云南松梢小蠹成蟲前胃的超微形態(tài)與食性分化

劉金林 , 趙 寧 , 楊 斌 , 李志美, 李宗波

(1. 西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650224； 2. 西南林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 昆明 650224)

云南松梢小蠹成蟲前胃的超微形態(tài)與食性分化

劉金林1, 趙 寧2, 楊 斌1, 李志美1, 李宗波1

(1. 西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院 云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650224； 2. 西南林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 昆明 650224)

云南松梢小蠹是以危害云南松為特征的一類切梢小蠹，對4種成蟲前胃進(jìn)行了掃描電鏡觀察和形態(tài)對比。結(jié)果表明，云南松梢小蠹前胃由8塊骨化的前胃板組成，膨大呈環(huán)形燈籠狀；前胃板由板狀部和片狀部2部分構(gòu)成，板狀部無中線，具發(fā)達(dá)的橫齒線，上有形態(tài)多樣的橫齒，片狀部包括斜面、關(guān)閉剛毛和咀嚼刷。結(jié)合前胃板形態(tài)特征的聚類分析，發(fā)現(xiàn)前胃板的角質(zhì)齒、關(guān)閉剛毛和副關(guān)閉剛毛是小蠹科昆蟲食性分化的重要依據(jù)，而前胃板間中線處著生的棘狀剛毛預(yù)示切梢小蠹存在生態(tài)位的微分化，可能對寄主樹木營養(yǎng)物質(zhì)需求和抗性能力有關(guān)。

云南松；切梢小蠹；前胃板；超微結(jié)構(gòu)；食性分化

云南松梢小蠹是云南切梢小蠹(Tomicusyunnanensis)、短毛切梢小蠹(T.brevioplius)、橫坑切梢小蠹(T.minor)和縱坑切梢小蠹(T.piniperda)等以危害云南松為特征的一類切梢小蠹的統(tǒng)稱，是云南松松林主要的毀滅性害蟲，目前僅云南地區(qū)已使100多萬畝云南松死亡[1-5]。云南松梢小蠹具有獨(dú)特的危害特點(diǎn)：新羽化的成蟲喜食新鮮嫩梢，一般僅選擇健康松樹補(bǔ)充營養(yǎng)，致使樹勢衰弱；待性成熟后取食則只選擇衰弱的云南松作為寄主，其在樹干韌皮部取食、產(chǎn)卵和繁殖，最終導(dǎo)致樹木死亡[2, 4, 6-9]?？梢?，該類小蠹存在一個(gè)明顯的蛀梢期和蛀干期，而轉(zhuǎn)移期是相當(dāng)短暫的，其絕大部分的生活史，如交配、產(chǎn)卵、幼蟲生長、化蛹和羽化等過程均在樹干內(nèi)完成。正是由于這種隱蔽的生活方式和取食特征[4]，決定了云南松梢小蠹防治難度大，對林業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成的威脅大。

前胃是小蠹蟲消化道中最為特化的器官，通過肌肉收縮研磨食物，尤其是內(nèi)層高度骨化的角質(zhì)內(nèi)膜，即前胃板，與小蠹蟲取食對象和食性分化聯(lián)系密切[10-14]。前胃板由板狀部和片狀部組成，板狀部包括不同類型的齒，能夠反映小蠹蟲屬和種間取食對象的異質(zhì)性[10, 15]，如韌皮小蠹和食菌小蠹板狀部的不同[16]。但目前對于切梢小蠹，這種在松梢中補(bǔ)充營養(yǎng)，又在樹干中取食繁殖的一類小蠹，關(guān)于其前胃板形態(tài)與結(jié)構(gòu)方面還尚無相關(guān)的研究。為此，本研究選取生態(tài)位重疊、同步危害云南松的4種切梢小蠹為研究對象，分析其前胃板的微觀形態(tài)與異同，并與不同食性小蠹的前胃板進(jìn)行對比，借以探討切梢小蠹食性及其分化的原因，以期為闡明云南松梢小蠹種群數(shù)量變動(dòng)和成災(zāi)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 小蠹的獲取與鑒定

分別于2015年9月至2016年4月分批次選擇危害云南松松梢和樹干內(nèi)繁殖的切梢小蠹帶回實(shí)驗(yàn)室，剝?nèi)〕上x，依據(jù)鞘翅斜面第二溝間部顆瘤有無、刻點(diǎn)排列、顆瘤毛長短等特征將4種切梢小蠹區(qū)分開[1, 16-18]。

1.2 前胃解剖與處理

將分類好的切梢小蠹固定于蠟盤，內(nèi)滴生理鹽水，解剖消化道，挑取前胃，放入磷酸緩沖液(pH 7.2)洗滌，經(jīng)10% NaOH煮沸(10 min)、超聲波震蕩洗滌(45 min)、磷酸緩沖液漂洗3次后，用2.5 %戊二醛固定2 h(4℃)。再經(jīng)過逐級脫水(30%、50%、75%、80%、95%乙醇，無水乙醇)，置于醋酸異戊酯中(2次)，每次處理10 min，最后經(jīng)臨界點(diǎn)干燥儀干燥(CTD-030)。處理完畢的樣品置于樣品臺上，鍍金后(PECS-682)，用環(huán)境掃描電子顯微鏡(Philip XL-30)觀察，掃描電壓12 kV。

1.3 前胃板特征的量化與分析

根據(jù)切梢小蠹、樹皮小蠹、梢小蠹、干小蠹、根小蠹、食菌小蠹等7族18種小蠹前胃板板狀部和片狀部的微觀特征[10, 15, 19]，并將各部特征進(jìn)行數(shù)值量化(表1)，最后用Mega 7.0對特征值運(yùn)用最大簡約法構(gòu)建特征進(jìn)化樹[20-21]。

表1 小蠹蟲前胃板各特征量化特征

2 結(jié)果與分析

2.1 前胃的位置與形態(tài)

云南松梢小蠹前胃位于前腸的嗉囊之后并與中腸相連，外形呈環(huán)形燈籠狀，是消化道最為膨大的部分(圖-1A、B)。其外表面附有縱肌和環(huán)肌，尤以與嗉囊相連的前端最為豐富，而后端布滿微氣管(圖1-A)，表明前胃前端與后端對于食物具有不同的機(jī)械和調(diào)節(jié)功能。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上來看，前胃由8塊骨化板組成，每塊骨化板為一前胃板，其分為前半部的板狀部和后半部的片狀部；板與板之間以間中線相連，外包被一層角質(zhì)層(圖1-C)。

圖1 云南松梢小蠹前胃位置與構(gòu)成

Fig 1 The location and structure of the proventriculus presented on the alimentary canal ofTomicusspecies

A為云南切梢小蠹消化道整體, 其中，F(xiàn)g: 前腸; Mg: 中腸; Hg: 后腸; Oc: 口腔; Ph: 咽; Es: 食道; Cr: 嗉囊; Pv: 前胃; Sv: 賁門瓣; Gc: 胃盲囊; Mt: 馬氏管; Pa: 幽門瓣; Re: 直腸; Lm: 縱肌; Cm: 環(huán)肌; Tr: 微氣管。B為前胃外觀。C為前胃板的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 其中，Ap: 片狀部; Mp:板狀部; De:斜面；數(shù)字示前胃板的數(shù)量

2.2 前胃板的微觀結(jié)構(gòu)

云南松梢小蠹前胃板的結(jié)構(gòu)較為相似，與嗉囊連接的板狀部分布著密集的刺棘(圖2-A～D)。板狀部無中線，有21～23行橫齒線，橫齒線上著生16～20對橫齒，形態(tài)多樣，分為劍齒、鋸齒、尖突齒和丘齒4種。劍齒頂部尖銳鋒利，齒身狹長，主要位于板狀部的上緣且緊鄰嗉囊處，并可向下延伸至板狀部中部區(qū)域；尖突齒基部寬，端部呈針狀，分布于板狀部中部及其劍齒下緣；鋸狀齒基部相連，端部成齒狀，常見于板狀部的中下端區(qū)域，且隨著向后延伸，鋸齒的鋒利程度逐漸下降，個(gè)體逐漸變??；而丘齒是邊齒，位于板狀部的兩側(cè)，基部相互分離，整體鈍圓寬長，但丘齒緣還著生少量長剛毛(圖2-A～G)。此外，板狀部邊緣常有一些邊齒，一部分可一直延伸到關(guān)閉剛毛處。關(guān)閉剛毛長且端部分叉，基部具有6～8 μm長的齒；咀嚼剛毛發(fā)達(dá)，端部呈弧形，表面具數(shù)量不等的齒狀分支(圖2-E、G)。

另一方面，云南松梢小蠹前胃板又存在微觀結(jié)構(gòu)的不同。云南切梢小蠹橫齒線有21行，僅著生鋸齒狀的橫齒線有9～10行(圖2-A、E)；縱坑切梢小蠹橫齒線23行，僅鋸狀齒橫齒線有8～10行(圖2-B、F)；橫坑切梢小蠹橫齒線有21行，僅為鋸狀齒的橫齒線相對較為平直，有9～10行，齒尖鈍圓(圖2-C)；而短毛切梢小蠹橫齒線23行，僅為鋸狀齒的橫齒線8～9行，齒尖，尤以橫齒線邊緣處最為明顯(圖2-D、G)。進(jìn)一步來看，間中線著生的棘狀剛毛也存在差異，云南切梢小蠹沒有剛毛分布，橫坑切梢小蠹具有1個(gè)或少量分布(圖2-A、C、E)，而縱坑切梢小蠹和短毛切梢小蠹有95～114根，呈2～3行縱向排列(圖2-B、D及F～H)。

2.3 前胃板結(jié)構(gòu)與食性分化

從前胃板特征值的聚類分析上來看，依據(jù)關(guān)閉剛毛的不同可將其分為兩類群，取食樹干和真菌的為一類，包括長毛干小蠹、黑根小蠹、華山松大小蠹、紅脂大小蠹、光滑足距小蠹和小粒材小蠹，而剩下的12種為另一類。根據(jù)副關(guān)閉剛毛特征，又可劃分為兩類，云南切梢小蠹、縱坑切梢小蠹、橫坑切梢小蠹和短毛切梢小蠹為一類群，在松梢和樹干中均可取食；而根據(jù)中線和板狀部齒型特征，華山松梢小蠹、秦嶺梢小蠹、偽秦嶺梢小蠹以松梢為食為一類群，松六齒小蠹、松十二齒小蠹和中重齒小蠹以松干為食為第二類群，暗額星坑小蠹和邊瘤小蠹取食樹干的為第三類群。

3 討論

形態(tài)適應(yīng)是物種長期進(jìn)化，適者生存的必然產(chǎn)物[22]。小蠹亞科昆蟲的前胃板外形均呈燈籠形，由8塊骨化板組成(圖1-A、B)，片狀部結(jié)構(gòu)相似，骨化程度較高，由剛毛和咀嚼刷組成，表現(xiàn)出高度相似性和異質(zhì)性[10-13, 15-16, 19]。而板狀部角質(zhì)化程度變異最大，尤以板狀部著生的劍齒、丘齒、尖突齒、鋸齒的數(shù)量和排列形式最甚(圖2-A～D)，說明著生這些角質(zhì)齒在前胃表面附著的環(huán)肌和縱肌收縮和伸張過程中可對食物進(jìn)一步碾壓、研磨和攪拌[11-13, 23]，加之前胃表面具豐富的微氣管(圖1-A)，可判斷該器官對氧氣需求量大，蠕動(dòng)也較為劇烈。而另一方面，正是由于這種角質(zhì)齒存在和表皮運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入中腸食物的顆粒度也會變小，利于營養(yǎng)物質(zhì)的攝取和吸收，但對于沒有前胃的、同樣取食木材纖維的非洲密齒天牛(Macrotomapalmata)和合歡雙條天牛(Xystoceraglobosa)則顆粒度極大[24]，這恰好說明前胃對進(jìn)入中腸的食物具有加工處理的功能。

圖 2 4種云南松梢小蠹前胃板的超微形態(tài)

A為云南切梢小蠹; B為縱坑切梢小蠹; C為橫坑切梢小蠹; D為短毛切梢小蠹; E為云南切梢小蠹板狀部與片狀部交界處微觀特征; F為縱坑切梢小蠹板狀部特征; G為短毛切梢小蠹板狀部特征; H為中線處剛毛。其中，Ap: 板狀部; Mp: 片狀部; s: 棘; d: 齒; Tl: 橫齒線; De: 斜面; Sb: 關(guān)閉剛毛; Ms: 中線; Mb: 咀嚼刷; Sh: 棘狀剛毛；Sld: 劍齒; Sd: 鋸齒; Pd: 尖突齒; Hd: 丘齒

圖3 18種不同食性的小蠹前胃板特征聚類圖

在所有觀察的4種云南松梢小蠹中，切梢小蠹與樹皮小蠹、食菌小蠹、根小蠹、梢小蠹等在前胃板的角質(zhì)齒、關(guān)閉剛毛和副關(guān)閉剛毛等形態(tài)上差別顯著，可直接將不同取食對象的各小蠹區(qū)分開(圖3)，這支持了前胃結(jié)構(gòu)與昆蟲食性相關(guān)的推斷[10, 15, 25-26]。從生物進(jìn)化觀點(diǎn)來看，無論是切梢小蠹、梢小蠹、根小蠹，還是樹皮小蠹，這些小蠹蟲均以木材纖維為主要食物，而食菌小蠹以真菌菌絲和孢子為唯一食物，兩類小蠹食物的性質(zhì)截然不同，反映在前胃板形態(tài)上也差別明顯。如小粒材小蠹前胃板板狀部較短，與嗉囊完全分開，表面僅覆蓋一層有膜質(zhì)；而片狀部較長，關(guān)閉剛毛、咀嚼刷及其斜面均具鈍鋸齒。此外，即使取食對象相似或相近的物種，如華山松大小蠹和長毛干小蠹，兩者前胃板的結(jié)構(gòu)也存在不同[10, 27]，這與云南松梢小蠹、縱坑切梢小蠹、橫坑切梢小蠹和短毛切梢小蠹的結(jié)果相似，可能說明切梢小蠹前胃板結(jié)構(gòu)的差異與其在云南松枝梢和樹干中取食的時(shí)間、空間分布、寄主樹木部位等有聯(lián)系。另一方面，樹木所產(chǎn)生的次生代謝物質(zhì)，包括與抗性相關(guān)的苯丙氨酸解氨酶和多酚氧化酶等分泌物，即使同一枝條不同位置也會不同[28-30]，意味小蠹蟲對先期攝入的食物進(jìn)行選擇和預(yù)處理是有必要的[2-4]?？v坑切梢小蠹、橫坑切梢小蠹和短毛切梢小蠹前胃板與板之間的中線處有棘狀剛毛，少量或2～3行(圖2-F～H)，可對進(jìn)入中腸的食物具有一定的阻擋作用，食物在前胃中停留的時(shí)間會加長，食物中含有的有毒物質(zhì)、寄主抗性物質(zhì)可與分解酶有更多時(shí)間融合后被逐步降解去毒[30]，從而利于擴(kuò)大取食范圍和提高生存能力，這與林間種群調(diào)查顯示的橫坑切梢小蠹有更廣的生態(tài)位分布和更高的繁殖效率是一致的[6, 31]。可以看出，云南松梢小蠹前胃板結(jié)構(gòu)的微分化一定程度上反映了其對寄主云南松營養(yǎng)物質(zhì)需求和抗性能力的不同，但前胃板作為一個(gè)物理消化器官，其結(jié)構(gòu)分化仍取決于切梢小蠹共生真菌、腸道真菌以及中腸腸壁細(xì)胞構(gòu)成與排列形式等多方面因素[11-13, 23, 32-33]。因此，下一步對中腸及后腸的超微結(jié)構(gòu)研究，將有益于我們了解切梢小蠹食性分化和營養(yǎng)需求的深層次問題。

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Proventriculus ultrastructure and feeding divisions of the adult of Yunnan shoot borers,Tomicusspecies, lived inPinusyunnanensis

LIU Jin-lin1, ZHAO Ning2, YANG Bin1, LI Zhi-mei1, LI Zong-bo1

(1. Key Laboratory of Forest Disaster Warning and Control in Yunnan Province, College of Forestry; 2. Faculty of Life Science, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

The Yunnan shoot borers,Tomicusspecies, are indigenous shoot-feeding beetles that attack thePinusyunnanensisin southern China. To provide a generally concentration on the physiological aspects and feeding divisions, the proventriculus of 4Tomicusspecies, includingT.yunnanensis,T.minor,T.piniperdaandT.brevioplius, were analyzed with scanning electron microscopy. The results showed the adult proventriculus consisted of 8 chitinous plates are in lantern-like shape. Each plate is involved in the anterior plate and masticatory plate. The former has no median suture on the surface plate, which presents many transverse tooth lines with all types of denticles; while the latter is composed of declivity, stopping bristles and mastiutory brush. Together evolutionary relationship of proventricular structure corroborate the cuticular denticles and stopping bristles as well as substitute stopping bristles that play a critical role in feeding divisions among the scolytidae. Particularly, the spine-like hairs occurred on the median suture may indicate the niche difference of coadaptation onTomicusspecies. The results will benefit for the further understanding the nutrient utilization and resistance ability ofTomicusspecies to the host trees.

Pinusyunnanensis；Tomicusspp.; proventriculus; ultrastructure; feeding divisions

2016-07-20；

2016-08-10

國家自然科學(xué)基金(31560213, 31260179); 云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究(2011FZ139); 云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(ZK150006); 云南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

劉金林，碩士研究生，主要從事園林植物保護(hù)研究，E-mail: 3118366211@qq.com

李宗波，博士，副教授，主要從事化學(xué)生態(tài)學(xué)和害蟲生態(tài)和治理，E-mail: lizb@outlook.com

Q964; S763.38

A

2095-1736(2017)04-0017-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.04.017