訪花昆蟲紅腹毛蚊觸角感器掃描電鏡觀察

袁 軻， 朱 慧， 曲業(yè)寬， 任炳忠， 尤 楊

(東北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長春130024)

訪花昆蟲在開花植物的授粉過程中起到了重要的媒介作用，不同種類和數(shù)量的訪花昆蟲直接影響開花植物的種子產(chǎn)量(呂偉等, 2018; Woodcocketal., 2019)。訪花昆蟲觸角在其識(shí)別開花植物的過程中起著關(guān)鍵作用，這是因?yàn)槔ハx觸角具有不同功能的各種感器，這些感器是昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)與外部環(huán)境相連接的重要媒介，它們?cè)谕饨缥锢泶碳さ母兄?、性信息素等化學(xué)信號(hào)的感受、宿主的識(shí)別和行為選擇方面起到非常重要的作用(Schneider, 1964; Andersonetal., 2000; 馬瑞燕和杜家緯, 2000; Ochiengetal., 2000; Skirietal., 2005; 余海忠, 2007)。已有研究發(fā)現(xiàn)，訪花昆蟲主要通過觸角上感器的嗅覺功能識(shí)別開花植物的氣味(Larueetal., 2016)，進(jìn)而能夠快速且準(zhǔn)確地定位寄主。以往的研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲的觸角感器是具有種間和種內(nèi)特異性的(Schneider, 1964; Zhengetal., 2014)，并按照一定的規(guī)律排布(Zacharuk, 1985)。因此，深入了解訪花昆蟲的觸角形態(tài)，特別是觸角感器的種類和分布，對(duì)于理解訪花昆蟲與開花植物及環(huán)境之間的信息交流至關(guān)重要。

隨著電鏡(electron microscope, EM)技術(shù)的發(fā)展，各種昆蟲觸角感器的形態(tài)和超微結(jié)構(gòu)被人們熟知(Olsonetal., 2014; Sombke and Ernst 2014; Alietal., 2016; 唐培安等, 2017; 郭付振等, 2018; 王政等, 2018)。目前，在雙翅目昆蟲的觸角感器研究中，對(duì)寄蠅科(Tachinidae)、蛾蠓科(Psychodidae)、麗蠅科(Calliphoridae)、實(shí)蠅科(Tephritidae)、廁蠅科(Fanniidae)等昆蟲的觸角感器結(jié)構(gòu)關(guān)注較多，共發(fā)現(xiàn)6大感器類型，包括刺形感器(sensilla chaetica)、腔形感器(sensilla cavity)、毛形感器(sensilla trichodea)、錐形感器(sensilla basiconica)、柱形感器(sensilla cylindric)和耳形感器(sensilla auricillica)(Giangiulianietal., 1994; de Freitas Fernandesetal., 2008; 任宏偉, 2011; Setzuetal., 2011; Awadetal., 2014; Zhangetal., 2014; Araújoetal., 2018)，但仍未有關(guān)于毛蚊科(Bibionidae)觸角感器的報(bào)道。

文冠果Xanthocerassorbifolia是我國重點(diǎn)開發(fā)的能源樹種，其種仁可提取出大量品質(zhì)好的生物柴油(張燕等, 2012)，但因其座果率低而嚴(yán)重制約了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，盡管文冠果是雌雄同株植物，但其繁育系統(tǒng)屬于異花授粉，因此，很大程度上需要傳粉昆蟲幫助授粉(田英等, 2013)，才能使文冠果的坐果率提高。本研究組發(fā)現(xiàn)，在東北地區(qū)文冠果的優(yōu)勢(shì)訪花昆蟲為紅腹毛蚊Bibiorufiventris(曲業(yè)寬, 2018)，屬雙翅目毛蚊科。紅腹毛蚊的傳粉行為很大程度上取決于它們接收和加工的寄主植物的化學(xué)刺激，當(dāng)作為文冠果的訪花昆蟲時(shí)，文冠果花所釋放的揮發(fā)物對(duì)紅腹毛蚊有一定的引誘作用(曲業(yè)寬, 2018)，而接收這些化學(xué)信息素的主要結(jié)構(gòu)則是位于其頭部的觸角感器(Rice, 1989)。紅腹毛蚊通過觸角感受器對(duì)這些信號(hào)的接收，精準(zhǔn)地識(shí)別和定位文冠果花，從而能夠有效地提高傳粉的效率。因此，為了更好地理解紅腹毛蚊的傳粉機(jī)制，提高紅腹毛蚊傳粉效率和文冠果果實(shí)產(chǎn)量，清晰認(rèn)識(shí)紅腹毛蚊觸角感器的主要結(jié)構(gòu)及其分布是急需解決的問題。本研究利用掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)對(duì)紅腹毛蚊觸角感器類型和分布進(jìn)行了觀察。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx

紅腹毛蚊成蟲采自吉林省白城市鎮(zhèn)賚縣莫莫格林場(45°42′25″-46°18′0″N, 123°27′0″-124°4′33.7″E)的文冠果林內(nèi)，在人工氣候培養(yǎng)箱內(nèi)養(yǎng)殖備用。

1.2 樣品制備與電鏡觀察

取紅腹毛蚊雌、雄成蟲各10頭，在體視顯微鏡(Nikon, SMZ1500)下切掉頭部，并取下觸角。將摘取的雌、雄成蟲觸角分別放入裝有75%乙醇的培養(yǎng)皿中反復(fù)用毛刷清洗，去除表面異物，再放入超聲波清洗機(jī)(KQ-250DB)中深層清洗約1 min。隨后將觸角樣品依次用濃度為80%, 90%, 95%和100%的酒精溶液逐級(jí)脫水，并進(jìn)行自然干燥。

用鑷子將干燥好的觸角樣品按背腹面粘在導(dǎo)電膠上，輕輕放置于掃描電鏡(JSM-6510LV, 日本)的樣品臺(tái)上，離子噴射儀(JFC-1600)噴金后，通過掃描電鏡進(jìn)行觀察、拍照并保存，掃描電鏡在20 kV的電壓下進(jìn)行工作。最后，觀察得到的照片使用Photoshop軟件進(jìn)行處理。利用SEM觀察紅腹毛蚊觸角及觸角感器的外部形態(tài)，統(tǒng)計(jì)雌、雄成蟲觸角感器的種類數(shù)量和存在的差異，并分析觸角感器的分布規(guī)律。使用Smile View軟件來測量觸角及觸角感器的形態(tài)學(xué)指標(biāo)。觸角感器形態(tài)特征描述及命名采用Schneider(1964)、Altner(1977)、Zacharuk(1980)和Steinbrecht(1997)的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析。利用t檢驗(yàn)對(duì)紅腹毛蚊雌性和雄性成蟲的每節(jié)觸角長度進(jìn)行比較分析，利用Tukey氏方法進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)差異顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果

2.1 雌、雄成蟲觸角的形態(tài)特征

紅腹毛蚊雌、雄成蟲觸角均包含3部分，分別為柄節(jié)、梗節(jié)和鞭節(jié)(圖1: A, B)。柄節(jié)較粗大，與頭部的連接處有一凹陷窩；梗節(jié)較柄節(jié)短小，是鞭節(jié)與柄節(jié)連接的紐帶；鞭節(jié)數(shù)量最多，呈套筒狀連接排列。雌、雄成蟲在觸角外部形態(tài)方面具有顯著差異。雌成蟲觸角鞭節(jié)第1-8小節(jié)的腹面均具有一個(gè)形狀不同的凹陷窩，其大小隨著與頭部距離的增大而減小(圖1: A，白色箭頭)。而雄成蟲觸角只有鞭節(jié)第8小節(jié)的腹面存在一月牙形的凹陷窩(長度為64.057±6.832 μm，寬為19.723±4.312 μm，圖1: C)。 雖然雌、雄成蟲觸角在形態(tài)上有明顯不同，但總長度卻沒有顯著差異(P>0.05)，雌性為862.556±78.662 μm，雄性為880.361±83.253 μm，雌、雄成蟲觸角各小節(jié)的長度幾乎相等，只有鞭節(jié)的第8小節(jié)長度存在顯著性差異(P<0.05)，雄性長于雌性(圖2)。

圖1 紅腹毛蚊雌、雄成蟲觸角掃描電鏡圖Fig. 1 Scanning electron micrographs of antennae of female and male adults of Bibio rufiventrisA: 雌成蟲觸角Antenna of female adults; B: 雄成蟲觸角Antenna of male adults; C: 雄成蟲觸角第8鞭小節(jié)放大圖Enlargement of the 8th flagellomere of the antenna of male adults. Sc: 柄節(jié)Scape; P: 梗節(jié)Pedicel; F1-F8: 第1-8鞭小節(jié)1st-8th flagellomeres.

2.2 觸角感器的種類及形態(tài)特征

本研究的基本分類依據(jù)主要包括兩點(diǎn)：觸角感器的形態(tài)特征以及著生位置。使用SEM進(jìn)行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅腹毛蚊成蟲的觸角感器共有4種類型，包括刺形感器、毛形感器、錐形感器和B?hm氏鬃毛(B?hm bristles)。根據(jù)觸角感器的外部形態(tài)差異，毛形感器被分為1和2型兩種亞型；錐形感器被分為1, 2, 3和4型4種亞型(表1)。

圖2 紅腹毛蚊雌、雄成蟲觸角各小節(jié)平均長度Fig. 2 Average length of each flagellomere of antenna of female and male adults of Bibio refiventrisSc: 柄節(jié)Scape; P: 梗節(jié)Pedicel; F1-F8： 第1-8鞭小節(jié)1st-8th flagellomeres. 圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=10); 柱上星號(hào)示雌雄間差異顯著(P<0.05, t檢驗(yàn))。Values are means±SE (n=10). The asterisk above bars indicates significant difference between female and male (P<0.05, t-test).

2.2.1刺形感器(sensilla chaetica, Sc)：刺形感器呈針刺狀的剛毛形態(tài)，感器表面有明顯的縱脊(圖3: C)，基部與觸角表面的連接處有一凹槽，由底部向頂端逐漸變細(xì)，頂端尖銳。大部分感器與觸角表面的夾角在60°～80°之間，少部分直立于觸角表皮(圖3: B; 圖4: B)。雌蟲Sc的長度在(42.289±5.243)～(128.119±4.336) μm之間，基部直徑在(3.913±1.234)～(5.391±0.998) μm之間，平均長度分別為85.204±4.790 μm和4.652±1.116 μm。雄蟲Sc的長度在(37.730±2.019)～(124.165±2.091) μm之間，基部直徑在(3.375±0.998)～(5.639±1.068) μm之間，平均長度分別為80.948±2.055 μm和4.507±1.033 μm。

2.2.2毛形感器(sensilla trichodea, St)：毛形感器呈長毛狀，成簇分布，直立或彎曲，頂端有一念珠狀突起(圖3: D; 圖3: E)，基部粗大，著生在表皮凸上，由底部向頂端逐漸變細(xì)，是紅腹毛蚊觸角上數(shù)量最多，分布最廣的一種感器。根據(jù)外部形態(tài)的不同，又將毛形感器分為毛形感器1型(sensilla trichodea subtype 1, St.1)和毛形感器2型(sensilla trichodea subtype 2, St.2)兩種亞型。毛形感器1型(St.1)最明顯的特征是觸角感器表面具有帶條紋的縱脊(圖4: D)。感器長度在(3.772±0.952)～(16.521±2.743) μm之間，基部直徑在(0.833±0.276)～(1.835±1.004) μm之間，平均長度分別為10.147±1.848 μm和1.334±0.640 μm。毛形感器2型(St.2)與St.1差別明顯，St.2型表面光滑沒有縱脊(圖3: E)。長度在(2.897±1.044)～(17.269±3.567) μm之間，基部直徑在(0.875±0.225)～(2.027±0.968) μm之間，平均長度分別為10.083±2.306 μm和1.451±0.600 μm。

2.2.3錐形感器(sensilla basiconica, Sb)：根據(jù)錐形感器外部形態(tài)的不同，將其分為錐形感器1型(sensilla basiconica subtype 1, Sb.1)，錐形感器2型(sensilla basiconica subtype 2, Sb.2)，錐形感器3型(sensilla basiconica subtype 3, Sb.3)和錐形感器4型(sensilla basiconica subtype 4, Sb.4) 4種亞型。錐形感器1型(Sb.1)整體呈錐形，直立，表面光滑。Sb.1位于觸角表皮開闊的凹陷內(nèi)，基部粗大，中間部分收縮略細(xì)，頂部膨大呈細(xì)長的花苞狀(圖3: F)。 長度為5.630±1.895 μm，基部直徑為2.748±0.566 μm。

錐形感器2型(Sb.2)錐形，直立，外表皮光滑，基部粗大，慢慢向頂端變細(xì)，頂部尖銳或圓鈍(圖4: E)。 雌成蟲Sb.2長度為5.974±2.063 μm，基部直徑為2.864±1.005 μm，雄成蟲Sb.2長度為6.368±2.321 μm，基部直徑為2.759±0.876 μm。錐形感器3型(Sb.3)直立略彎曲，整體呈手指狀，略粗，表面具不明顯縱紋，基部位于觸角表皮開闊的凹陷內(nèi)，頂部鈍圓(圖4: G)。長度為15.957±4.376 μm，基部直徑為2.217±1.024 μm。錐形感器4型(Sb.4)扁平，呈螺旋狀扭曲，表面有不明顯縱紋，基部位于觸角表皮凹陷窩內(nèi)，頂部鈍圓(圖3: G)。長度為18.392±5.092 μm，基部直徑為2.330±0.943 μm。

2.2.4B?hm氏鬃毛(B?hm bristles, Bb)：Bb呈短毛狀，直立，較細(xì)短，表面光滑無縱紋，基部具不明顯凹陷，頂部圓鈍(圖3: A; 圖4: A)。雌成蟲Bb的長度為8.034±1.671 μm，基部直徑為2.929±0.688 μm；雄成蟲Bb的長度為8.667±1.261 μm，基部直徑為3.047±1.091 μm。

2.3 觸角感器的分布規(guī)律

不同種類的昆蟲具有不同類型的觸角感器。本研究發(fā)現(xiàn)紅腹毛蚊雌成蟲共有6種觸角感器，分別為Bb, Sc, St.2, Sb.1, Sb.2和Sb.4，數(shù)量為8 081±365個(gè)。其中，St.2, Sb.4, Sc, Sb.2, Bb和Sb.1的數(shù)量分別占總數(shù)量的79.470%, 16.904%, 2.029%, 1.163%和0.125%。St.2和Sc的分布范圍最廣，遍布于觸角各節(jié)；Sb.2和Sb.4次之，分布在除柄節(jié)和梗節(jié)外的各節(jié)觸角表皮的凹陷窩內(nèi)；Bb和Sb.1的分布最為集中，Bb存在于觸角柄節(jié)與頭部連接的凹陷窩處，Sb.1分布在觸角鞭節(jié)的第6-8亞節(jié)上(表2)。

圖3 紅腹毛蚊雌成蟲觸角感器Fig. 3 Antennal sensilla of female adults of Bibio rufiventrisA: B?hm氏鬃毛B?hm bristles (Bb); B: 刺形感器Sensilla chaetica (Sc); C: 刺形感器縱脊Deep groove of sensilla chaetica (Sc); D, E: 毛形感器2型Sensilla trichodea subtype 2 (St.2); F: 錐形感器1型Sensilla basiconica subtype 1 (Sb.1); G: 錐形感器4型Sensilla basiconica subtype 4 (Sb.4).

圖4 紅腹毛蚊雄成蟲觸角感器Fig. 4 Antennal sensilla of male adults of Bibio rufiventrisA: B?hm氏鬃毛B?hm bristles (Bb); B: 刺形感器和錐形感器3型Sensilla chaetica (Sc) and sensilla basiconica subtype 3 (Sb.3); C: 毛形感器1型和錐形感器3型Sensilla trichodea subtype 1 (St.1) and sensilla basiconica subtype 3 (Sb.3); D: 毛形感器1型Sensilla trichodea subtype 1 (St.1); E: 錐形感器3型Sensilla basiconica subtype 3 (Sb.3); F: 錐形感器2型Sensilla basiconica subtype 2 (Sb.2); G: 錐形感器2型Sensilla basiconica subtype 2 (Sb.2).

而紅腹毛蚊雄成蟲觸角感器只有5種，分別為Bb, Sc, St.1, Sb.2和Sb.3，數(shù)量為7 876±330個(gè)。其中，St.1和Sc遍布于各節(jié)觸角，分別占感器總數(shù)量的81.107%和1.930%，與雌性St.2和Sc的分布范圍相同；Sb.3數(shù)量約占感器總數(shù)量16.468%，分布范圍與Sb.4的分布范圍相同。Bb的數(shù)量約占觸角感器總數(shù)量的0.267%，幾乎與雌雄相同，并且僅分布于觸角柄節(jié)與頭部連接的凹陷處； Sb.2數(shù)量最少，約占0.228%，且僅分布在觸角鞭節(jié)的第8鞭小節(jié)的凹陷窩內(nèi)(表3)。

3 討論

本研究首次對(duì)紅腹毛蚊雌、雄成蟲觸角感器的類型、外部形態(tài)以及分布規(guī)律進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步探究其感器功能與分子機(jī)制提供了生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。通過SEM的觀察發(fā)現(xiàn)紅腹毛蚊雌、雄成蟲的觸角感器在亞型上有所差異。雌、雄成蟲觸角感器共有4種，分別為刺形感器、毛形感器、錐形感器和B?hm氏鬃毛。這些感器可以識(shí)別植物的氣味、信息素和其他的化學(xué)刺激(Lopesetal., 2002; Binyameenetal., 2012)，同時(shí)還具有機(jī)械感覺以及味覺功能(Gaoetal., 2007)。

刺形感器是一類昆蟲觸角上常見的感器類型(Mareketal., 2012; Awadetal., 2014; 高芳瑞等, 2017; 張靜等, 2019)，在紅腹毛蚊觸角上也有分布。刺形感器呈剛毛狀，具有較厚的壁和機(jī)械性臼狀窩，能夠作為機(jī)械性感器感知外界刺激(Schneider, 1964)。另有研究發(fā)現(xiàn)，每個(gè)刺形感器都由1～2個(gè)雙極神經(jīng)細(xì)胞控制，因此認(rèn)為刺形感器也具有嗅覺感器功能(Ndomo-Moualeuetal., 2014)。有研究表明，機(jī)械性感器作為化學(xué)感器起作用的時(shí)候，會(huì)將觸角的位置調(diào)整到最佳感知角度，以便于在環(huán)境中獲得準(zhǔn)確的信號(hào)(Zhouetal., 2013)，因此，這種感器具有機(jī)械感受和化學(xué)感受的雙重功能(Jourdanetal., 1995)。本研究發(fā)現(xiàn)的紅腹毛蚊觸角上的刺形感器也可能是具有雙重功能，不僅能夠接收蜜源信號(hào)尋找蜜源并進(jìn)行快速轉(zhuǎn)移，也能夠感受外界的環(huán)境條件，在文冠果傳粉效率中發(fā)揮重要作用。

毛形感器是紅腹毛蚊觸角上數(shù)量最多，分布最廣的一類感器，它在感知機(jī)械刺激和識(shí)別昆蟲所釋放的化學(xué)信息素中起主要作用(Huetal., 2009)。在鱗翅目昆蟲中，毛形感器已被證實(shí)具有識(shí)別化學(xué)信號(hào)的功能，作為嗅覺受體識(shí)別性信息素(Faucheuxetal., 2006; Sunetal., 2011; 趙海燕等, 2016)。有一些研究表明，鞘翅目的毛形感器也可作為性信息素受體或聚集信息素受體起作用(Meriveeetal., 2001; Zhouetal., 2013)。毛形感器在雙翅目的蚊蟲中主要功能為識(shí)別宿主以及尋找適合的產(chǎn)卵場所(Hilletal., 2009)，也可能與性信息素的識(shí)別密切相關(guān)。本研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)雌、雄成蟲毛形感器在長度和數(shù)量上沒有明顯差別，但是在亞型的形態(tài)特征存在區(qū)別，雌性毛形感器St.2表面光滑無縱脊，而雄性毛形感器St.1表面有縱脊。這樣的感器類型的差異使雌雄紅腹毛蚊在感受外界環(huán)境刺激的時(shí)候有不同程度的反應(yīng)。但是，這樣的感器類型發(fā)揮的具體生物功能需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

錐形感器被認(rèn)為是昆蟲的嗅覺感器，尤其是對(duì)宿主釋放的化學(xué)物質(zhì)最為敏感(Lopesetal., 2002; Onagbola and Fadamiro, 2008; Hilletal., 2009; Sunetal., 2011)，由于錐形感器在雌雄昆蟲中種類和數(shù)量有所差異，它也被推測可能與性信息素的識(shí)別有關(guān)(Huetal., 2009)。本研究中，錐形感器有4種亞型，除柄節(jié)和梗節(jié)外，各節(jié)均有分布且數(shù)量較多，僅次于毛形感器，錐形感器可能是紅腹毛蚊進(jìn)行宿主定位和選擇的主要感器類型。雌、雄成蟲錐形感器的種類和數(shù)量有所差異，雌性紅腹毛蚊的錐形感器有3種亞型，分別是Sb.1, Sb.2和Sb.4。而雄性紅腹毛蚊錐形感器只有2種亞型，分別是Sb.2和Sb.3，這種差異也印證了雌雄間存在特異性與其對(duì)寄主釋放的化合物刺激響應(yīng)有關(guān)，進(jìn)而改變昆蟲行為。

B?hm氏鬃毛通常分布在昆蟲的頭部與觸角柄節(jié)的連接處，以及柄節(jié)與梗節(jié)的連接處(Meriveeetal., 2000; Ochiengetal., 2000)。本研究發(fā)現(xiàn)的B?hm氏鬃毛僅分布在紅腹毛蚊頭部與觸角柄節(jié)的連接處。一些研究表明，當(dāng)昆蟲的生活環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，B?hm氏鬃毛會(huì)將外部刺激信息傳遞到大腦，從而影響昆蟲的行為(Schneider, 1964)。從在觸角上的位置推測B?hm氏鬃毛是一種典型的機(jī)械型感器，在昆蟲下降的過程中控制觸角的移動(dòng)速度，從而起到緩沖的作用(Zacharuk, 1985; Meriveeetal., 2002; Chenetal., 2014; Suinyuyetal., 2015)。本研究發(fā)現(xiàn)的紅腹毛蚊觸角上的B?hm氏鬃毛只存在于頭部與觸角的柄節(jié)連接處，其功能可能更多地只是控制觸角的移動(dòng)速度，并起到保護(hù)觸角的作用，所以對(duì)其具體功能還需進(jìn)一步研究。

本研究對(duì)紅腹毛蚊雌、雄成蟲觸角感器進(jìn)行了觀察與分析，討論了各個(gè)感器數(shù)量、分布及功能。紅腹毛蚊雌、雄成蟲觸角感器在種類和數(shù)量上存在差異，這種差異使雌雄蟲對(duì)外界環(huán)境刺激，特別是花的揮發(fā)物成分有不同的響應(yīng)。本研究為從化學(xué)生態(tài)學(xué)角度深入探究紅腹毛蚊與文冠果花之間相互關(guān)系及其對(duì)花識(shí)別的分子機(jī)制提供了重要的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為進(jìn)一步利用改變外界環(huán)境刺激促進(jìn)紅腹毛蚊傳粉、提高文冠果的授粉效率等方面提供了參考。