肅南6種草地蝗蟲雄性外生殖器比較

鄭成卓， 曹 寧， 傅曉意， 安加吉才讓， 劉長仲， 錢秀娟

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院，甘肅省農(nóng)作物病蟲害生物防治工程實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

草原是中國最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，是畜牧業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是農(nóng)牧民生存的基本生產(chǎn)和生活資料[1]。近年來，由于草原蝗蟲持續(xù)偏重發(fā)生，草原退化、沙化加劇，嚴重影響著草原畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時對生態(tài)安全和農(nóng)牧民的生存發(fā)展構(gòu)成威脅[2]。肅南縣是以天然草場放牧為主的純牧業(yè)縣，屬甘肅省的7大牧業(yè)縣之一。肅南是甘肅省蝗蟲重發(fā)區(qū)，每10年左右發(fā)生1次，每次延續(xù)2～3年[3]。長期以來，由于氣候干旱等自然因素和人為因素的共同影響，天然草地生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)不同程度的惡化，蝗蟲種群數(shù)量急劇增加，蝗災(zāi)頻頻發(fā)生[4]。經(jīng)鑒定全縣現(xiàn)有蝗蟲27屬55種[5]。每年草地蝗蟲發(fā)生面積達300萬～400萬畝，成災(zāi)面積達250 萬畝左右。平蟲口密度83頭·m-2，最高點達308頭·m-2，牧草損失率達50%～80%，給防治工作帶來困難[6]。在蝗蟲防治過程中蝗蟲種類識別是基層工作難點之一，所以本文開展了形態(tài)學(xué)研究，為識別蝗蟲種類、做好監(jiān)測預(yù)警提供支撐。

雄性外生殖器結(jié)構(gòu)具有種的穩(wěn)定性和特異性，因此在蝗蟲分類上具有重要的參考價值[7]，其包括陽具基背片和陽具復(fù)合體，陽具基背片覆蓋在陽具復(fù)合體上，位于肛上板下，其形狀多變，是分類上的重要依據(jù)[8]。Randell對蝗蟲進行鑒定時提到雄性外生殖器可以作為蝗蟲的分類依據(jù)[9]，隨后Whitman提出鑒定親緣關(guān)系相近的物種時，雄性外生殖器可以作為一種穩(wěn)定的鑒定依據(jù)[10]。楊國輝對斑腿蝗科卵翅蝗屬[11]、云南特有的3種蝗蟲進行了比較[12]；陳阿蘭對斑翅蝗科[7]、網(wǎng)翅蝗科蝗蟲進行了比較[13]；婁延霞觀測了東亞飛蝗的顯微構(gòu)造[14]；馮麗霞對斑腿蝗科蝗蟲進行了比較[15]；任金龍對兩種星翅蝗進行了比較[16]。相關(guān)圖書有劉舉鵬編著的《中國蝗蟲鑒定圖冊》[17]，鄭哲民編著的《蝗蟲分類學(xué)》[18]，甘肅省蝗蟲調(diào)查協(xié)作組編著的《甘肅蝗蟲圖志》[19]等，但就甘肅草原蝗蟲的外生殖器形態(tài)特征的報道甚少，常見蝗蟲雄性外生殖器原色照片缺乏。

為了科學(xué)地比較蝗蟲雄性外生殖器，簡化變量，本文應(yīng)用的統(tǒng)計分析方法是將原始指標降維，提取到幾個主成分，其中每個主成分都能反映原始變量的大部分信息，從而可以全面權(quán)衡每個性狀在某個品種中所處的位置和分量的主成分分析(principal component analysis，PCA)[20]。目前，應(yīng)用主成分分析研究蝗蟲雄性外生殖器特征的報道較少，僅張麗麗引入主成分分析對同地理種群青脊竹蝗和大青脊竹蝗的陽具基背片進行比較[21]以及白靜就新疆蝗蟲雄性外生殖器進行了主成分分析[22]。對于蝗蟲的分類主要利用的是蝗蟲外部形態(tài)特征，而雄性外生殖器的形態(tài)特征缺乏具體、系統(tǒng)的描述，因此本研究綜合比較前人的研究結(jié)果，聚焦于蝗蟲雄性外生殖器陽具基背片的7項形態(tài)指標對6種蝗蟲進行主成分分析，旨在為肅南縣草地蝗蟲鑒定、綜合防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試蟲源：青海痂蝗Bryodemamiramaemiramae、紅翅皺膝蝗Angaracrisrhodopa、鼓翅皺膝蝗Angaracrisbarabensis、黑翅皺膝蝗Angaracrisnigroptera、寬翅曲背蝗Pararcypteramicropterameridionalis、短星翅蝗Calliptamusabbreviaticus共6種供試蝗蟲于2020年8-10月間采自甘肅省肅南縣，均浸泡在75%的乙醇溶液備用。

1.2 方法

1.2.1解剖方法 將吸干后的蝗蟲放在體式顯微鏡下，用解剖針從肛上板、肛下板間取出雄性外生殖器，放入裝有2%的KOH溶液的小試管中浸泡，對標本和對應(yīng)的生殖器進行標記。將裝有雄性外生殖器的指形管放人沸水中加熱30～60 s，待附著的肌肉溶解后，用清水沖洗數(shù)次，在解剖鏡下分離出陽具基背片和陽具復(fù)合體，再放入75%的酒精中備用[12]，分別置于體式鏡下拍照，利用SZX16+EP50數(shù)字成像系統(tǒng)對其拍照，每種蝗蟲選擇20頭雄性成蟲用于解剖和測定。

1.2.2雄性外生殖器測量與描述 數(shù)據(jù)測量：將處理好的每種蝗蟲的雄性外生殖器置于數(shù)據(jù)體式鏡下進行拍照同時測其兩錨狀突間距Ll、錨狀突內(nèi)測間距L2、錨狀突外側(cè)間距L3、橋?qū)扡4、錨狀突高L5、后突內(nèi)側(cè)間距L6、后突外側(cè)間距L7

圖1 蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)測量標準

形態(tài)描述：陽具基背片→橋(B)→錨狀突(An)→前突(Ant)→側(cè)板(LP)→后突(PP)→冠突(L);陽具復(fù)合體→陽莖基瓣(Bp)→陽莖端瓣(Ap)→色帶連片(Zy)→色帶瓣(CV)[16]。

1.2.3主成分分析 本試驗主成分分析圍繞陽具基背片展開，將全部蝗蟲陽具基背片的兩錨狀突間距Ll、錨狀突內(nèi)測間距L2、錨狀突外側(cè)間距L3、橋?qū)扡4、錨狀突高L5、后突內(nèi)側(cè)間距L6、后突外側(cè)間距L7以上7項指標進行測量，步驟如下：(1)適宜性檢驗：對試驗驗數(shù)據(jù)進行KMO檢驗和Bartlett球形檢驗，KMO值大于0.6則數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適宜，Bartlett球形檢驗所得相伴概率P值小于顯著性水平0.05，因此拒絕Bartlett球形檢驗的零假設(shè)，認為變量之間存在較強的相關(guān)性，適合主成分分析；(2)對數(shù)據(jù)進行標準化處理后，再進行主成分分析，計算主成分特征值及方差貢獻率和累計貢獻率。利用SPSS 25.0軟件進行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)描述

2.1.1紅翅皺膝蝗 陽具基背片橋狀；橋長90.68 μm，中央向內(nèi)凹陷，呈半圓形；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為 334.48 μm和 117.33 μm；前突向上彎曲，頂鈍圓；側(cè)板邊緣弧形內(nèi)凹；后突長錐形突起；冠突似手指，頂端收縮。陽具復(fù)合體長寬比約為1.24；陽莖基瓣寬，分為兩片向外彎曲，中間不相連；陽莖端瓣細?。簧珟нB片似“V”形；色帶瓣表面平緩(圖2a)。

2.1.2鼓翅皺膝蝗 陽具基背片外形橋狀；橋長291.81 μm，中央向內(nèi)凹陷，呈半橢圓形；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為424.38 μm和 138.68 μm；前突向上彎曲，頂鈍圓；側(cè)板邊緣弧形內(nèi)凹；后突長錐形突起；冠突似鼓槌，頂端膨大。陽具復(fù)合體長寬比約為1.39；陽莖基瓣寬,分為兩片向外彎曲，中間不相連；陽莖端瓣細??；色帶連片似“V”形；色帶瓣表面平緩，頂端錐形突起(圖2b)。

2.1.3黑翅皺膝蝗 陽具基背片橋狀；橋長90.67 μm，中央向內(nèi)凹陷，呈半圓形；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為320.00 μm和 130.29 μm；前突向上彎曲，頂鈍圓，側(cè)板邊緣弧形內(nèi)凹；后突長錐形突起；冠突似鼓槌，頂端膨大。陽具復(fù)合體長寬比約為1.39；陽莖基瓣寬，分為兩片向外彎曲，中間不相連；陽莖端瓣細小，色帶連片似“V”形，色帶瓣頂端突起(圖2c)。

2.1.4短星翅蝗 陽具基背片橋狀；橋長137.14 μm，中央略微向內(nèi)凹陷；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為401.52 μm和140.20 μm；前突向上彎曲，近似直角，側(cè)板邊緣略內(nèi)凹；后突長錐形突起；冠突似鼓槌，頂端膨大。陽具復(fù)合體長寬比約為1.39；陽莖基瓣寬，分為兩片略微向外彎曲，中間不相連；陽莖端瓣細小，色帶連片似“U”形，色帶瓣頂端似錐(圖2d)。

2.1.5青海痂蝗 陽具基背片橋狀；橋長109.71 μm，中央向內(nèi)凹陷，呈半圓形；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為 309.34 μm和 108.20 μm；前突向上彎曲，頂尖銳；側(cè)板平直無凹陷；后突長錐形突起；冠突似珠，表面圓滑。陽具復(fù)合體長寬比約為1.5；陽莖基瓣寬，分為兩片向外彎曲，中間不相連；陽莖端瓣細?。簧珟нB片似“V”形；色帶瓣表面平直(圖2e)。

2.1.6寬翅曲背蝗 陽具基背片橋狀；橋長108.95 μm，中央向內(nèi)凹陷，近似圓形；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為240.00 μm和 110.48 μm；前突向上彎曲，近似直角；側(cè)板邊緣平直無凹陷；后突長錐形突起；冠突似鼓槌，頂端膨大。陽具復(fù)合體長寬比約為1.59；陽莖基瓣寬，分為兩片向外彎曲，中間不相連；陽莖端瓣細?。簧珟нB片似“U”形(圖2f)。

圖2 6種雄性外生殖器形態(tài)圖

2.2 蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)特征比較

6種蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)特征比較，詳見表1。

表1 6種蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)特征比較

紅翅皺膝蝗的主要特征：陽具基背片的錨狀突尖銳、彎曲，冠突棒狀首尾密布刻點，側(cè)板外緣內(nèi)凹，后突三角狀，陽莖基瓣呈寬圓形，色帶瓣平緩。

鼓翅皺膝蝗的主要特征：陽具基背片冠突棒狀，兩端密布刻點，陽莖基瓣為寬圓形，色帶連片超過陽莖基瓣 1/4。

黑翅皺膝蝗的主要特征：陽具基背片的錨狀突為尖銳牛角狀，冠突分為兩葉，首尾密布刻點，外冠突呈棒狀；陽具復(fù)合體的陽莖基瓣為寬圓形，色帶連片達陽莖基瓣底部。

短星翅蝗的主要特征；陽具基背片的錨狀突尖銳且彎曲，冠突分為兩葉，首尾密布刻點，外冠突呈棒狀；陽具復(fù)合體的陽莖基瓣為寬圓形，色帶連片超過陽莖基瓣 1/2。

青海痂蝗的主要特征：陽具基背片的冠突尖銳且彎曲，首尾密布刻點，外突呈棒狀，陽具復(fù)合體的陽莖基瓣為寬圓形，色帶連片達陽莖基瓣底部。

曲背蝗屬主要特征：陽具基本片冠突為兩葉似牛角，頂端收縮密布刻點，陽莖基瓣馬蹄狀，色帶連片超過陽莖基瓣 1/3；陽莖端瓣鉤狀。斑翅蝗科雄性外生殖器的共有特征為陽具基背片橋狀，錨狀突尖銳，陽莖基瓣寬圓形。

2.3 蝗蟲雄性外生殖器7項指標主成分分析

2.3.1主成分分析的適宜性檢驗 根據(jù)6種蝗蟲雄性外生殖器7個指標主成分分析，KMO和巴特利特檢驗結(jié)果如下，KMO取樣適切性量數(shù)為0.683(>0.6)，巴特利特球形度檢驗所得P值為0(P<0.05)，因此拒絕Bartlett球形檢驗的零假設(shè)，認為變量間存在較強的相關(guān)性，適合做主成分分析。

2.3.2主成分因子的選擇 此試驗對6種蝗蟲雄性外生殖器的7項指標利用主成分分析法進行分析，利用spss25.0軟件對試驗數(shù)據(jù)處理后，得到主成分特征值及貢獻率。共提取到2個主成分因子(特征值>1)，分別為λ1=5.213，λ2=1.233，累計方差貢獻率達92.082%，符合主成分分析要求，即這2個主成分代表6種蝗蟲的7項性狀信息，因此可以選取這2個主成分作為蝗蟲的鑒定指標。

2.3.3主成分分析相關(guān)系數(shù)矩陣特征值 將7項指標壓縮為2個主成分因子構(gòu)建主成分二維平面圖，將樣本變量進行降維，以觀察各項指標對樣本分布的貢獻大小，結(jié)果見表4。第一主成分主要包括兩錨狀突間距(L1)、后突外側(cè)間距(L7)、錨狀突高(L5)、錨狀突外側(cè)間距(L3)、錨狀突內(nèi)測間距(L2)、冠突內(nèi)側(cè)間距(L6)，相對應(yīng)的特征值分別為0.973，0.956，0.950，0.946，0.933，0.775，集中反映錨狀突、后突、冠突的相對位置；第二主成分主要為橋?qū)?L4)，特征值為0.923，即第二主成分可以概括為陽具基背片橋?qū)挕?/p>

表2 主成分因子矩陣

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，寬翅曲背蝗陽具基背片形似長方形，不同于其他5種蝗蟲：冠突頂端之間無連接的部分、陽莖基瓣似馬蹄，陽莖端瓣鉤狀；青海痂蝗與陳阿蘭[7]對青海痂蝗B.miramae描述基本一致：冠突為棒狀、橋中間均有向上凸起的部分，結(jié)合白靜[23]對朱腿痂蝗和蒙古痂蝗的描述，說明痂蝗屬陽具背基片的冠突為棒狀，此分析與白靜研究結(jié)果一致。皺膝蝗屬與斑腿蝗科的其他屬，如楊國輝[12]研究的凹背蝗屬、擬裸蝗屬以及馮麗霞[15]研究的卵翅蝗屬和腹露蝗屬的陽具基背片形狀相同，均為橋狀。

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，縮小范圍聚焦于陽具基背片的7個指標進行主成分分析，結(jié)果顯示所測指標可歸納為2個主要成分，第一主成分主要包括兩錨狀突間距(L1)、后突外側(cè)間距(L7)、錨狀突高(L5)、錨狀突外側(cè)間距(L3)、錨狀突內(nèi)測間距(L2)、冠突內(nèi)側(cè)間距(L6)，該結(jié)果與白靜[23]分析的第一主成分有一定出入，原因可能有以下幾點：(1)所測指標不同，白靜加入了陽具復(fù)合體長寬比，而本研究主要聚焦于陽具基背片；(2)用于分析的蝗蟲種類也存在差異，前者所測物種有12種，本研究中為6種；(3)生境差異也是影響因子之一，前者供試蟲源來自新疆而本研究中樣本來自甘肅。第二主成分主要為橋?qū)?L4)，與張麗麗對兩種蝗蟲主成分分析的第三成分相一致[21]，因此次橋?qū)捒梢宰鳛榛认x鑒別的特征之一。

綜上所述，加強蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)的研究和建立規(guī)范的描述體系，對探討蝗蟲的分類和系統(tǒng)發(fā)育都具有重要意義。