紅脂大小蠹成蟲觸角感器的掃描電鏡觀察

王 濤

(北京市門頭溝區(qū)林業(yè)工作站, 北京 102300)

紅脂大小蠹成蟲觸角感器的掃描電鏡觀察

王 濤

(北京市門頭溝區(qū)林業(yè)工作站, 北京 102300)

紅脂大小蠹DendroctonusvalensLeConte屬鞘翅目Coleoptera小蠹科Scolytidae,是我國一種重要的外來入侵害蟲。為探究其寄主找尋、配偶找尋和種群聚集等行為機制,本文利用掃描電鏡技術(shù),對紅脂大小蠹雌雄成蟲的觸角進行了觀察,并對感器進行了分類以及其分布規(guī)律的研究。結(jié)果表明:紅脂大小蠹雌雄成蟲觸角上共存在包括刺形感器、毛形感器、錐形感器、腔錐形感器和B?hm氏鬃毛在內(nèi)的5種感器類型,其中毛形感器又分為形態(tài)各異的3種亞型。這些感器類型大都在觸角的棒節(jié)上成帶狀分布。通過對比其他類似的研究以及感器的外部形態(tài)特征,推測紅脂大小蠹的毛形感器和錐形感器是化學(xué)感受器,是最重要的嗅覺器官;刺形感器、腔錐形感器以及B?hm氏鬃毛是機械感受器,且腔錐形感器可以感受溫濕度,B?hm氏鬃毛可以感知觸角的位置。研究結(jié)果為明確紅脂大小蠹的生境選擇、種群聚集等行為機制提供了理論基礎(chǔ)。

紅脂大小蠹; 成蟲; 觸角感器; 掃描電鏡

紅脂大小蠹DendroctonusvalensLeConte屬鞘翅目Coleoptera小蠹科Scolytidae,是我國一種重要的外來入侵害蟲[1]。紅脂大小蠹原產(chǎn)于北美,20世紀80年代從美國西海岸經(jīng)未處理的原木傳入我國山西并暴發(fā)成災(zāi)[2],目前已擴散到陜西、河北、河南、北京等地,主要為害油松、白皮松和華山松,國內(nèi)外對紅脂大小蠹已經(jīng)開展了一系列基礎(chǔ)和應(yīng)用性研究,涉及其形態(tài)學(xué)、入侵生物學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)以及相關(guān)防治措施等諸多方面。為探究其寄主找尋、配偶找尋和種群聚集等行為機制,本文利用掃描電子顯微鏡技術(shù),對紅脂大小蠹雌雄成蟲的觸角進行了觀察,并對感器進行了分類以及其分布規(guī)律的研究,以期為紅脂大小蠹的生境選擇、種群聚集等行為機制提供理論基礎(chǔ)[3-7]。

1 材料與方法

1.1 供試昆蟲

供試昆蟲于2012年6月采集于北京市門頭溝百花山、清水及小龍門地區(qū)的油松林上,體長約7.3 mm,并固定保存于固定液中(72%磷酸氫二鈉+28%磷酸二氫鈉+2.5%戊二醛+0.06%吐溫20)。

1.2 掃描電鏡觀察

首先將存放在固定液中的成蟲放在45%乙醇中初步清洗,再利用超聲波清洗儀將蟲體在60%乙醇溶液中清洗兩遍,每次3 min。然后用醫(yī)用小剪刀、解剖刀等工具分別取得雌雄成蟲的觸角后,再分別用磷酸緩沖液和65%乙醇各清洗一遍,每次3 min。最后將樣品分別在70%、80%、85%、90%、95%、100%、100%乙醇中梯度脫水,每濃度25 min,待其自然干燥24 h后,將樣品用導(dǎo)電膠粘于樣品臺上,放入E-1010離子濺射儀噴金粉,置于S-3400N環(huán)境掃描電鏡下觀察、拍照。感器類型的形態(tài)學(xué)鑒定主要參照Schneider與Zhacharuk的分類方法[8-9]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

取紅脂大小蠹成蟲雌雄各3頭進行掃描電鏡觀察、拍照以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計。運用ImageJ軟件(Broken Symmetry Software)對電鏡掃描獲得的感器圖像進行處理,測量所有感器的基寬和長度,每種感器重復(fù)測量5次,取平均值,數(shù)據(jù)使用Excel(2007版)軟件進行計算及分析。圖表的生成使用Graphpad prism5.0 (GraphPad Software, Inc., La Jolla, CA, USA)軟件。使用Photoshop cs6.0 (Adobe Systems)對圖片添加了比例尺和標注。

2 結(jié)果與分析

2.1 觸角的一般形態(tài)

紅脂大小蠹觸角為錘狀觸角(capitate),總體由三部分組成:伸長外凸的柄節(jié)(scape),由梗節(jié)和4節(jié)鞭節(jié)連成的索節(jié)(funicle),以及觸角頂端鞭節(jié)圓形膨大形成的錘節(jié)(capitate)。在觸角的錘節(jié)上,主要的感器類型或松散地上下錯落,或緊密地前后相疊分別形成4條和3條明顯的“感器帶”(圖1a)。紅脂大小蠹雌成蟲觸角長(1.08±0.009)mm,雄成蟲觸角長(0.99±0.012)mm,雌雄成蟲觸角無明顯的差異。

2.2 觸角感器類型、形態(tài)特征與分布

紅脂大小蠹雌、雄成蟲觸角上共存在包括刺形感器(sensilla chaetica)、毛形感器(sensilla trichodae)、錐形感器(sensilla basiconica)、腔錐形感器(sensilla coeloconica)和B?hm氏鬃毛(B?hm bristles)在內(nèi)的5種感器類型,其中毛形感器又分為形態(tài)各異的3種亞型。各類感器的形態(tài)比較如表1所示。

表1 紅脂大小蠹觸角不同感器類型的形態(tài)特征1)

Table 1 Morphological types of the sensilla ofDendroctonusvalens

感器類型Typeofsensillum長度/μmLength基寬/μmWidth外壁Wall頂端Tip總體形狀Shape基座Socket刺形感器 Sensillachaetica127.24±36.507.10±1.18尖刺突起孔狀凹陷總體漸狹至中部彎無特殊基座毛形感器1 Sensillatrichodea134.26±4.713.16±0.42光滑鈍或有孔總體漸狹至頂部彎曲微陷毛形感器2 Sensillatrichodea217.13±1.872.58±0.25光滑尖總體漸狹微陷毛形感器3 Sensillatrichodea34.67±0.971.70±0.22光滑頂孔底部彎曲深陷錐形感器 Sensillabasiconica10.21±1.482.12±0.34有孔鈍或尖利直立緊密腔錐形感器 Sensillacoeloconica6.52±0.742.54±0.26光滑指狀裂短小直立頂部指狀裂微陷B?hm氏鬃毛 B?hm’sbristles26.61±8.643.70±0.54光滑尖直立于觸角表面寬松

1) 所有感器的長度與基寬均為5個同類型感器長度和基寬的平均值±標準差。 Values are the means (±standard deviation) of lengths and widths of at least five sensilla per type.

2.2.1 刺形感器(S. ch)

刺形感器剛直粗壯,平均長度為(127.24±36.50)μm,基寬為(7.1±1.18)μm,與觸角表面形成近60°夾角,并在感器中部呈微小的弧度彎曲(圖1b)。其基部表皮光滑,往上約整體的2/3的部分布滿尖利的刀片狀或刺狀突起(圖1d),感器頂端凹陷呈孔狀,且沒有明顯突出的基窩。刺形感器主要分布在柄節(jié)上,索節(jié)上的每一節(jié)上輪生有少數(shù)的此種感器,在頂端鞭節(jié)上偶有一根出現(xiàn)。

2.2.2 毛形感器

毛形感器呈毛發(fā)狀,表皮光滑,基窩凹陷,多數(shù)具頂孔。根據(jù)紅脂大小蠹上毛形感器的長度、彎曲、頂孔情況將其分為3種亞型。

毛形感器1(S. tr. 1)：直立于觸角表面,表面光滑無孔,毛發(fā)狀,基座微陷,底部粗壯至頂端漸狹,并從頂端向下約整體三分之一處稍稍彎曲,感器端部鈍圓,或有頂孔。其長度與基寬分別為:(34.26±4.71)μm和(3.16±0.42)μm。毛形感器1均勻地分布在頂端鞭節(jié)上,與其他感器相間和上下錯落形成明顯的感器帶(圖2a,b)。

毛形感器2(S. tr. 2)：與觸角表皮呈30°至60°角或緊貼表皮直立支出,無彎曲,表皮光滑,基座稍凹陷,底部粗壯至頂端逐漸變細直至尖利,頂端無孔。毛形感器2長度平均為(17.13±1.87)μm,基寬平均為(2.58±0.25)μm。其分布呈現(xiàn)兩種類型:與觸角表面呈一定角度的類型主要排列在松散的感器帶上,并大量集中于頂端鞭節(jié)的最末端。與表皮緊貼類型零散分布在感器緊密帶上(圖2c,d)。

圖1 紅脂大小蠹觸角的形態(tài)及其感器的分布Fig.1 Micrograph and distribution of sensilla on the antennae of Dendroctonus valens

毛形感器3(S. tr. 3)：平貼于觸角表皮生長,短小,幾乎整個陷在基窩內(nèi)。其從底部稍稍彎曲,表皮無孔光滑,頂端鈍圓有頂孔。毛形感器3平均長度和基寬為:(4.67±0.97)μm和(1.70±0.22)μm。全部零星分布在感器緊密排列的感器帶的稍下方部位(圖2d)。

2.2.3 錐形感器(S. b)

錐形感器為錐狀直立,總體形狀微扁平,服帖于表皮排列,基窩緊密,表皮具大量的表皮孔,感器頂端出現(xiàn)兩種類型,一種尖利,一種鈍圓。其長度和基寬平均為:(10.21±1.48)μm和(2.12±0.34)μm。錐形感器分布在觸角頂端鞭節(jié)上,是密集感器帶的主要組成部分,但在最后一條松散感器帶上,也有少量該感器分布(圖2e,g)。

2.2.4 腔錐形感器(S. co)

腔錐形感器底部膨大,于一微凹陷的基窩內(nèi)生長出,平貼于表皮伸出,表皮光滑,頂端呈現(xiàn)明顯的指狀裂。腔錐形感器平均長度為:(6.52±0.74)μm,平均寬度為:(2.54±0.26)μm,分布在密集感器帶上(圖2e,f)。

2.2.5 B?hm氏鬃毛(B. b)

刺狀呈直角立于觸角表皮上,基窩松,感器表皮光滑,頂端尖利,無孔。平均長:(26.61±8.64)μm,平均寬:(3.70±0.54)μm。B?hm氏鬃毛特定分布在觸角柄節(jié)和梗節(jié)的基部,是一種特殊的刺形感器(圖1c)。

圖2 紅脂大小蠹觸角錘節(jié)上的感器類型Fig.2 Sensilla on antenna capitate of Dendroctonus valens

紅脂大小蠹的重要感器類型都分布在觸角頂端的鞭節(jié)上。通過統(tǒng)計分析雌雄成蟲的感器數(shù)量和分布,并進行了t-檢驗,結(jié)果如圖3所示,沒有發(fā)現(xiàn)紅脂大小蠹雌、雄成蟲在感器類型和分布上有明顯差異。

3 討論

3.1 紅脂大小蠹觸角感器類型

昆蟲的觸角感器類型共有10余種,但并非每類昆蟲都具有如此多類型的感器,也非每類感器在昆蟲的感受中都具有相同的功能。感器多分布于昆蟲的觸角上,且形狀和大小多變。不同類型的昆蟲所具有的感器各不相同,親緣關(guān)系較近的昆蟲感器類型相似,形態(tài)也相近,但對于不同昆蟲而言,其分布位置和數(shù)量的變化通常較大。鞘翅目常見的觸角感器類型包括毛形、錐形、刺形、板形,B?hm氏鬃毛,個別存在栓錐與腔錐形感器[8,10]。紅脂大小蠹觸角上共有5種感器類型,其中毛形感器分為3個亞類。相對于鞘翅目其他很多科,紅脂大小蠹的觸角感器類型與其他科屬昆蟲存在巨大的差異,造成這些差異的原因是多方面,如生活環(huán)境的巨大差異,科屬之間的遺傳距離等。葉甲科Chrysomelidae昆蟲一般具有多種亞型的錐形感器,同時普遍具有栓錐形感器[11];天?？艭erambycidae的很多昆蟲具有相對更多的感器類型和更復(fù)雜的亞類分化,如松褐天牛MonochamusalternatusHope具有亞型多變的毛形和錐形感器,且具鐘形感器(sensilla campullacea)[12-16];步甲科Cerambycidae與紅脂大小蠹的感器類型也相差很多,步甲科昆蟲具有獨特的鐘形感器(sensilla campullacea),并且具有十分豐富的錐形感器分化[17-19]。象甲科Curculionidae昆蟲由于與小蠹科同屬于象甲總科Curculionoidea,在感器的類型與分布上與紅脂大小蠹有一定相似之處。在觸角的頂端都有感器排列成帶狀,這些帶中都包含著豐富的毛形感器和錐形感器,而不同的是,象甲科的感器帶更多由形態(tài)特化成掌狀的刺形感器組成[20-22]。

圖3 紅脂大小蠹雌雄蟲觸角感器數(shù)量對比Fig.3 Comparison of antennal sensillum quantity between male and female Dendroctonus valens

3.2 紅脂大小蠹感器功能

昆蟲感器的主要功能包括:觸覺,即感受溫度、濕度的變化以及機械刺激;嗅覺,感受空氣中的氣味,昆蟲種內(nèi)及種間的各類信息素等;味覺,主要與昆蟲的寄主識別機制相關(guān)。同時,大量研究表明,昆蟲的感受器可同時具備多種功能[8-10]。

刺形感器,包括B?hm氏鬃毛普遍被認為是一種感受機械刺激,也有研究表明其表面具有少許的細孔結(jié)構(gòu),因而可以感受空氣中的氣味刺激[17-18,22]。就其形態(tài)而言,一般刺形感器是昆蟲觸角感器中長度最長的感器之一,且直立支出觸角表面,能首先接觸到環(huán)境,因而推斷,紅脂大小蠹的刺形感器具備感受機械刺激,可能具備嗅覺的功能。而B?hm氏鬃毛,根據(jù)其特殊的分布特征,在觸角柄節(jié)和梗節(jié)的根部,能接受觸角的移動和位置等信息[11,18]。毛形感器的功能普遍認為是嗅覺和機械感受,但毛形感器的嗅覺功能更多地體現(xiàn)在接受性信息素上,在觸角毛形感器的分布和特征上具備雌雄二型特征的昆蟲上,可以肯定毛形感器具有接受信息素的功能,如很多蛾類昆蟲。紅脂大小蠹不存在觸角和感器分布上的雌雄二型現(xiàn)象。毛形感器亞型1和3具備頂孔,是明顯的嗅覺感受器,推測能接收性信息素[8,11,23-24]。毛形感器2的兩種分布型都沒有觀察到孔的結(jié)構(gòu),推測其具備感受機械刺激的功能。錐形感器是重要的嗅覺感受器官,紅脂大小蠹的錐形感器分布廣,基數(shù)大,且具備細密的壁孔,遍布感器的整體,因此可以斷定其為主要的嗅覺感受器官。這種多孔的薄壁感器作為主要的氣味感受器,在寄主找尋,危險趨避等行為中都起到了主要作用[9,25]。腔錐形感器形態(tài)在不同的昆蟲類群中存在很大的變異,其主要存在兩種形態(tài),一種如文中描述,一種為感器主體生長在深陷的腔內(nèi),只伸出感器的一部分。腔錐形感器被認為是溫度和濕度的機械感受器,也有研究認為腔錐形感器利用其尖端的指狀裂,增大了表皮面積,從而能更好地接收氣味分子。紅脂大小蠹的腔錐形感器應(yīng)該是溫濕度的機械感受器[23-27]。

對紅脂大小蠹感器功能的描述是根據(jù)學(xué)者的研究總結(jié)對比得出。要明確感器具體的功能,需要更進一步的電生理試驗和行為生理學(xué)研究來證實。

[1] 張龍娃, 魯敏, 劉柱東,等. 紅脂大小蠹入侵機制與化學(xué)生態(tài)學(xué)研究[J]. 應(yīng)用昆蟲學(xué)報, 2007, 44(2):171-178.

[2] Smith R H. Red turpentine beetle [M]. US Department of Agriculture, Forest Service, 1971: 9.

[3] 楊星科. 外來入侵種-強大小蠢[M]. 北京:中國林業(yè)出版社,2005:106.

[4] 趙建興, 楊忠岐, 任曉紅, 等. 紅脂大小蠢的生物學(xué)特性及在我國的發(fā)生規(guī)律[J]. 林業(yè)科學(xué), 2008, 44(2):99-104.

[5] 劉海軍, 駱有慶, 溫俊寶, 等. 北京地區(qū)紅脂大小蠹、美國白蛾和銹色粒肩天牛風(fēng)險評價[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2005, 27(2):81-87.

[6] 潘杰, 王濤, 溫俊寶, 等. 紅脂大小蠹傳入中國危害特性的變化[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2011, 31(7):1970-1975.

[7] 潘杰, 王濤, 宗世祥, 等. 紅脂大小蠹種群空間格局地統(tǒng)計學(xué)分析及抽樣技術(shù)[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2011, 31(1):195-202.

[8] Schneider D. Insect antennae [J]. Annual Review of Entomology, 1964, 9(1): 103-122.

[9] Zacharuk R Y. Ultrastructure and function of insect chemosensilla [J]. Annual Review of Entomology, 1980, 25(1): 27-47.

[10]馬瑞燕,杜家緯. 昆蟲的觸角感器[J]. 昆蟲知識, 2000, 37(3): 179-183.

[11]Bartlet E, Romani R, Williams I H, et al.Functional anatomy of sensory structures on the antennae ofPsylliodeschrysocephalaL.(Coleoptera: Chrysomelidae) [J]. International Journal of Insect Morphology and Embryology, 1999, 28(4): 291-300.

[12]胡江, 李義龍, 劉劍虹, 等. 麻點豹天牛成蟲感器的掃描電鏡研究[J]. 電子顯微學(xué)報,2001, 20(4): 499-500.

[13]程紅, 嚴善春, 徐波, 等. 青楊脊虎天牛觸角主要感器的超微結(jié)構(gòu)及其分布[J]. 昆蟲知識,2008, 45(2): 223-232.

[14]孫飛, 李祥瑞, 劉小俠, 等. 松褐天牛六種類型的觸角感器的超微結(jié)構(gòu)[J]. 昆蟲知識,2010(2): 347-354.

[15]閻雄飛, 孫月琴, 劉永華, 等. 光肩星天牛觸角感受器的環(huán)境掃描電鏡觀察[J]. 林業(yè)科學(xué),2010, 46(11): 104-109.

[16]Liu Xinhai, Luo Youqing, Cao Chuanjian, et al. Scanning electron microscopy of antennal sensible ofAnoplisteshalodendrihalodendriandAnoplisteshalodendriephippium(Coleoptera: Cerambycidae)[J].Microscopy Research and Technique, 2012, 75(3): 367-373.

[17]Merivee E, Ploomi A, Luik A, et al. Antennal sensilla of the ground beetlePlatynusdorsalis(Pontoppidan, 1763)(Coleoptera, Carabidae) [J]. Microscopy Research and Technique, 2002, 55(5): 339-349.

[18]Merivee E, Ploomi A, Rahi M, et al. Antennal sensilla of the ground beetleBembidionproperansSteph. (Coleoptera, Carabidae) [J]. Micron, 2002, 33(5): 429-440.

[19]劉桂清,田明義. 奇步甲觸角感器電鏡掃描觀察和觸角電位反應(yīng)[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008, 29(2): 50-55.

[20]楊貴軍, 張大治, 孫晶瑩. 溝眶象觸角感器的掃描電鏡觀察[J]. 昆蟲知識,2008,45(6): 926-931.

[21]楊燕, 楊茂發(fā), 楊再華, 等. 云南木蠹象觸角感器的掃描電鏡觀察[J]. 林業(yè)科學(xué),2009,45(2): 72-74.

[22]Yan Shanchun, Meng Zhaojun, Peng Lu, et al. Antennal sensilla of the pine weevilPissodesnitidusRoel.(Coleoptera: Curculionidae) [J].Microscopy Research and Technique,2011,74(5):389-396.

[23]Bleeker M A, Smid H M, Aelst A C V, et al.Antennal sensilla of two parasitoid wasps: a comparative scanning electron microscopy study [J]. Microscopy Research and Technique, 2004, 63(5): 266-273.

[24]Hu Fei, Zhang Guona, Wang Jinjun. Scanning electron microscopy studies of antennal sensilla of bruchid beetles,Callosobruchuschinensis(L.) andCallosobruchusmaculatus(F.)(Coleoptera: Bruchidae) [J]. Micron, 2009, 40(3): 320-326.

[25]Chen Haibo, Zhang Zhen, Wang Hongbin, et al. Antennal morphology and sensilla ultrastructure ofDendroctonusvalensLeConte (Coleoptera: Curculionidae, Seolytinae), an invasive forest pest in China [J]. Micron, 2010, 41(7): 735-741.

[26]Chen Li, Fadamiro H Y. Antennal sensilla of the decapitating phorid fly,Pseudacteontricuspis(Diptera: Phoridae) [J]. Micron, 2008, 39(5): 517-525.

[27]Chen Huhai, Zhao Yunxian, Kang Le. Antennal sensilla of grasshoppers (Orthoptera: Acrididae) in relation to food preferences and habits [J]. Journal of Biosciences, 2003, 28(6): 743-752.

(責任編輯：田 喆)

Antennal sensilla of the red turpentine beetleDendroctonusvalensLeConte (Coleoptera: Scolytidae)

Wang Tao

(MentougouForestryStation,Beijing102300,China)

The red turpentine beetleDendroctonusvalensLeConte (Coleoptera: Scolytidae) is one of the most important invasive alien species in China. To reveal the host-finding, mating and gathering mechanisms, antennal sensilla of this species were identified, and sensillum distribution pattern was analyzed using scanning electron microscope. Five types of sensilla were found on both male and female antennae, including sensilla chaetica, sensilla trichodea (subtype 1-3), sensilla basiconica, sensilla coeloconica, and B?hm’s bristles. The majority of these sensillum types or subtypes was lined in rows on the club segment, the rest of which was located on the funicle and basal segments of antennae. Based on the morphological characters and distribution pattern of these sensilla along with similar researches concerning sensillum functions, it was concluded that sensilla trichodea and sensilla basiconica were major olfactory organs; sensilla chaetica, sensilla coeloconica and B?hm’s bristles were mechanical detectors, possibly reacting to direct touch, vibrations or change of humidity. The results formed a fundamental basis for further researches regarding the habitat selection and gathering mechanisms.

Dendroctonusvalens; adult; antennal sensilla; scanning electron microscopy

2016-05-05

2016-05-29

北京市林業(yè)有害生物天敵新技術(shù)研究與應(yīng)用(2016)

S 433.5, Q964

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2017.02.018

聯(lián)系方式 E-mail:45289711@qq.com