選擇中起關(guān)鍵作用[37-38]。

鶴頂粉蝶（Hebomoia glaucippe）又名赤頂粉蝶、紅襟粉蝶，隸屬于鱗翅目（Lepidoptera）粉蝶科（Pieridae）襟粉蝶族（Anthocharidini）鶴頂粉蝶屬（Hebomoia）[39]。國內(nèi)分布于福建、廣東、海南、四川、云南、香港等地[40]。不同蝶種覓食求偶過程中的視覺嗅覺信號識別機(jī)制不同，有關(guān)鶴頂粉蝶覓食求偶過程中視覺嗅覺利用系統(tǒng)研究尚未見報道。本研究通過對鶴頂粉蝶覓食求偶過程中識別行為的觀察，探索鶴頂粉蝶在覓食和求偶過程中的視覺和嗅覺選擇，以期了解鶴頂粉蝶覓食求偶過程中對視覺嗅覺信息利用機(jī)制，為開展鶴頂粉蝶的規(guī)?；斯し庇峁├碚摵蛯嵱靡罁?jù)，為其它蝴蝶的研究提供參考。本研究亦為進(jìn)一步探索蝴蝶進(jìn)化過程中視覺嗅覺利用提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗地點(diǎn)

試驗在中國林業(yè)科學(xué)研究院高原林業(yè)研究所祿豐試驗站進(jìn)行，試驗站海拔高度為1 382 m。該地區(qū)年平均氣溫16.2 ℃，年均降水量930～950 mm，年無霜期322 d。行為學(xué)觀察測試在網(wǎng)室（9 m ×5 m × 5 m）進(jìn)行，常溫網(wǎng)室通風(fēng)透光良好，并且光照均勻。

1.2 試驗材料

1.2.1 供試蝴蝶 從云南省元江縣昆明中林昆蟲觀賞有限公司獲得鶴頂粉蝶蛹，帶回室內(nèi)掛置于自然變化光周期、溫度25±2 ℃、濕度50%～70%條件下。蛹羽化后，取新羽化健康的蝴蝶成蟲進(jìn)行試驗。將待試蝴蝶（羽化2 d 用于覓食試驗，羽化5 d 用于求偶試驗）放于網(wǎng)室內(nèi)讓其適應(yīng)24 h。試驗前放入少量清水供成蟲吸食補(bǔ)充水分，求偶過程中假花上噴灑10%蜂蜜水供蝴蝶取食。

1.2.2 供試假花 選擇花冠為紅色、橙色、黃色、綠色、藍(lán)色、紫色和白色7 種顏色的假花（圖1A）。用于成蟲訪花測試。假花由棉布制成，除顏色不同外，形狀基本相同。測試前，利用光譜儀（USB200+，Ocean Optics，Inc.，USA）測量7 種顏色假花的反射光譜（圖1B），用于校準(zhǔn)蝴蝶訪花行為的顏色趨性。

圖1 7 種假花花色及其可見光范圍的光譜反射率Fig.1 Artificial flowers with seven colors and their spectral reflectance in visible light

1.2.3 供試蜂蜜水 以槐花蜂蜜（桂林周氏順發(fā)食品有限公司）為原料，用純凈水稀釋配制為10%濃度的蜂蜜水。

1.2.4 蝴蝶塑封模型制作 將黑色木條作為蝴蝶成蟲軀體，將鶴頂粉蝶成蟲翅膀粘于木條軀體后，粘上黑色假觸角（類似毛刷），再用PVC 塑料塑封制成仿真塑封蝴蝶模型（圖2）。按照前翅、后翅、翅正面、翅反面組合制成4 種塑封模型：1、♀翅膀背面；2、♀翅膀腹面；3、♂翅膀背面；4、♂翅膀腹面，用于蝴蝶求偶過程中模型訪問行為測試。

圖2 模仿鶴頂粉蝶雌雄成蟲制作的塑封模型Fig.2 An artificial butterfly model made by imitating Hebomoia glaucippe males and females

1.3 試驗方法

1.3.1 鶴頂粉蝶對單一顏色的趨向試驗 將紅、橙、黃、藍(lán)、紫、綠和白色7 種顏色的假花分別按相同顏色各自集中在一起[4]，花朵距地面約0.5～0.7 m，相鄰花束間距為80 cm。在天氣晴朗、光照充足，溫度18～30 ℃，相對濕度60%～80%的環(huán)境條件下，放入鶴頂粉蝶雌雄蝶各10 只，觀察時間為9:30—11:30，14:30—17:30，7 種顏色的假花位置每1 h 按順時針方向移動1 次，避免位置帶來的誤差。每隔40 min 在7 種假花花束上分別補(bǔ)噴清水10 mL。重復(fù)試驗3 d（下同）。

取食：鶴頂粉蝶停落在假花上，探食后伸出喙管并開始吸食假花上的蜂蜜水或清水，記錄為取食。

訪花次數(shù)：從鶴頂粉蝶著落在花朵上伸出喙管探食，至鶴頂粉蝶卷曲喙管飛離花朵記為1 次訪花。若同1 只蝴蝶飛離后，在不超過1 m 距離內(nèi)又折回到同1 花朵上，則僅記為1 次訪花。

1.3.2 鶴頂粉蝶對單一氣味的趨向試驗 為了明確氣味對鶴頂粉蝶的誘集效果，試驗將假花花冠去掉，剩下花枝和葉片，將10%蜂蜜水噴灑在無花冠的花托上，觀察并記錄鶴頂粉蝶對無花冠花托的訪問次數(shù)。

1.3.3 鶴頂粉蝶對顏色氣味混合（單一顏色 +10%蜂蜜水）的趨向試驗 在7 種假花花束上用噴壺分別均勻噴灑等量的10%的蜂蜜水10 mL，為了有效避免因水分蒸發(fā)而影響試驗結(jié)果，每隔40 min 在7 種假花花束上分別補(bǔ)噴10%的蜂蜜水10 mL。觀察并分別記錄鶴頂粉蝶對不同顏色花束的訪問次數(shù)。

1.3.4 鶴頂粉蝶自然種群求偶行為 在網(wǎng)室放入處于求偶期但未交配的雌、雄成蟲各10 只，觀察雌雄蝶的求偶追逐行為。觀察時間為9:30—11:30，14:30—17:30。當(dāng)某一雌/雄成蟲對異性個體表現(xiàn)出明顯趨向行為，并出現(xiàn)尾隨追求，記為1 次求偶行為。為便于區(qū)分雌雄，雌蝶前翅用紅色記號筆標(biāo)記。

1.3.5 雌雄蝶對塑封模型的趨向行為 在觀察網(wǎng)室內(nèi)3 條橫線上垂直懸掛12 只模型，雌蝶模型、雄蝶模型和空白模型均為4 只（模型的懸掛順序依次為雌、雄和空白模型）。12 只模型距地面垂直高度約1.8 m，模型間距為1 m。分別將處于求偶期雌蝶10 只和雄蝶10 只放入網(wǎng)室進(jìn)行模型訪問的觀察，觀察過程中每間隔2 h 交換1 次模型位置，觀察并記錄雌雄蝶訪問模型的次數(shù)。

模型訪問次數(shù)：蝴蝶接近移動模型時，觀察到蝴蝶減速，快速震動翅膀，并做出求偶姿勢，此時，將繞模型飛行或停在模型上記為訪問1 次。若1只蝴蝶訪問模型后，在不超過1 m 距離內(nèi)或時間不超過10 s 又返回到同一模型上，則僅記為訪問1 次[41]。

1.3.6 鶴頂粉蝶色彩及光譜分析 將前述鶴頂粉蝶標(biāo)本及模型翅膀平展開后，用光譜儀（USB200+，Ocean Optics，Inc，USA）拍照，然后通過SRAnal、ENVI 軟件進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，最后利用Excel 繪圖。使用紫外儀（型號WD-9403C，反射影像波長365 nm）拍照。

通過光譜分析表明，自然種群與塑封模型的光譜特征相似，雖然塑封模型反射率低于自然種群，但是在重要的反射率高峰階段相似（圖3A-B）。試驗觀察發(fā)現(xiàn)，在自然光下，鶴頂粉蝶雌雄翅面顏色和翅脈存在差別，雌蝶后翅背面比雄蝶多1 列黑色斑點(diǎn)。另外，雌雄蝶前后翅腹面的顏色有明顯區(qū)別（圖3C）。在紫外光下，蝴蝶模型與標(biāo)本比較，雖然有一定差異，但塑封模型反射率更強(qiáng)，蝴蝶更容易識別(圖3D-E)。

圖3 鶴頂粉蝶雌雄蝶自然種群及塑封模型色彩Fig.3 The color of females and males of natural Hebomoia glaucippe butterfly and artificial Hebomoia glaucippe butterfly model

1.3.7 數(shù)據(jù)分析 使用IBM SPSS25.0 統(tǒng)計分析軟件，對鶴頂粉蝶覓食過程中的訪花數(shù)據(jù)和自然種群求偶的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素ANOVO 檢驗，然后用Duncan 進(jìn)行多重比較。噴灑10%蜂蜜水前后鶴頂粉蝶訪花數(shù)據(jù)采用獨(dú)立樣本t檢驗。

2 結(jié)果

2.1 鶴頂粉蝶對單一顏色的趨向試驗

觀察結(jié)果表明，雌雄蝶對7 種顏色的訪問次數(shù)存在差異，雌蝶對除黃色和橙色外的顏色響應(yīng)高于雄蝶（P＜0.05）。雌雄蝶對7 種顏色假花均有訪問，訪問總次數(shù)為259 次，雌雄蝶分別為151 次和108 次，分別占訪問總次數(shù)58.3%和41.83%。雌雄蝶均對紅色（620～750 nm）假花訪問次數(shù)最多，訪問次數(shù)分別78 次和50 次，占訪問總次數(shù)的51.66%和46.60%。雌蝶對藍(lán)色（450～475 nm）和紫色（380～450 nm）訪問次數(shù)次之，訪問次數(shù)分別為24 次和18 次，雌蝶對藍(lán)色和紫色訪問次數(shù)分別占雌蝶訪問總次數(shù)15.89%和11.70%，而雄蝶對橙色（590～620 nm）和黃色（570～590 nm）假花的訪問次數(shù)次之，分別為26 次和13次，雄蝶對橙色和黃色訪問次數(shù)分別占雄蝶總訪問次數(shù)24.07%和12.35%，雌雄蝶均對綠色（595～570 nm）和白色的假花訪問相對較少（圖4A）。

2.2 鶴頂粉蝶對單一氣味的趨向試驗

在無花冠的花托上噴灑10%的蜂蜜水后，鶴頂粉蝶對單一氣味的反應(yīng)不活躍，雌雄蝶總訪問次數(shù)為10 次，雌雄蝶分別為8 次和2 次（圖4C）。

2.3 鶴頂粉蝶對顏色氣味混合（單一顏色 + 10%蜂蜜水）的趨向試驗

在無氣味的假花上噴灑10%蜂蜜水后，訪問總次數(shù)為583 次，雌雄蝶分別為305 次和278次，占訪問總次數(shù)52.32%和47.68%。雌蝶對黃色（570～590 nm）訪問次數(shù)最多（102 次），占雌蝶訪問總次數(shù)33.44%，其次是紅色（620～750 nm）和橙色（590～620 nm）假花分別是63次和49 次，占雌蝶總訪問次數(shù)20.55%和16.07%。雄蝶對橙色（590～620 nm）假花訪問最多（68次），占雄蝶訪問總次數(shù)24.34%，其次是紅色（620～750 nm）和黃色（570～590 nm）假花，訪問次數(shù)分別為63 次和65 次，占雄蝶訪問總次數(shù)22.54%和23.26%，雌雄蝶均對白色的假花訪問相對較少，均為5 次（圖4B）。

顏色+蜂蜜水誘集與單一顏色誘集相比，雌雄蝶對7 種顏色假花的訪問次數(shù)有不同程度的增加，并且在不同花色組合中蝴蝶訪花次數(shù)增加的比例不一樣，蝴蝶顏色趨性發(fā)生了變化，雌雄蝶訪花總次數(shù)增加2.25 倍，雌雄蝶分別增加2.02 倍和2.57倍（圖4C）。顏色+蜂蜜水誘集與單一氣味誘集相比，雌雄蝶訪花總次數(shù)增加58.30倍，雌雄蝶分別增加38.13倍和139.00倍（圖4C）。

圖4 鶴頂粉蝶對顏色及顏色 + 氣味的行為反應(yīng)Fig.4 Behavior response of the Hebomoia glaucippe butterfly to the colors and colors plus odor

2.4 鶴頂粉蝶自然種群求偶行為

在鶴頂粉蝶求偶過程中存在2種情況，即同性之間的驅(qū)逐及異性之間的追逐4種行為，4種行為總次數(shù)為55次，其中雄追雄（11次，20.00%）、雄追雌（27次，49.09%），雌追雄（11次，20.61%），和雌追雌（5次，9.70%）。雄追雌的次數(shù)顯著高于雌追雄的次數(shù)（P＜0.01），表明在求偶中雄蝶占主動地位，而雌蝶處于被動地位。雄蝶驅(qū)逐同性行為的次數(shù)較雌蝶驅(qū)逐同性的次數(shù)多（P＜0.05），雄蝶同性之間的競爭較強(qiáng)烈（圖5）。

圖5 鶴頂粉蝶自然種群求偶和追逐模型行為比較Fig.5 Comparison of natural population courtship and chasing model behavior of Hebomoia glaucippe butterflies

2.5 雌雄蝶對塑封模型的趨向行為

在鶴頂粉蝶對無氣味的蝴蝶標(biāo)本模型求偶中，同樣存在同性之間的驅(qū)逐及異性之間的追逐現(xiàn)象，總訪問次數(shù)為36 次。其中雄追雄（5 次，13.89%）、雄追雌（7 次，18.75%）、雌追雄（10 次，28.47%）、雌追雌（12 次，31.94%）、雄蝶訪問空白模型（1次，2.78%）和雌蝶訪問空白模型（1 次，3.47%）（圖5）。模型訪問次數(shù)與自然種群求偶比較，雖然也存在4 種相同的求偶模式，但鶴頂粉蝶對缺乏氣味的標(biāo)本模型的訪問次數(shù)低于自然種群（P＜0.05）。

3 討論

訪花蝶類成蟲通過取食花蜜補(bǔ)充營養(yǎng)，以便于完成求偶、交配和產(chǎn)卵等生命活動。蝶類在飛行過程中首先通過花色來遠(yuǎn)距離搜尋、發(fā)現(xiàn)蜜源植物[42-43]，靠近后再利用嗅覺信號精準(zhǔn)定位蜜源植物[44]。雖然不同蝶種的蜜源植物種類有很大差異，但仍有很多蝶種偏好訪問相同顏色的花朵[45]。本研究中，無氣味7 色花誘集時，鶴頂粉蝶對不同花色均有訪問，但對長波長紅色（620～750 nm）趨性最強(qiáng)，顯示出其覓食過程中的色覺偏好。許多研究在鳳蝶及粉蝶科蝴蝶中發(fā)現(xiàn)了紅色視覺色素[11,46]，結(jié)合前人的研究結(jié)果，推測鶴頂粉蝶復(fù)眼存在感覺紅光波段的視覺色素。雌蝶對色覺的響應(yīng)高于雄蝶，這可能由于雌蝶肩負(fù)產(chǎn)卵繁衍后代的使命，需要補(bǔ)充更多的營養(yǎng)，植物的花色可能驅(qū)動了雌蝶以紅色為主的視覺系統(tǒng)的發(fā)育。單一氣味誘集時，鶴頂粉蝶訪花次數(shù)較少，說明沒有顏色的指引，單一氣味對鶴頂粉蝶引誘作用有限，可能因為氣味較復(fù)雜、不穩(wěn)定、受干擾較大。7 種不同顏色假花 +10%蜂蜜水誘集時，雌雄蝶均對黃色（570～590 nm）、紅色（620～750 nm）和橙色（590～620 nm）訪問最多，結(jié)合鶴頂粉蝶翅面色彩特征（橙黃色、橙紅色），考慮到昆蟲和植物之間的生態(tài)互作，初步推測鶴頂粉蝶在進(jìn)化過程中存在與植物花色的協(xié)同進(jìn)化。

視覺和嗅覺作為一個信號組合，不同蝶種對其信號利用機(jī)制存在差別，進(jìn)而影響蝴蝶的訪花行為[47]。如玉帶鳳蝶Papilio polytes在其覓食過程中，視覺為主嗅覺為輔[4]，而虎斑蝶Danaus genutia在訪花時僅依靠嗅覺[44]。本研究所測試的鶴頂粉蝶經(jīng)試驗可以歸到蝴蝶覓食過程中視覺為主，嗅覺為輔[44]。另外，添加10%蜂蜜水后與單一顏色相比，雌雄蝶的顏色趨性發(fā)生了變化，由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色和橙色，表明除了視覺，鶴頂粉蝶的覓食行為在一定程度上受嗅覺的影響，嗅覺在促進(jìn)鶴頂粉蝶蜜源植物的精準(zhǔn)識別和覓食行為方面具有一定的作用。訪花昆蟲為了節(jié)省覓食的時間，充分利用視覺嗅覺信號，本研究結(jié)果表明鶴頂粉蝶也遵循這一機(jī)制。

在求偶過程中，為減少被天敵捕食的風(fēng)險及提高求偶效率，蝴蝶利用多種信號識別配偶[26]。蝴蝶自然種群求偶過程中有4 種追逐行為[48]，同樣，鶴頂粉蝶在求偶過程中也存在這4 種行為，其中異性追逐時雄追雌遠(yuǎn)多于雌追雄，說明雄蝶在求偶時處于主動地位，雄蝶能精準(zhǔn)識別雌蝶。同性驅(qū)逐時雄追雄的次數(shù)多于雌追雌的次數(shù)，可能是雄蝶為了爭奪交配的主動權(quán)而激烈競爭，驅(qū)逐同類。在模型求偶試驗中，雌雄蝶對標(biāo)本模型訪問較多，表明雌雄蝶對其同類翅膀的色彩有識別能力，且該色彩對雌雄蝶具有吸引作用，說明鶴頂粉蝶可以通過翅膀色彩識別同類。雌雄蝶對僅有蝴蝶翅膀的形狀而缺少色彩的空白模型追逐次數(shù)僅各有1 次，進(jìn)一步說明蝴蝶依靠視覺信號進(jìn)行最初的配偶及同性的識別。本研究的結(jié)果支持蝴蝶可以通過翅面特征（如顏色、斑點(diǎn)等）、翅面鱗片反射的紫外光等來定位并識別同種異性[48]。雌追雌的次數(shù)最多，說明排除揮發(fā)物的嗅覺干擾，單一的視覺識別可加劇雌蝶之間的競爭。模型訪問與自然種群追逐相比，鶴頂粉蝶對模型訪問總次數(shù)明顯低于自然種群。雖然視覺有助于遠(yuǎn)距離識別同類[48-49]，但仍需要嗅覺進(jìn)行精準(zhǔn)識別。鶴頂粉蝶雌雄翅面顏色和圖案存在一定差別，雌蝶的紫外反射比雄蝶的強(qiáng)，推測這種模式更有利于鶴頂粉蝶適應(yīng)自然環(huán)境、配偶選擇及個體交流活動。

4 結(jié)論

本研究初步證明了鶴頂粉蝶覓食求偶時的視覺嗅覺利用。本研究結(jié)果表明，鶴頂粉蝶在覓食過程中以視覺為主，嗅覺為輔，具有明顯的色覺偏愛，偏愛紅色。在求偶過程中，雖然鶴頂粉蝶具有視覺識別能力，仍需要通過嗅覺信號精確識別配偶及同性。