美國(guó)白蛾觸角感器超微結(jié)構(gòu)1)

狄貴秋 馬慶輝 馬維超 孟昭軍 嚴(yán)善春

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

美國(guó)白蛾(Hyphantriacunea)又稱秋幕毛蟲、秋幕蛾，屬鱗翅目(Lepidoptera)、燈蛾科(Arctiidae)昆蟲，是我國(guó)林業(yè)重大檢疫害蟲之一，原產(chǎn)北美，1979年首次在中國(guó)遼寧發(fā)現(xiàn)[1-2]。其繁殖力強(qiáng)，食量大，危害的植物達(dá)百余種，對(duì)園林樹木、經(jīng)濟(jì)林、農(nóng)田防護(hù)林等造成嚴(yán)重的危害，已對(duì)農(nóng)林產(chǎn)業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]。有研究者[2-4]通過(guò)電生理和行為學(xué)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)白蛾寄主桑樹揮發(fā)物β-羅勒烯和順2-戊烯-1-醇對(duì)雄蛾分別有引誘和驅(qū)避作用，β-羅勒烯可提高雌雄交配率和產(chǎn)卵率，順2-戊烯-1-醇對(duì)雌雄交配率和產(chǎn)卵率無(wú)顯著影響。對(duì)美國(guó)白蛾性信息素組分研究發(fā)現(xiàn)，其不同地理分布的種群性信息素組分不同，中國(guó)和新西蘭種群的性信息素均由Z9,Z12-18Ald； Z9,Z12,Z15-18Ald；Z3,Z6-9S,10R-epoxy-21Hy和1,Z3,Z6-9S,10R-epoxy-21Hy組成，而匈牙利種群另包含一種微量成分1,Z3,Z6-9S,10R-epoxy-20Hy[5-6]。國(guó)內(nèi)外已將美國(guó)白蛾性信息素制成誘芯廣泛用于蟲情監(jiān)測(cè)。

昆蟲觸角是調(diào)節(jié)昆蟲行為的主要感覺器官，其表面著生大量由表皮特化形成的感受器[7]，行使嗅覺等功能。昆蟲可通過(guò)觸角上各種類型的感受器感知復(fù)雜環(huán)境，從而產(chǎn)生定位寄主、交配、產(chǎn)卵以及趨避等行為[8]。不同昆蟲的感器類型、數(shù)量、結(jié)構(gòu)和著生位置差異很大，功能也不同。如多孔感受器通常與嗅覺功能相關(guān)[9]。對(duì)鱗翅目昆蟲觸角感器研究發(fā)現(xiàn)，毛形感器(ST)、刺形感器(SCH)、錐形感器(SB)、栓錐形感器(SST)、腔錐形感器(SCO-I)、B?hm氏鬃毛(BB)等在鱗翅目昆蟲觸角上普遍存在；在雙委夜蛾(Athetisdissimilis)、落葉松尺蛾(Erannisankeraria)、荔枝異形小卷蛾(Cryptophlebiaombrodelta)的觸角上還觀察到耳形感器(SAU)[10-14]。研究觸角超微結(jié)構(gòu)，弄清其感受器的類型及分布，是了解昆蟲嗅覺感器功能及感受機(jī)制的基礎(chǔ)。本研究借助掃描電鏡，觀察美國(guó)白蛾觸角超微結(jié)構(gòu)，了解其雌雄蛾觸角感器類型、數(shù)量及分布，為進(jìn)一步研究嗅覺感受機(jī)制奠定基礎(chǔ)，為探索新的防治途徑和方法提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx

美國(guó)白蛾卵采自山東省濟(jì)南市商河縣白蠟林地。人工飼料購(gòu)自中國(guó)林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所昆蟲病毒研發(fā)中心。把卵置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)孵化、飼養(yǎng)。飼養(yǎng)條件：溫度(25±1)℃，濕度60%±5%，光周期16L∶8D。待成蟲羽化后取觸角完整的雌雄成蟲各6頭備用。

1.2 樣品制備

取雌、雄成蟲各6頭，在解剖鏡下用鑷子和解剖刀小心地從觸角基部將觸角完整取下，放入含有卡諾氏固定液(V(無(wú)水乙醇)∶V(冰醋酸)=3∶1)的離心管中固定12 h，然后用2.5%戊二醛-磷酸緩沖液固定過(guò)夜。經(jīng)pH=7.2的磷酸緩沖液漂洗3次，每次5～10 min，之后再分別用體積分?jǐn)?shù)50%、70%、80%、90%、95%和100%乙醇溶液進(jìn)行梯度脫水各3次，每次10 min。脫水后室溫干燥，粘在貼有雙面膠的鋁制樣品臺(tái)上，用Quorum Q150T鍍膜儀進(jìn)行噴金鍍膜。將制好的樣品在FEI quanta 200掃描電子顯微鏡進(jìn)行拍照觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

觸角感器的分類及命名標(biāo)準(zhǔn)參照Schneider[15]，圖像使用Image J_v1.8.0處理分析，數(shù)據(jù)使用Excel2016處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 美國(guó)白蛾觸角形態(tài)概述

美國(guó)白蛾觸角具有性別二態(tài)性，雌性觸角形態(tài)為鋸齒狀，雄性觸角為雙櫛齒狀，也稱羽毛狀(圖1)。雌雄觸角均由柄節(jié)、梗節(jié)、鞭節(jié)3部分組成。柄節(jié)上部膨大，背覆鱗片，基部?jī)蓚?cè)分布B?hm氏鬃毛(BB)，鬃毛由長(zhǎng)短2種錐形感器組成，長(zhǎng)錐形著生于波紋形臼狀窩上，短錐形著生于波紋邊緣。梗節(jié)背面覆滿鱗片。鞭節(jié)約由45個(gè)亞節(jié)組成，其羽毛狀分支于縱軸腹面呈30°～90°夾角，夾角開口偏向外側(cè)；鞭節(jié)縱干及羽狀分支的背面覆滿鱗片，鞭節(jié)端部1/3的褶皺上有小孔(圖2a)；端部及基部鞭亞節(jié)感器類型較少；端部?jī)杀迊喒?jié)感器數(shù)量最少，基部?jī)杀迊喒?jié)次之；其他鞭亞節(jié)腹面及側(cè)面著生大量感器，分為9種類型：長(zhǎng)毛形感器Ⅰ(ST-Ⅰ)、短毛形感器Ⅱ(ST-Ⅱ)、刺形感器(SCH)、錐形感器(SB)、栓錐形感器 (SST)、具緣毛腔錐形感器Ⅰ (SCO-I)、無(wú)緣毛腔錐形感器Ⅱ(SCO-Ⅱ)、鱗形感器 (SSQ)、舌形感器(SL)。舌形感器為新發(fā)現(xiàn)的感器類型，為雄蛾觸角所特有。

圖1 美國(guó)白蛾觸角形態(tài)

2.2 美國(guó)白蛾觸角感器類型及特征

2.2.1 毛形感器(ST)

美國(guó)白蛾毛形感器分為2種類型：長(zhǎng)毛形感器(ST-Ⅰ)和短毛形感器(ST-Ⅱ)(圖2b、c、e)，位于鞭節(jié)腹面和側(cè)面，是數(shù)量最多的感器類型。毛形感器表面有螺旋紋(圖2f)，基部至末端漸細(xì)，觸角端亞節(jié)毛形感器數(shù)量極少甚至無(wú)。ST-Ⅰ與觸角夾角在60°～90°，尖端漸彎，ST-Ⅱ與觸角夾角小于60°，略彎曲。雌蛾ST-Ⅰ長(zhǎng)(38.10±9.24)μm，基部寬(2.89±0.54)μm；ST-Ⅱ長(zhǎng)(20.22±4.47)μm，基部寬(2.33±0.44)μm。雄蛾ST-Ⅰ長(zhǎng)(45.75±12.17)μm，基部寬(3.05±0.60)μm；ST-Ⅱ長(zhǎng)(22.34±6.69)μm，基部寬(2.40±0.49)μm(表1)。雄蛾的2種毛形感器長(zhǎng)度均顯著大于雌蛾(P<0.05)，基部寬度只有ST-Ⅰ在雌雄蛾之間表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。

表1 美國(guó)白蛾觸角不同感器類型的長(zhǎng)與寬

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=15～100，同一感器類型的同列不同字母表示雌雄差異顯著(P<0.05)。

2.2.2 刺形感器(SCH)

刺形感器(SCH)為剛毛狀，外形如刺，偶有彎曲，端部鈍圓，表面有縱紋(圖2b、c、g-i)。雄蛾SCH長(zhǎng)度為(134.35±37.55)μm，基部寬度為(8.13±1.99)μm，顯著大于雌蛾的長(zhǎng)度和基部寬(P<0.05)，見表1。SCH在鞭節(jié)端亞節(jié)位于該節(jié)中間位置，在其余各亞節(jié)均沿羽狀分支(或鋸齒)方向分布于分支端部臼狀窩內(nèi)，個(gè)別彎曲SCH分布于羽狀分支側(cè)面偏下位置。數(shù)量一般為每亞節(jié)2個(gè)，雄蛾鞭節(jié)第1端亞節(jié)及中間少數(shù)亞節(jié)為4個(gè)，鞭節(jié)基部第1亞節(jié)無(wú)SCH。

2.2.3 錐形感器(SB)

錐形感器(SB)端部微鈍，直立或沿觸角微彎曲，有臼狀窩(圖2d、j、k)，數(shù)量較少，著生于鞭節(jié)腹面。雌蛾SB長(zhǎng)與基部寬分別為(15.44±2.39)μm、(2.35±0.30)μm，均顯著小于雄蛾，見表1。

2.2.4 腔錐形感器(SCO)

腔錐形感器(SCO)有2種類型，分別為：具緣毛SCO-I、無(wú)緣毛SCO-Ⅱ，位于鞭節(jié)各亞節(jié)羽狀分支近端部的腹面?zhèn)染墸Ｉ诖绦胃衅飨路?。SCO-I(圖2b-e)具菊花狀緣毛，緣毛腔凹陷，中間具1根錐形突。雌蛾和雄蛾SCO-Ⅰ錐形突長(zhǎng)度無(wú)顯著差異(P>0.05)，但雄蛾緣毛腔直徑((8.87±1.32)μm)顯著大于雌蛾(P<0.05)，見表1。SCO-Ⅰ在每個(gè)鞭亞節(jié)兩側(cè)各有1～5個(gè)，鞭節(jié)基部少有發(fā)現(xiàn)，且雄蛾數(shù)量多于雌蛾。SCO-Ⅱ無(wú)緣毛(圖2f)，感器呈錐形，位于凹陷腔內(nèi)，數(shù)量少于SCO-Ⅰ。雌蛾SCO-Ⅱ錐形突長(zhǎng)(5.75±0.84)μm，顯著大于雄蛾(P<0.05)，雌雄蛾錐形突基部寬無(wú)顯著差異(P>0.05)(表1)。SCO-Ⅱ位于鞭節(jié)各亞節(jié)分支(或鋸齒)腹面邊緣外側(cè)面，鞭節(jié)基部少有發(fā)現(xiàn)。

2.2.5 栓錐形感器(SST)

栓錐形感器(SST)基部褶皺，栓端部光滑，端部凹陷內(nèi)著生一個(gè)小錐形突。栓錐形感器長(zhǎng)和基部寬雌蛾顯著大于雄蛾(P<0.05)，雌蛾長(zhǎng)和基部寬分別為(26.10±7.16)、(12.31±2.52)μm，雄蛾長(zhǎng)和基部寬分別為(21.88±4.96)、(9.82±2.20)μm(表1)。SST只有1種類型，與SCH伴生(圖2c、g、i)，位于SCH一側(cè)，在鞭節(jié)端亞節(jié)有1個(gè)(圖2b)，其余亞節(jié)各有2個(gè)，分別位于各亞節(jié)端部?jī)蓚?cè)，偶爾在個(gè)別鞭亞節(jié)的一側(cè)有2個(gè)。

2.2.6 鱗形感器(SSQ)

鱗形感器(SSQ)形狀為紡錘形，表面有縱紋(圖2l)。雌蛾SSQ長(zhǎng)(52.04±7.34)μm，與雄蛾長(zhǎng)差異顯著(P<0.05)，但感器基部寬無(wú)顯著差異(P>0.05)(表1)。SSQ數(shù)量較少，著生于觸角梗節(jié)和鞭節(jié)背面圓腔內(nèi)，被大量鱗片覆蓋，不易觀察。

2.2.7 B?hm氏鬃毛(BB)

B?hm氏鬃毛(BB)為柄節(jié)特有的感器，由長(zhǎng)短2種錐形感器組成，長(zhǎng)錐形感器表面光滑，根部至端部漸細(xì)，端部尖銳，著生于波紋狀臼狀窩中，短錐形感器著生于臼狀窩邊緣，數(shù)量多于長(zhǎng)錐形感器(圖2m)。BB于柄節(jié)兩側(cè)成簇分布。

2.2.8 舌形感器(SL)

舌形感器(SL)短粗，端鈍，基部至端部漸細(xì)，單側(cè)彎曲，中間寬扁，表面有凹槽。長(zhǎng)(17.82±0.02)μm，基部寬(2.93±0.42)μm(表1)。僅在雄蛾鞭節(jié)羽狀分支腹面發(fā)現(xiàn)2個(gè)(圖2k、n)。

3 討論

昆蟲的各種復(fù)雜生命活動(dòng)主要依靠嗅覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，觸角上著生大量感器，作為嗅覺系統(tǒng)的主要載體發(fā)揮作用。觸角上感器的種類、數(shù)量和分布等受多種因素影響，如性別、觸角形態(tài)、所處環(huán)境、習(xí)性和食性等[16]。本研究通過(guò)掃描電鏡，在美國(guó)白蛾觸角表面觀察到10種類型感受器，其中SL為雄蛾特有，其余感器為雌雄共有。BB于柄節(jié)兩側(cè)成簇著生，SSQ于梗節(jié)和鞭節(jié)背面著生，余下感器主要分布于鞭節(jié)腹面羽狀分支。除SL外，其他感器與鱗翅目其他種類，如雙委夜蛾、核桃舉肢蛾(Atrijuglanshetaohei)、桃蛀果蛾(Carposinasasakii)、小菜蛾(Plutellaxylostella)等感器類型基本一致[10，16-19]。

ST-Ⅰ.長(zhǎng)毛形感器Ⅰ；ST-Ⅱ.短毛形感器Ⅱ；SCH.刺形感器；SB.錐形感器；SST.栓錐形感器；SCO-Ⅰ.具緣毛腔錐形感器Ⅰ；SCO-Ⅱ.無(wú)緣毛腔錐形感器Ⅱ；SSQ.鱗形感器；BB. B?hm氏鬃毛；SL.舌形感器。

圖2美國(guó)白蛾觸角感器形態(tài)及種類

ST是昆蟲觸角中最普遍存在的感器，通常數(shù)量最多，具有嗅覺和味覺功能，主要感知性信息素等[20]，對(duì)雄蛾尋找雌蛾交配具有重要作用。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在美國(guó)白蛾觸角上，ST數(shù)量最多，分布最廣，且雄蛾數(shù)量明顯多于雌蛾；2種ST的長(zhǎng)度雄蛾均顯著大于雌蛾，其基部寬只有ST-Ⅰ雄蛾顯著大于雌蛾。因此，推測(cè)感受性信息素的神經(jīng)元和受體可能主要位于ST-Ⅰ中。SB主要具有機(jī)械感受和嗅覺感受的功能[16]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與感知信息素的ST相似，但其主要感受寄主和天敵氣味等環(huán)境因子[21]。美國(guó)白蛾SB與ST混合著生于觸角腹面羽狀分支，其長(zhǎng)和基部寬均為雄蛾顯著大于雌蛾，其功能可能是協(xié)助雄蛾尋找雌蛾。

美國(guó)白蛾SCH于各鞭亞節(jié)均有分布，為觸角上最長(zhǎng)的感受器。這可能與SCH主要作為機(jī)械感器，最先接觸棲境，感受機(jī)械刺激有關(guān)[15，20-21]。此外，SCH也可以參與味覺功能，感受碳?xì)浠衔颷22]，Jiang et al.[23]發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)雌蛾觸角SCH可表達(dá)味覺受體(GRs)，識(shí)別D-果糖。SST的著生位置及數(shù)量與SCH相近，除鞭節(jié)端亞節(jié)和基部第1亞節(jié)外，均著生于鞭節(jié)腹面羽狀分支上。有研究認(rèn)為，SST前端的錐狀感器，是觸角內(nèi)容物的延伸，具有感受化學(xué)、溫濕度及機(jī)械的功能[16，23-25]。美國(guó)白蛾雌蛾SST長(zhǎng)和寬均顯著大于雄蛾，推測(cè)其可能具有感受寄主植物揮發(fā)物等棲境條件的功能，協(xié)助雌蛾尋找適宜產(chǎn)卵場(chǎng)所。

SCO根據(jù)形態(tài)可分為具緣毛SCO-Ⅰ和無(wú)緣毛SCO-Ⅱ兩種類型。本研究在美國(guó)白蛾雌雄成蟲觸角腹面均觀察到這2種類型SCO。SCO即有溫濕感受感器的作用，也具有感受植物氣味和二氧化碳的功能[26-28]，也有研究發(fā)現(xiàn)沙漠蝗蟲(Schistocercagregaria)的SCO還具有表達(dá)離子型受體(IRs)的功能[29]。本研究中，雌蛾SCO-Ⅱ長(zhǎng)度大于雄蛾，推測(cè)其可能與識(shí)別植物氣味，協(xié)助雌蛾產(chǎn)卵選擇有關(guān)。

美國(guó)白蛾SSQ分布于觸角背面鱗片下，不易觀察。SSQ在鱗翅目夜蛾科(Noctuidae)和尺蛾科(Geometridae)中均有發(fā)現(xiàn)[4，30-32]，但其功能目前尚未清楚，有推測(cè)認(rèn)為其具有機(jī)械感受的功能[33]，該推測(cè)有待進(jìn)一步電生理和行為實(shí)驗(yàn)研究。

BB在昆蟲中普遍存在，位于美國(guó)白蛾觸角柄節(jié)兩側(cè)，由長(zhǎng)短兩種錐狀感器組成。BB作為機(jī)械感器，有感知重力，改變方向等作用[15]。夾竹桃天蛾(Daphnisnerii)BB有調(diào)節(jié)飛行時(shí)觸角角度和方向的作用，當(dāng)去除該感器時(shí)，觸角會(huì)發(fā)生碰撞[34]。本研究中新發(fā)現(xiàn)的美國(guó)白蛾SL僅存在于雄蛾觸角，其功能是否與感知性信息素或某種特殊物質(zhì)有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

綜上所述，美國(guó)白蛾觸角雄性為雙櫛齒狀，雌性為鋸齒狀。在雌雄觸角上共發(fā)現(xiàn)10種感器類型，其中SL為雄蛾所特有，同類型感器的大小在雌雄蛾之間普遍差異顯著。雄蛾毛形感器明顯多于雌蛾。本研究結(jié)果為后續(xù)研究美國(guó)白蛾觸角感器的功能及相關(guān)分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。