云杉大墨天牛成蟲觸角感器的掃描電鏡觀察1)

李德斌 李志鵬 王偉韜 吳昊 王家慶 何姍 姜生偉

(沈陽工學(xué)院,沈陽,113122)(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué))(遼寧省林業(yè)發(fā)展服務(wù)中心)(東北林草危險(xiǎn)性有害生物防控國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(沈陽工學(xué)院)) (遼寧省危險(xiǎn)性有害生物防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(沈陽工學(xué)院))(遼寧省林業(yè)和草原局)

云杉大墨天牛(Monochamusurussovi)隸屬于鞘翅目(Coleoptera)天?？?Cerambycidae)墨天牛屬(Monochamus),是東北地區(qū)松樹的主要害蟲之一。云杉大墨天牛幼蟲為蛀干害蟲,其可取食到樹干髓心部位,成蟲取食松樹嫩枝,造成木材損失。昆蟲在長期進(jìn)化過程中,為應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境因素和完成覓食、尋偶、交配、產(chǎn)卵、遷飛等多種生命活動,形成了一系列適合自身特點(diǎn)和生活方式的感覺器官。昆蟲的感覺器官與神經(jīng)系統(tǒng)及分泌系統(tǒng)共同調(diào)控昆蟲的生理和行為[1-2]。昆蟲的感器由體壁表皮特化形成,是昆蟲識別揮發(fā)性化學(xué)信號的基本結(jié)構(gòu),也是其感受外界信息最基本的結(jié)構(gòu)單元。對感器形態(tài)學(xué)及結(jié)構(gòu)的觀察是昆蟲功能研究的基礎(chǔ)。觸角是昆蟲接受外部刺激的重要感覺器官之一,觸角上的感器數(shù)量和種類均比較豐富,在調(diào)節(jié)昆蟲行為方面有著重要作用。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者先后報(bào)道了黃星天牛(Psacotheahilaris)[3]、松墨天牛(Monochamusalternatus)[4-6]、云斑天牛(Batocerahorsfieldi)[7]、青楊脊虎天牛(XylotrechusrusticusL)[8]等天牛觸角感器的超微結(jié)構(gòu),并對其感器功能進(jìn)行推斷,但鮮見有關(guān)于云杉大墨天牛感器結(jié)構(gòu)特征和功能推斷的報(bào)道。對云杉大墨天牛觸角感器類型、數(shù)量、分布規(guī)律的探究可為其行為學(xué)和電生理學(xué)研究等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

在吉林省延邊朝鮮族自治州安圖縣采集云杉大墨天牛雌、雄蟲觸角各5對。主要儀器有超聲波清洗儀(SB-5200DT)、真空冷凍干燥機(jī)(VFD-30)、離子鍍膜機(jī)(MC1000)、掃描電子顯微鏡(JSM-7500F)。主要試劑有磷酸緩沖液(PBS)、無水乙醇溶液(分析純)、叔丁醇溶液(分析純)。

1.2 樣品處理

用體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精在超聲波清洗儀中對云杉大墨天牛觸角進(jìn)行震蕩清洗180 S。用磷酸緩沖液對樣品進(jìn)行漂洗15 min,共重復(fù)3次。利用不同梯度乙醇溶液對其進(jìn)行脫水,乙醇溶液體積分?jǐn)?shù)分別為50%、70%、80%、90%、100%,每個(gè)梯度脫水15 min,其中體積分?jǐn)?shù)為100%的乙醇溶液脫水3次,其余體積分?jǐn)?shù)的脫水1次。然后再利用不同體積分?jǐn)?shù)的叔丁醇對其進(jìn)一步脫水,叔丁醇溶液體積分?jǐn)?shù)分別為50%、75%、90%、100%,每次干燥10 min,將脫水處理完的樣品放置冰箱4 ℃保存待用。

1.3 樣品觀察

脫水后的樣品用VFD-30真空冷凍干燥機(jī)干燥約3 h。干燥后,將樣品用導(dǎo)電膠粘貼在樣品臺上,然后在MC1000離子鍍膜機(jī)上噴金3 min,在1 kV下用掃描電子顯微鏡對觸角上的感器進(jìn)行觀察。

1.4 數(shù)據(jù)處理

天牛觸角上感器種類繁多,依據(jù)其外部形態(tài)、表面痕跡、大小等特征進(jìn)行分類。選取每種類型的天牛觸角感器3～10個(gè),進(jìn)行長度和基部直徑測量,對每個(gè)部位著生的各類感器的數(shù)量和分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。所有測量數(shù)據(jù)運(yùn)用SPSS22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 觸角的基本特征

云杉大墨天牛雌蟲和雄蟲的觸角均由柄節(jié)、梗節(jié)、9節(jié)鞭節(jié)組成,共11節(jié)(圖1)。雄蟲觸角較長,平均長度為(82.41±4.76)mm,雌蟲較短,平均為(44.46±2.25)mm。觸角基部為黑褐色,從第3節(jié)開始逐漸呈棕紅色,雌性觸角每節(jié)基部均被有灰白色毛。雌蟲及雄蟲的觸角均以第1節(jié)鞭節(jié)最長,雄性的為(12.91±0.80)mm,雌性的為(8.25±0.66)mm;第8鞭節(jié)最短,雄蟲第8鞭節(jié)平均為(6.33±0.40)mm,雌蟲平均為(2.79±0.13)mm。

F1～F9分別為第1鞭節(jié)～第9鞭節(jié)。

2.2 云杉大墨天牛觸角感器類型

云杉大墨天牛觸角上的感器類型共有6種,分別為錐形感器、刺形感器、毛形感器、具溝端彎感器、水滴形感器和波氏鬃毛(圖2)。雌蟲觸角上的感器種類有5種,分別為錐形感器、刺形感器、毛形感器、具溝端彎感器、波氏鬃毛,雄蟲觸角上則6種感器均有分布。在雌、雄天牛觸角上均是毛形感器數(shù)量最多,其次為錐形感器,波氏鬃毛和刺形感器數(shù)量較少。各感器形態(tài)特征及度量值詳見表1。

表1 云杉大墨天牛觸角感器的形態(tài)特征

圖2 云杉大墨天牛觸角感器類型圖

2.3 觸角感器的數(shù)量

雌、雄觸角感器數(shù)量比約為3∶1,雌性天牛觸角上的感器數(shù)量高于雄性天牛。雌性與雄性天牛觸角上的各感器數(shù)量順序基本一致,由多到少依次為毛形感器、錐形感器、具溝端彎感器、波氏鬃毛、刺形感器。雄性天牛觸角上的水滴形感器數(shù)量較多,與錐形感器的數(shù)量相近。

2.3.1 雄性天牛觸角感器數(shù)量和分布

雄性天牛觸角感器數(shù)量和分布見表2。

表2 云杉大墨天牛雄蟲觸角不同感器數(shù)量

雄蟲的觸角中,錐形感器分布在第4～9鞭節(jié)中,在第9鞭節(jié)分布最多。第9鞭節(jié)距離昆蟲頭部最遠(yuǎn),可最先感受外界的化學(xué)信息如氣味等。依據(jù)過往對昆蟲感器的研究,錐形感器為嗅覺感器,與搜尋寄主和食物有關(guān),推測其在取食階段發(fā)揮作用。

毛形感器在雄蟲觸角的各節(jié)中均有分布,數(shù)量上以第4鞭節(jié)為節(jié)點(diǎn),自第4鞭節(jié)開始顯著增多并呈上升趨勢,其中,第9鞭節(jié)毛形感器數(shù)量最多。毛形感器為嗅覺感器,其與信息素和寄主揮發(fā)物的接收有關(guān),推測毛形感器在搜尋配偶方面發(fā)揮作用。

刺形感器在除梗節(jié)外的其余各節(jié)均有分布,其中,柄節(jié)上數(shù)量最多。各鞭節(jié)刺形感器數(shù)量相當(dāng),均分布在各節(jié)端部,但總體數(shù)量遠(yuǎn)小于其他感器。刺形感器長度最長,可最先接收外界的信息,感受機(jī)械刺激和化學(xué)信息。

具溝端彎感器在除柄節(jié)外的其余各節(jié)均有分布。梗節(jié)及第1～6鞭節(jié)的具溝端彎感器數(shù)量相近,從第7～8鞭節(jié)開始,具溝端彎感器數(shù)量開始增加,第9鞭節(jié)的數(shù)量最多,大約為前部的10倍左右。目前,具溝端彎感器功能尚未明確,其垂直于觸角表面,與外界接觸面積最大,推測其作用可能與感受空氣中的溫濕度有關(guān)。

水滴形感器在除柄節(jié)外的其余各節(jié)均有分布,其呈現(xiàn)兩端多,中間少的分布特征。水滴形感器只在雄性天牛觸角中有分布。水滴型感器的功能目前還未見報(bào)道,有待進(jìn)一步確定,推測其可能與接收信息素及識別配偶有關(guān),在交配階段發(fā)揮作用。

波氏鬃毛只在梗節(jié)上有分布,且數(shù)量較少。該感器為機(jī)械感器,用于感受重力,推測其作用為云杉大墨天牛摔落時(shí)保持平衡、調(diào)整自身姿態(tài)及飛行時(shí)感受方向。

云杉大墨天牛雄性觸角感器共有6種,波氏鬃毛只分布在梗節(jié),刺形感器在各節(jié)數(shù)量相近,其余感器在數(shù)量上都呈后部多于前部的,且通常第9鞭節(jié)的數(shù)量最多。柄節(jié)在感器數(shù)量和類型上均為最少,只分布有毛形感器和刺形感器。梗節(jié)除無錐形感器和刺形感器外,其余感器均有分布,且波氏鬃毛為此節(jié)獨(dú)有。后6節(jié)鞭節(jié)在感器總量和類型上均遠(yuǎn)高于前部,尤其是第9鞭節(jié),只要有感器分布其數(shù)量就會多于其他各節(jié)。推測原因?yàn)榈?鞭節(jié)離昆蟲本體較遠(yuǎn),能最先接受到外界信息并傳回控制中心,使昆蟲提前做好應(yīng)急反應(yīng)。

2.3.2 雌性天牛觸角感器數(shù)量和分布

雌性天牛觸角感器數(shù)量和分布見表3。

表3 云杉大墨天牛雌蟲觸角不同感器數(shù)量

錐形感器只在第2～9鞭節(jié)中發(fā)現(xiàn),其中,第9鞭節(jié)上數(shù)量最多,第5～9鞭節(jié)錐形感器數(shù)量高于第3、4鞭節(jié),且遠(yuǎn)高于第2鞭節(jié),第2～9鞭節(jié)錐形感器數(shù)量總體呈逐漸上升趨勢。過往研究表明,錐形感器為嗅覺感器,推測其功能與產(chǎn)卵和取食有關(guān)。

除梗節(jié)外,毛形感器在其余各節(jié)中均有分布,第1～9鞭節(jié)數(shù)量遠(yuǎn)高于柄節(jié),且除第6鞭節(jié)外,其余鞭節(jié)毛形感器數(shù)量均呈遞增態(tài)勢。雌性毛形感器的功能可能與雄性相似,即搜尋配偶和尋找產(chǎn)卵場地。

刺形感器在除第1鞭節(jié)及第9鞭節(jié)外的其余各節(jié)均有分布,其中,梗節(jié)上分布數(shù)量最多,遠(yuǎn)高于其他各節(jié)。各鞭節(jié)刺形感器數(shù)量相對均勻。刺形感器總體數(shù)量遠(yuǎn)小于錐形感器和毛形感器,略高于具溝端彎感器,推測雌性刺形感器功能與雄性的相似。

除柄節(jié)和梗節(jié)外,具溝端彎感器在其余各節(jié)均有分布,其中,第3～8鞭節(jié)的分布數(shù)量相近,略高于另外的3個(gè)鞭節(jié)。具溝端彎感器作用可能為感受空氣中的溫濕度。

波氏鬃毛在雌蟲觸角上也只在梗節(jié)有分布,且數(shù)量較少,推測其功能與雄蟲一致。

云杉大墨天牛雌性觸角感器主要集中在鞭節(jié),除波氏鬃毛外,其余4種類型的感器在第2～8節(jié)鞭節(jié)均有分布。第9鞭節(jié)除未分布刺形感器外,剩余3種感器均有分布。梗節(jié)只分布有刺形感器和波氏鬃毛,且波氏鬃毛為此節(jié)獨(dú)有。柄節(jié)的感器數(shù)量最少,只分布有毛形感器和刺形感器。鞭節(jié)在感器總量和類型上均遠(yuǎn)高于柄節(jié)及梗節(jié),與雄蟲相似,原因推測與雄蟲一致。

與雄性天牛觸角相比,雌性天牛觸角的感器類型少于雄性,但感器數(shù)量多于雄性,約為雄性的3倍。雌性天牛觸角感器數(shù)量多于雄性可能是雌性天牛具有更多的行為,如取食、交配、產(chǎn)卵等,需要提供更多的信息,而雄性天牛僅有交配行為。

3 討論

目前,人們發(fā)現(xiàn)的昆蟲觸角感器類型有61種[9]。每種感器類型的功能不盡相同,各感器可幫助昆蟲完成取食、信息傳遞、求偶、繁殖、尋找寄主的行為[10]。

云杉大墨天牛成蟲觸角上共有6種感器類型,即錐形感器、毛形感器、刺形感器、具溝端彎感器、水滴形感器、波氏鬃毛。不同感器在天牛觸角各節(jié)上的分布存在差異。云杉大墨天牛觸角具有搜尋寄主、尋找產(chǎn)卵地、識別配偶、感受溫濕度、飛行定位的功能。

松墨天牛觸角上有6種感器,分別為機(jī)械感器、錐形感器、毛形感器、耳形感器、刺形感器和栓錐形感器[5]。云杉花墨天牛(Monochamussaltuariu)觸角上有4種感器,分別為毛形感器、錐形感器、刺形感器、腔錐形感器[11]。云杉大墨天牛、云杉花墨天牛、松墨天牛的觸角都有毛形感器、錐形感器、刺形感器分布,且毛形感器和錐形感器的形狀結(jié)構(gòu)相似,據(jù)此推測這兩種感器與信息素的接收有關(guān)[12-13]。刺形感器主要存在于云杉大墨天牛觸角上的柄節(jié)、梗節(jié)及各鞭節(jié)的連接處,其形態(tài)和分布特點(diǎn)與櫟麗虎天牛(Plagionotuspulcher)的刺形感器相似[14]。有研究表明,刺形感器直立著生于觸角表面且顯著長于其他感器,可最先接觸物體,感受刺激,具有感受機(jī)械刺激的功能[15]。但也有學(xué)者在對松梢象(Pissodesnitidus)的研究中發(fā)現(xiàn),刺形感器能夠傳遞化學(xué)信息,執(zhí)行嗅覺功能[16],這表明其在雌蟲尋找產(chǎn)卵地點(diǎn)及感受寄主植物揮發(fā)性物質(zhì)階段發(fā)揮作用。波氏鬃毛被認(rèn)為是一種感受重力的機(jī)械感器,當(dāng)遇到機(jī)械刺激時(shí),能夠緩沖重力的作用力,從而控制觸角,減緩下降速度[17]。

本研究還發(fā)現(xiàn),在雌雄蟲第4～9鞭節(jié)的端部有一特殊感器區(qū)域(圖3),為凹窩狀,呈勺形。凹窩內(nèi)著生大量錐形感器,這與青楊脊虎天牛的特殊區(qū)域相似[8],但目前并不知曉具體功能作用。因該區(qū)域分布著大量錐形感器,而錐形感器為嗅覺感器,因此推測其與嗅覺有關(guān)。

圖3 雌蟲觸角第5鞭節(jié)

以往研究中,水滴形感器只在等翅目昆蟲中發(fā)現(xiàn),具溝端彎感器只在膜翅目昆蟲中發(fā)現(xiàn)[9],而本研究為首次在鞘翅目昆蟲上觀察到這兩種感器。但由于技術(shù)受限,本研究未得到天牛觸角透射電鏡照片及水滴形感器和具溝端彎感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),需進(jìn)行后續(xù)研究。目前,水滴形感器及具溝端彎感器的功能未見報(bào)道,水滴形感器因其只分布在雄性天牛觸角上,推測其作用為在雄性天牛搜尋配偶時(shí)接收信息素和識別雌性。

通過對云杉大墨天牛雌、雄成蟲觸角感器類型及分布進(jìn)行觀察研究,對比分析了雌、雄成蟲觸角感器的差異,并對部分感器功能進(jìn)行了推測,為鞘翅目昆蟲觸角感器的研究做了補(bǔ)充。由于時(shí)間和技術(shù)有限,未對各類感器的功能和嗅覺識別機(jī)制進(jìn)行探究,今后還需利用觸角電位等技術(shù)進(jìn)行深入細(xì)致的研究。