有翅型和無翅型大豆蚜卵巢和胚胎發(fā)育的差異

許向利, 仵均祥

(西北農(nóng)林科技大學(xué), 農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物有害生物綜合治理重點實驗室, 植保資源與害蟲治理教育部重點實驗室, 陜西楊凌 712100)

自然界許多昆蟲存在翅型分化多態(tài)性(Leimar, 2009)，如直翅目的蟋蟀和蝗蟲,半翅目的蚜蟲、葉蟬、飛虱和水黽，以及鞘翅目的一些甲蟲等(朱道弘, 2009)。大量研究證明，長翅型昆蟲翅肌發(fā)育完全，但存在繁殖延遲和繁殖量較低的現(xiàn)象，無翅型或短翅型昆蟲不具飛行能力，但繁殖前期較短、繁殖量較高，研究普遍認(rèn)為昆蟲在飛行和繁殖之間存在權(quán)衡關(guān)系，其中長翅型個體傾向于飛行投資，而無翅型或短翅型個體傾向于繁殖投資(Zera and Harshman, 2001)。

蚜蟲具有有翅型和無翅型的極不連續(xù)性(Ishikawaetal., 2008)，其中無翅蚜表現(xiàn)出發(fā)育速率快、產(chǎn)仔前期短和產(chǎn)仔量高的普遍特征(Braendleetal., 2006)。相比于無翅型而言，黑豆蚜Aphiscraccivora有翅型個體包含較少的卵巢小管以及較少的卵母細(xì)胞和胚胎(Elliott and McDonald, 1976)；麥長管蚜Sitobionavenae有翅型卵巢中包含較少的胚胎并表現(xiàn)出較慢的胚胎發(fā)育速率(Newton and Dixon, 1990)。這些均說明蚜蟲翅肌的發(fā)育可能影響了繁殖潛能和卵巢發(fā)育。

大豆蚜Aphisglycines屬半翅目蚜科，原產(chǎn)于東亞，近年先后侵入美國、加拿大和澳大利亞，成為大豆種植區(qū)的世界性害蟲，研究認(rèn)為大豆蚜的成功入侵與其適應(yīng)長距離飛行和高繁殖力有關(guān)(苗進等, 2005; Zhangetal., 2009)。蚜蟲卵巢小管及其所包含胚胎的數(shù)量和最大胚胎的大小是衡量繁殖潛能和卵巢發(fā)育程度的重要指標(biāo)(Leatheretal., 1988)。本研究通過比較不同發(fā)育階段有翅型和無翅型大豆蚜卵巢發(fā)育程度以及最大胚胎發(fā)育速率，評價不同翅型卵巢發(fā)育程度的差異，結(jié)果可為從生理生化角度研究蚜蟲翅型分化發(fā)生的繁殖適應(yīng)性提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試蟲來源

2018年9月初，在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)科技園(108.08°E, 34.29°N)采集帶大豆蚜的大豆葉片帶回室內(nèi)，采用盆栽大豆苗在人工氣候培養(yǎng)箱中飼養(yǎng)。具體如下：將大豆種于直徑8 cm裝有營養(yǎng)土(陜西楊凌霖科生態(tài)工程有限公司)的一次性塑料杯中，每杯1粒，每天澆水適量。待幼苗展開兩片葉子后，將蚜蟲接于其上，每兩周更換一次豆苗。為防止蚜蟲逃逸，每個塑料杯上罩8 cm×20 cm透明通氣籠罩。人工氣候培養(yǎng)箱設(shè)置為溫度20℃±1℃、相對濕度65%±5%、光周期16L∶8D。繼代飼養(yǎng)3代以上供試。

1.2 不同翅型大豆蚜成蚜的卵巢顯微鏡觀察

將2-4日齡大豆蚜成蚜單頭接于單株大豆苗上產(chǎn)仔12 h后剔除，僅留初產(chǎn)若蚜飼養(yǎng)，收集最后一次蛻皮24 h之內(nèi)未產(chǎn)仔的有翅型和無翅型成蚜。將供觀察的成蚜個體單頭置于載玻片上，滴一滴Ringer氏溶液，在Motic SMZ-168型雙目解剖鏡(中國麥克奧迪實業(yè)集團有限公司)下使用解剖針和精細(xì)鑷子解剖獲得完整卵巢，Ringer氏溶液清洗干凈，取一側(cè)卵巢，滴一滴1%溴甲酚綠，染色30 s，清洗干凈后置帶有成像系統(tǒng)的Leica MZS0870型顯微鏡(萊卡公司)下照相。

1.3 不同翅型大豆蚜的卵巢發(fā)育

將2-4日齡大豆蚜成蚜單頭接于單株大豆苗上產(chǎn)仔12 h后剔除，僅留初產(chǎn)若蚜繼續(xù)飼養(yǎng)，參考李慧等(2018)方法確定大豆蚜若蚜的蟲齡，收集蛻皮24 h之內(nèi)的有翅型和無翅型3齡和4齡若蚜以及成蚜，分別置于載玻片上，滴一滴Ringer氏溶液，雙目解剖鏡下將卵巢全部拉出，清洗干凈，滴一滴1%溴甲酚綠，染色30 s，清洗干凈后觀察并記錄卵巢和卵巢小管數(shù)量、胚胎總數(shù)量和成熟胚胎(具有紅色復(fù)眼)數(shù)量。同時，在帶有目鏡測微尺的雙目解剖鏡下測量各觀察蟲體的后足脛節(jié)長度以及每條卵巢小管中最大胚胎的長(l)和寬(b)。參考Newton和Dixon(1990)方法計算最大胚胎體積(l×b2)。不同翅型不同發(fā)育階段各測定30頭蚜蟲。

1.4 不同翅型大豆蚜最大胚胎的發(fā)育速率

收集初產(chǎn)24 h之內(nèi)的1齡若蚜，單頭接于大豆苗上，每株1頭，每天定時觀察其發(fā)育情況。從3齡初期開始(接蟲后第4天)，每天定時解剖其中有翅型和無翅型大豆蚜各30頭，統(tǒng)計每條卵巢小管中最大胚胎的長和寬，直至發(fā)育成熟(有翅型持續(xù)到接蟲后第10天，無翅型持續(xù)到接蟲后第8天)。最大胚胎體積的計算方法同1.3節(jié)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

同一發(fā)育階段有翅型和無翅型大豆蚜的卵巢小管數(shù)量、胚胎總數(shù)量和成熟胚胎數(shù)量以及最大胚胎體積采用獨立樣本t檢驗分析。有翅型和無翅型大豆蚜不同發(fā)育階段的卵巢發(fā)育采用方差分析(ANOVA)并進行Duncan氏多重比較。胚胎總數(shù)量、成熟胚胎數(shù)量以及最大胚胎體積和后足脛節(jié)長度的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)系數(shù)進行分析。統(tǒng)計軟件為SPSS16.0。

2 結(jié)果

2.1 不同翅型大豆蚜的卵巢形態(tài)

相比于有翅型，無翅型大豆蚜每條卵巢小管包含胚胎較多(圖1)，而且卵巢小管中多數(shù)最大胚胎的復(fù)眼已經(jīng)帶有紅色色素，口器、足和觸角等附肢發(fā)育完全。

圖1 大豆蚜有翅型(A)和無翅型(B)成蚜的卵巢Fig. 1 Ovary of alate (A) and apterous (B) adults of Aphis glycines

2.2 不同翅型大豆蚜卵巢小管數(shù)量、胚胎總數(shù)量和成熟胚胎數(shù)量以及最大胚胎體積

有翅型和無翅型大豆蚜的3齡和4齡若蚜以及成蚜均有2個卵巢/雌，大多數(shù)蚜蟲每個卵巢包含4條卵巢小管，可見一個卵巢包含5條卵巢小管的現(xiàn)象。有翅型和無翅型個體不同發(fā)育階段之間卵巢小管數(shù)量不存在顯著差異(有翅型:F2,87=1.00,P=0.37; 無翅型:F2,87=1.02,P=0.36)；同一發(fā)育階段不同翅型之間亦不存在顯著差異(4齡若蚜:t=-1.00,df=58,P=0.32; 成蚜:t=-0.58,df=58,P=0.56)(圖2: A)。

有翅型和無翅型個體卵巢中胚胎總數(shù)量隨發(fā)育時間增加均顯著增大(有翅型:F2,87=15.93,P<0.001; 無翅型:F2,87=43.24,P<0.001)；有翅型3齡和4齡若蚜以及成蚜的胚胎總數(shù)量分別為24.63±0.51, 26.23±0.51和28.77±0.55頭/雌，顯著小于無翅型的27.53±0.50， 33.10±0.66和37.70±1.05頭/雌(3齡若蚜:t=-4.06,df=58,P<0.001; 4齡若蚜:t=-8.23,df=58,P<0.001; 成蚜:t=-7.53,df=58,P<0.001)(圖2: B)。

不同翅型大豆蚜卵巢中成熟胚胎的數(shù)量隨發(fā)育時間增加均顯著增大(有翅型:F2,87=207.95,P<0.001; 無翅型:F2,87=144.56,P<0.001)；有翅型和無翅型3齡若蚜卵巢中均無具色素復(fù)眼的成熟胚胎；有翅型4齡若蚜未見成熟胚胎，但同一齡期無翅型個體成熟胚胎數(shù)量達到2.30±0.34頭/雌(t=-6.58,df=58,P<0.001)；有翅型成蚜的成熟胚胎數(shù)量為2.80±0.19頭/雌，顯著小于無翅型的5.87±0.24頭/雌(t=-9.85,df=58,P<0.001)(圖2: C)。

不同翅型大豆蚜卵巢小管中最大胚胎體積隨發(fā)育時間增加均顯著增大(有翅型:F2,87=122.56,P<0.001; 無翅型:F2,87=139.27,P<0.001)，有翅型3齡和4齡若蚜以及成蚜最大胚胎體積分別為0.0017±0.0002, 0.0036±0.0003和0.0112±0.0007 mm3，顯著小于無翅型的0.0066±0.0005，0.0160±0.0012和0.0328±0.0014 mm3(3齡若蚜:t=-9.33,df=58,P<0.001; 4齡若蚜:t=-10.19,df=58,P<0.001; 成蚜:t=-13.36,df=58,P<0.001)(圖2: D)。

圖2 有翅型和無翅型大豆蚜卵巢小管數(shù)量(A)、胚胎總數(shù)量(B)、成熟胚胎數(shù)量(C)以及最大胚胎體積(D)Fig. 2 Number of ovarioles (A), total number of embryos (B), number of mature embryos (C), and the volume ofthe largest embryo (D) of alate and apterous morphs of Aphis glycines圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤;柱上雙星號表示同一齡期有翅型和無翅型之間存在顯著差異(P<0.01, 獨立樣本t檢驗)。Data in the figure are means±SE. Double asterisk above bars indicates significant differences between alate and apterous morphs at the same developmental stage (P<0.01, Student’s t-test).

2.3 不同翅型大豆蚜胚胎總數(shù)量、成熟胚胎數(shù)量以及最大胚胎體積與后足脛節(jié)長度的相關(guān)性

Pearson相關(guān)系數(shù)分析表明，有翅型和無翅型大豆蚜不同發(fā)育階段卵巢中胚胎總數(shù)量與后足脛節(jié)長度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(3齡若蚜: 有翅型,n=30,r=0.740,P<0.001; 無翅型,n=30,r=0.411,P=0.024; 4齡若蚜: 有翅型,n=30,r=0.475,P=0.008; 無翅型,r=0.491,P=0.006; 成蚜: 有翅型,r=0.717,P<0.001; 無翅型,n=30,r=0.736,P<0.001)(圖3: A-C)。除不同翅型3齡若蚜和有翅型4齡若蚜卵巢中未見成熟胚胎外，有翅型和無翅型不同發(fā)育階段卵巢中成熟胚胎數(shù)量與后足脛節(jié)長度無顯著相關(guān)性(4齡若蚜: 無翅型,n=30,r=0.142,P=0.455; 成蚜: 有翅型,n=30,r=0.062,P=0.747; 無翅型,n=30,r=0.112,P=0.556)(圖3: D-F)。有翅型和無翅型不同發(fā)育階段大豆蚜卵巢小管中最大胚胎體積與后足脛節(jié)長度之間無顯著相關(guān)性(3齡若蚜: 有翅型,n=30,r=0.071,P=0.708; 無翅型,n=30,r=0.231,P=0.218; 4齡若蚜: 有翅型,n=30,r=0.306,P=0.100; 無翅型,n=30,r=0.151; 成蚜: 有翅型,n=30,r=0.039,P=0.836; 無翅型,n=30,r=0.262,P=0.163)(圖3: G-I)。

圖3 有翅型和無翅型大豆蚜胚胎總數(shù)量、成熟胚胎數(shù)量以及最大胚胎體積與后足脛節(jié)長度的相關(guān)性Fig. 3 Relationships between the total number of embryos, number of mature embryos, and volume ofthe largest embryo and hind tibia length of alate and apterous morphs of Aphis glycinesA, B, C: 分別為3齡和4齡若蚜以及成蚜的胚胎總數(shù)量Total number of embryos of the 3rd and 4th instar nymphs and adult, respectively; D, E, F: 分別為3齡和4齡若蚜以及成蚜的成熟胚胎數(shù)量Number of mature embryos of the 3rd and 4th instar nymphs and adult, respectively; G, H, I: 分別為3齡和4齡若蚜以及成蚜的最大胚胎體積Volume of the largest embryo of the 3rd and 4th instar nymphs and adult, respectively.

2.4 不同翅型大豆蚜卵巢小管中最大胚胎的發(fā)育速率

不同翅型大豆蚜卵巢小管中最大胚胎體積隨發(fā)育時間增加均顯著增大(有翅型:F6,203=101.30,P<0.001; 無翅型:F4,145=119.37,P<0.001)，有翅型和無翅型的最大胚胎體積隨發(fā)育均呈指數(shù)增長趨勢，但有翅型個體最大胚胎體積顯著小于無翅型個體(t=-11.69,df=358,P<0.001)(圖4)，說明有翅蚜存在明顯的卵巢發(fā)育延遲現(xiàn)象。

圖4 有翅型和無翅型大豆蚜最大胚胎體積Fig. 4 Volume of the largest embryo of alateand apterous morphs of Aphis glycines圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；圖柱上不同字母表示不同發(fā)育時間的最大胚胎體積經(jīng)過Duncan氏多重比較差異顯著(P<0.05)。有翅型和無翅型之間的差異顯著性是將同一翅型不同發(fā)育時間數(shù)據(jù)放在一起進行分析(獨立樣本t檢驗)。Data in the figure are means±SE. Different letters above bars indicate significant differences in the volume of the largest embryo at different developmental periods by Duncan’s multiple range test (P<0.05). Significance of differences between alate and apterous morphs was analyzed on samples pooled across different developmental periods of the same wing morph (Student’s t-test).

3 討論

不同翅型蚜蟲卵巢發(fā)育程度存在差異(Leatheretal., 1988)。本研究中有翅型和無翅型大豆蚜的3齡和4齡若蚜以及成蚜均包含2個卵巢/雌，不同翅型絕大多數(shù)個體每個卵巢包含4條卵巢小管，可見一個卵巢包含5條卵巢小管的現(xiàn)象，卵巢小管數(shù)量在發(fā)育階段和翅型間均不存在顯著差異，但有翅型大豆蚜卵巢中胚胎總數(shù)量和成熟胚胎數(shù)量以及卵巢小管中最大胚胎體積均顯著小于同一發(fā)育階段的無翅型個體(圖2)，該結(jié)果與有翅型黑豆蚜胚胎和卵母細(xì)胞數(shù)量小于無翅型個體(Elliott and McDonald, 1976)以及有翅型麥長管蚜最大胚胎體積小于無翅型個體的結(jié)果(Newton and Dixon, 1990)相一致，說明有翅蚜的卵巢發(fā)育程度可能顯著低于同一發(fā)育階段無翅型個體，佐證了有翅蚜產(chǎn)仔延遲和總產(chǎn)仔量較低的事實(Dixon, 1972; Wratten 1977; Xuetal., 2011)。

大豆蚜后足脛節(jié)長度在不同蟲齡之間無重疊，是區(qū)分齡期的重要形態(tài)指標(biāo)(李慧等, 2018)。本研究中有翅型和無翅型大豆蚜3齡和4齡若蚜以及成蚜卵巢中胚胎總數(shù)量與后足脛節(jié)長度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖3: A-C)，而成熟胚胎數(shù)量和卵巢小管中最大胚胎體積與后足脛節(jié)長度均無顯著相關(guān)性(圖3: D-I)。大豆蚜有翅型和無翅型卵巢小管中最大胚胎體積隨發(fā)育時間呈指數(shù)增長趨勢，但是有翅型發(fā)育顯著較慢于無翅型個體(圖4)，該結(jié)果與Newton和Dixon(1990)麥長管蚜的結(jié)果相一致。相比于無翅蚜而言，有翅蚜的胚胎發(fā)育延遲可能與其將較多能量投資于飛行器官的發(fā)育有關(guān)(Zera and Harshman, 2001)。

具有飛行能力是昆蟲生態(tài)和進化成功的重要適應(yīng)性，在帶來諸如覓食、求偶和擴散等便利之時，同時存在與飛行器官發(fā)育相關(guān)的繁殖代價(Walters and Dixon, 1983; Roff, 1994; 朱道弘, 2009; Zhangetal., 2019)。有翅型大豆蚜存在翅的構(gòu)建，卵巢中胚胎和成熟胚胎數(shù)量較少，卵巢中最大胚胎發(fā)育較慢；無翅型不具有飛行能力，卵巢中胚胎和成熟胚胎數(shù)量較多，卵巢中最大胚胎發(fā)育較快，在羽化后卵巢中已經(jīng)包含較多的附肢完全發(fā)育的成熟胚胎，說明不同翅型蚜蟲卵巢發(fā)育程度差異可能與其翅的發(fā)育程度相關(guān)，支持了昆蟲飛行和繁殖之間的權(quán)衡關(guān)系。