中華蜜蜂觸角感器掃描電鏡觀察

趙慧婷 彭竹 杜亞麗 姜玉鎖

（1 山西農(nóng)業(yè)大學生命科學學院，太谷 030801；2 山西農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，太谷 030801）

1 引言

昆蟲觸角是感受外界化學信息的主要器官，能夠識別和接收皮克級含量的揮發(fā)性化學物質(zhì)，如此微弱的物質(zhì)含量即使用現(xiàn)代精密的設備也難以檢測到[1]。觸角獨特的感受能力在昆蟲的生活中起關鍵作用，如尋找棲息地、覓食、聚集、尋找配偶和產(chǎn)卵場所等，這種感受能力主要是通過觸角上許多微觀的不同類型的感受器來實現(xiàn)的。目前，掃描電子顯微鏡技術仍是研究昆蟲觸角感器的有效手段。

昆蟲觸角一般由3部分組成，包括柄節(jié)、梗節(jié)和鞭節(jié)，其中柄節(jié)和梗節(jié)各有一段，鞭節(jié)由若干小段組成。二十世紀七八十年代，國外學者對意大利蜜蜂觸角感器開展了早期研究工作，詳盡記錄和描述了鞭節(jié)上感受器的類型及數(shù)量。意蜂觸角上主要的化學感器包括板形感器、壇形感器、腔錐形感器、錐形感器、鐘形感器、毛形感器等[2-4]。隨后，我國學者對中蜂觸角感器也進行了研究，在工蜂觸角上除發(fā)現(xiàn)上述6種感受器外，還發(fā)現(xiàn)了一類緣感器[5]。對觸角感器的形態(tài)和類型的研究能促使我們更好地理解化學信息素及其行為反應間的相關性。

中華蜜蜂是我國特有的蜂種，因其具有善于采集零星蜜源、耗蜜量低、抵抗胡蜂及產(chǎn)卵有節(jié)制等優(yōu)點受到廣大養(yǎng)蜂者的歡迎[6]。此外，中華蜜蜂對維系當?shù)厣鷳B(tài)平衡也起到了重要作用。

早期報道的有關中華蜜蜂掃描電鏡的圖片資料分辨率不高，另外缺乏對雄蜂觸角感受器的資料描述。為此，本文在前人的研究基礎上又進一步描述和比較了中華蜜蜂工蜂與雄蜂觸角感受器的形態(tài)、類型及其分布規(guī)律，旨在深入了解中華蜜蜂的化學感受系統(tǒng)，以期為今后中華蜜蜂生物學、行為學等研究提供參考數(shù)據(jù)。

2 材料與方法

2.1 供試昆蟲

中華蜜蜂采自山西農(nóng)業(yè)大學實驗蜂場。從健康蜂群中隨機抓取剛剛出房的工蜂和雄蜂各5只，用鑷子將觸角從基部的觸角窩完整取下，立即投入用磷酸緩沖鹽溶液（PBS）稀釋的2.5%戊二醛固定液中固定24h。

2.2 樣品制備與掃描電鏡

將固定后的樣品先用PBS清洗，之后依次用30%、50%、70%、80%、90%、100%的乙醇溶液進行梯度脫水，每次15min，其中100%乙醇脫水2次。

將脫水后的樣品用導電膠帶固定在樣品臺上，用離子濺射鍍膜儀噴射鉑金（JEOL JFC-1600，日本）；噴鍍完成后，將樣品放入掃描電子顯微鏡中進行觀察和拍照（JEOL JEM-6490 LV，日本）。

2.3 圖像處理及命名方法

掃描電鏡的圖片用Photoshop CS3進行處理。觸角表面感器類型的命名和分類主要參照Schneider[7]及Onagbola、Fadamiro[8]的標準來描述。觸角感受器的大小使用TEM粒徑測量軟件進行測量，同一類型的感受器至少測量10個個體取其平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 中華蜜蜂觸角的基本形態(tài)

中華蜜蜂成年工蜂和雄蜂的顏面中央各著生有1對膝狀觸角，均由柄節(jié)（scape）、梗節(jié)（pedical）和鞭節(jié)（flagellum）3部分組成（見圖1）。

柄節(jié)呈紡錘形，兩端較細，中間略粗，工蜂柄節(jié)比雄蜂的修長，前者長約1.24mm，寬約0.26mm，后者長約0.80mm，寬約0.27mm。梗節(jié)呈管狀，工蜂和雄蜂梗節(jié)長度相近，約0.15mm，工蜂梗節(jié)上剛毛數(shù)量較雄蜂多。鞭節(jié)呈圓柱形，工蜂鞭節(jié)較雄蜂鞭節(jié)稍短而細；工蜂鞭節(jié)有10個小節(jié)，總長約2.56mm，寬約0.19mm，第二鞭節(jié)在所有鞭節(jié)中最短，其余鞭節(jié)長度相近；雄蜂鞭節(jié)有11個小節(jié)，長約2.80mm，寬約0.24mm，第一和第二鞭節(jié)較其他鞭節(jié)短，第三鞭節(jié)較長，其余各鞭節(jié)長度相近。

中華蜜蜂觸角的柄節(jié)、梗節(jié)及鞭節(jié)的第一、第二小節(jié)上包被著鱗片，鱗片排列整齊，層層相疊，從第三鞭節(jié)至末端鞭節(jié)為感器聚集區(qū)，分布有許多形態(tài)不同的感受器。整體來看，工蜂觸角各節(jié)段比雄蜂的修長，而雄蜂觸角較粗壯，這與兩型蜂個體差異相吻合。

3.2 中華蜜蜂觸角感器的類型

工蜂和雄蜂觸角的差異不僅表現(xiàn)在形態(tài)和觸角節(jié)數(shù)上，其感受器的種類、數(shù)量和分布也存在明顯差別。許多昆蟲也都具有類似的二型差異性特征[9]。

通過掃描電鏡觀察，在工蜂和雄蜂觸角上共發(fā)現(xiàn)了8種不同類型的感受器，包括毛形感器（Str）、板形感器（Spl）、錐形感器（Sba）、刺形感器（Sch）、栓錐形感器（Sst）、鐘形感器（sca）、壇形感器（Sam）和腔錐形感器（sco），以及多種形態(tài)的剛毛（S）。

3.2.1 剛毛

剛毛主要分布在觸角的柄節(jié)、梗節(jié)和第一、二鞭節(jié)上，末端較尖，有研究表明剛毛的壁較厚[10]。由掃描電鏡圖可見工蜂柄節(jié)上密被松針狀剛毛，較長，梗節(jié)上的剛毛沒有柄節(jié)上的密集（圖2）。雄蜂柄節(jié)背部有少許針狀剛毛，腹部多為羽狀剛毛（圖3）。松針狀、針狀和羽狀剛毛上均有刻紋。工蜂觸角從第一鞭節(jié)底部開始向上是毛形剛毛，在第一鞭節(jié)末端逐漸出現(xiàn)馬刀狀剛毛，第二鞭節(jié)則布滿了馬刀狀剛毛。毛形剛毛表面光滑，尖端稍向上彎曲。馬刀狀的剛毛表面亦光滑，毛體扁平且凹陷，但末端較尖，這與?gren[3]的研究報道類似。雄蜂第一鞭節(jié)上均為匍匐狀的針狀剛毛，分布較均勻、整齊；第二鞭節(jié)的剛毛散布較凌亂，長短不一；雄蜂觸角鞭節(jié)上無馬刀狀剛毛。

圖1 中華蜜蜂觸角掃描電鏡圖

圖2 中華蜜蜂工蜂觸角剛毛掃描電鏡圖

圖3 中華蜜蜂雄蜂觸角剛毛掃描電鏡圖

3.2.2 B?hm氏鬃毛

在工蜂和雄蜂梗節(jié)的基部，均有一簇剛直如刺的感受器（圖2D、圖3D），其長度約為11.2μm~12.3μm，表面光滑無孔，有基窩，稱為B?hm氏鬃毛。有報道稱B?hm氏鬃毛為一種感受重力的機械感器，當遇到機械刺激時能夠緩沖重力的作用力，從而控制觸角位置下降的速度。值得注意的是，在筆者所查閱的文獻中，均描述B?hm氏鬃毛無基窩[11-13]，但本研究中可以明顯看到基窩的存在。

3.2.3 板形感器

工蜂與雄蜂的板形感器從第三鞭節(jié)到末節(jié)均有分布，在柄節(jié)、梗節(jié)及一、二鞭節(jié)上均無此類感器。板形感器為橢圓形的圓盤狀結(jié)構(gòu)，表面有許多輻射狀的溝壑從盤中央延伸開來，沿溝壑密布小孔（圖4C和D），雄蜂的板形感器比工蜂的分布密集。從掃描電鏡結(jié)果來看，板型感器分2種類型，一種是凹陷在觸角表面的，命名為板形感器I（圖4A），此類型板形感器四周有脊環(huán)繞，溝壑也較深，在第三、四鞭節(jié)上分布較多；另一種是表面較平坦的，命名為板形感器Ⅱ（圖4B），多分布在第三鞭節(jié)以上各鞭節(jié)上，其溝壑相應較淺。早期文獻中未見對蜜蜂觸角板形感器進行分類描述。

圖4 中華蜜蜂觸角板形感器掃描電鏡圖

板形感器是膜翅目蜜蜂總科昆蟲觸角上最多的一種感器[14]，Lacher和 Schneider[15]及 Kaissling和Renner[16]等報道板形感器具有嗅覺功能，對蜂王物質(zhì)和從Nasanov腺體中分泌的信息素比較敏感，且雄蜂比工蜂的感受能力高。在其他昆蟲中，板形感器也被認為是嗅覺感器，感器上的微孔可以讓外界氣味分子進入感器淋巴腔，與淋巴液中的氣味結(jié)合蛋白結(jié)合[17,18]。

3.2.4 毛形感器

圖5 中華蜜蜂觸角毛形感器掃描電鏡圖

在觸角鞭節(jié)上散布著4種類型的毛形感器。工蜂觸角上毛形感受器分布較多，且在各鞭節(jié)上分布較均勻。毛形感器表面光滑，看起來較為柔軟，有臼狀窩。

在工蜂觸角鞭節(jié)上，散布著4種類型的毛形感器，分別為毛形感器A、B、C、D，4種類型的毛形感器表面均光滑。毛形感器A（圖5A）較粗壯，有臼狀窩，尖端向上彎曲，稍鈍，平均長度約為13μm，相對于觸角表皮較直立，此類型的毛形感器分布最廣，?gren稱毛形感器A是一種機械感器[3]。毛形感器B細而尖，有臼狀窩，毛狀，形狀略呈S型，平均長度約15μm（圖5A）。毛形感器C和D呈長毛狀，整體較尖細，無臼狀窩，C稍直或呈S型曲線彎曲，D的彎曲程度較大，尖端彎向觸角表面，另外C的尖端比D更尖（圖5B），多分布在各鞭節(jié)的邊緣部位，本研究結(jié)果與杜芝蘭[5]報道的中蜂毛形感器C和D的形態(tài)及分布略有差別。

雄蜂也具有類似工蜂的4種類型的毛形感器（圖5C和D），但在3~5鞭節(jié)上數(shù)量較少，且分布不均勻，C和D型的毛形感器多分布在末端鞭節(jié)上?？傮w來看，工蜂觸角上毛形感器的數(shù)量比雄蜂的多而且分布均勻。

毛形感器是植食性昆蟲觸角上分布最廣、數(shù)量最多的感器。在許多昆蟲中，毛形感器被認為是嗅覺感器，因為感器表面有許多孔，可接收氣味分子[19-21]，電生理研究也證實了這一點[22]。但在本研究中，未發(fā)現(xiàn)中蜂觸角毛形感器上有孔，其是否具有嗅覺功能還有待做進一步研究。

3.2.5 錐形感器

錐形感器較毛形感器粗壯，多直立于觸角表面，不具臼狀窩（圖6A）。感器下粗上細，頂端頓圓，有孔，不彎曲，長度約為12.39μm。錐形感器在工蜂與雄蜂觸角第三鞭節(jié)到末端鞭節(jié)均有分布，但與板型感器和毛形感器相比數(shù)量明顯減少。?gren等[3]的研究認為意大利蜜蜂雄蜂的觸角上不存在錐形感器，而本研究在雄蜂的觸角上也發(fā)現(xiàn)了這類感器。

圖6 中華蜜蜂觸角錐形感器和栓錐形感器掃描電鏡圖

前人研究中對一些昆蟲觸角做超薄切片，發(fā)現(xiàn)錐形感器壁很薄，具有豐富的小孔，認為這類感器具有識別氣味的能力，是一種嗅覺感器[17,20,23]，Slifer和Sekhon[10]提出意大利蜜蜂工蜂的錐形感器亦具有嗅覺功能。在本研究中，也發(fā)現(xiàn)錐形感器頂端有孔，推測其在中蜂嗅覺識別中發(fā)揮重要作用。

3.2.6 栓錐形感器

栓錐形感器只存在于雄蜂觸角鞭節(jié)上（圖6B），并且在3~10小節(jié)上均有分布，而在工蜂觸角上未發(fā)現(xiàn)此類感器。杜芝蘭[5]在對中蜂工蜂掃描電鏡的研究中也未報道工蜂有此類感受器。栓錐形感器呈拇指狀，長度較毛形感器和錐形感器短，約7.88μm。底端較為粗大，著生于臼狀窩內(nèi)，表面有淺的縱紋。

在鱗翅目昆蟲中此類感器較常見，但在膜翅目昆蟲中還未見報道。超微結(jié)構(gòu)研究表明，栓錐形感器內(nèi)部有豐富的神經(jīng)細胞，具有感受溫濕度的變化[24]、味覺和嗅覺等功能[25]。本研究中，栓錐形感器僅特異的出現(xiàn)在雄蜂觸角上，對于其功能還需要在后期研究中加以驗證。

3.2.7 刺形感器

之前對蜜蜂觸角感器的研究中，沒有有關刺形感器的描述。本研究中，在工蜂與雄蜂觸角上均存在刺形感器。除第一鞭節(jié)外，從第2到端節(jié)上均有刺形感器分布，且多分布在各鞭節(jié)的前端。刺形感器細長，外形剛直如刺，著生的臼狀窩較淺，感器長度變化較大，約18~25μm，較毛形感器和錐形感器稍長（圖7A）。因刺形感器的這一特點，推測其具有感受機械刺激的功能[7,23]。單感器試驗證明，刺形感器對性信息素刺激無電位反應，而對機械振動有反應[26]。C?nsoli等[27]推測刺形感器還具有定位功能。

3.2.8 鐘形感器

圖7 中華蜜蜂觸角其他類型感受器掃描電鏡圖

鐘形感器呈圓形，像一個個隆起的火山口，感器中央有紐扣樣的凸起，表面不光滑（圖7A和B），此類感器在鞭節(jié)的端節(jié)分布較多。膜翅目昆蟲小蜂熊蜂（Bombus hypocrita）的鐘形感器分布在除第一鞭節(jié)外的其他各節(jié)上，但數(shù)量不多[14]。Yokohari[28]認為意大利蜜蜂鐘形感器能感受溫濕度，而?gren[4]則認為該類型感器可能為機械感器，不受神經(jīng)支配。

3.2.9 壇形感器與腔錐形感器

壇形感器與腔錐形感器是2種形態(tài)類似的感受器，在工蜂觸角中，二者的大小相似，位置毗鄰。壇形感器比板形感器面積小，且在中心形成一個豆狀突起，直徑約為1.36μm（圖7C），此類感器數(shù)量較少，且僅在工蜂觸角表面觀察到了此類感器，但Esslen和Kaissling[2]研究結(jié)果指出意大利蜜蜂雄蜂觸角上也有壇形感器。

腔錐形感器是一個內(nèi)陷于觸角表皮的孔，直徑在0.86~2.58μm之間，孔中有芽狀感受物（圖7C和D），該感器數(shù)量較多，且在工蜂與雄蜂觸角第三到末端鞭節(jié)中均有分布，另外，雄蜂此類感器的數(shù)量多于工蜂。Lacher[15]報道，用電生理學方法檢測到壇形感器對CO2有反應，而腔錐形感器對水和溫度有反應。

4 結(jié)論

經(jīng)掃描電鏡觀察，中華蜜蜂觸角分為3部分——柄節(jié)、梗節(jié)和鞭節(jié)，雄蜂的鞭節(jié)比工蜂的更長更粗壯。柄節(jié)、梗節(jié)與一二鞭節(jié)上分布的為剛毛，工蜂觸角上特有馬刀狀剛毛，而雄蜂觸角上特有羽狀剛毛。B?hm氏鬃毛則分布在梗節(jié)的基部，工蜂和雄蜂均有此類感受器。工蜂觸角鞭節(jié)上存在的感受器包括毛形感器、板形感器、錐形感器、鐘形感器、壇形感器和腔錐形感器。雄蜂觸角鞭節(jié)有6種感受器，與工蜂相比，在雄蜂觸角上沒有發(fā)現(xiàn)鐘形和壇形感器，但具有栓錐形感器。從感器分布來看，板形感器、毛形感器、剛毛的數(shù)量較多，其次是錐形感器、刺形感器和腔錐形感器，鐘形感器、壇形感器、栓錐形感器數(shù)量較少。板形感器和錐形感器表面多孔，推測其具有嗅覺功能。