長足大竹象呼吸系統(tǒng)的超微結(jié)構(gòu)研究

鄧福相，郭慶，龍文聰，楊海波，楊瑤君*

1. 雷波縣林業(yè)和草原局，四川 涼山 616550；

2. 樂山師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，竹類病蟲防控與資源開發(fā)四川省重點實驗室，四川 樂山 614000

長足大竹象（Cyrtotrachelus buquetiGuer）屬鞘翅目象甲科彎頸象屬，又名竹橫錐大象，毀滅性危害慈竹、水竹、綠竹等，在國內(nèi)廣泛分布于廣東、廣西、貴州、重慶、四川等地，一年發(fā)生一代，老熟幼蟲8、9月入土，在地下經(jīng)歷老熟幼蟲-蛹-成蟲3 個發(fā)育階段于次年6、7月成蟲出土，寡食叢生竹筍，在筍梢部取食、交配、產(chǎn)卵[1-2]。其幼蟲生長在隱蔽的筍尖，蛹生活在地表以下，成蟲全身堅硬，前期生活在地表以下，出土后生活在林間，既能飛行，又能爬行，其生存能力極強。在長足大竹象的研究方面，主要集中在其生物學(xué)特性、害蟲防治、行為學(xué)如交配、產(chǎn)卵行為等方面[2-6]。形態(tài)學(xué)上，梁爽[7]、汪淑芳等[8]解剖研究了長足大竹象雌雄蟲生殖系統(tǒng)的構(gòu)造，楊瑤君等[9]應(yīng)用電鏡掃描分析了該蟲成蟲觸角的超微結(jié)構(gòu)，梁梓等[10]利用掃描電鏡觀察了長足大竹象成蟲前胸背板和鞘翅的超微結(jié)構(gòu)，劉陽[11]等研究了長足大竹象幼蟲、成蟲消化道的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征。呼吸代謝是昆蟲維持生命和繁衍種群的基礎(chǔ)[12-13]，有關(guān)長足大竹象呼吸系統(tǒng)形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究尚未見報道。

本文應(yīng)用解剖和掃描電鏡技術(shù)，主要研究以下2 個問題：1）觀察長足大竹象幼蟲、蛹、成蟲呼吸系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，分析不同發(fā)育階段呼吸系統(tǒng)的差異；2）研究幼蟲、蛹、成蟲呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，探索該結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)生命活動與生活習(xí)性。以期為研究長足大竹象的生物學(xué)特性及系統(tǒng)分類提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試蟲為長足大竹象成蟲、幼蟲活體，采自四川省樂山市沐川縣大楠鎮(zhèn)。選擇健壯活性強的幼蟲、雌雄成蟲，參照楊瑤君等[9]方法，在溫度25 ℃、相對濕度75%、光周期12L∶12D 下用新鮮慈竹筍室內(nèi)飼養(yǎng)，每2 d 更換1 次竹筍，待實驗備用；幼蟲一部分用于活體解剖，一部分讓其自由鉆孔入土化蛹備用。

1.2 儀器和試劑

1.2.1 儀器

Gressington108 離子濺射儀（英國Gressington 公司生產(chǎn)）、Inspect F50 掃描電鏡（美國FEI 公司生產(chǎn)）、Leica EZ4 HD 體視鏡（德國徠卡公司生產(chǎn)）等。

1.2.2 試劑

2.5%的戊二醛溶液、0.2M pH7.2 的磷酸緩沖液，無水乙醇、乙酸異戊酯等試劑均為分析純，購自成都市科龍化工試劑廠。

1.3 成蟲及幼蟲呼吸系統(tǒng)的解剖觀察

將長足大竹象成、幼蟲用75%酒精處死，剪去成蟲的觸角、足、翅膀等部分，從土壤從挖出蛹室，取出蛹，分別將成蟲、幼蟲、蛹置于體視解剖鏡下找到其體表氣門，將氣門剪下，剝?nèi)ザ嘤嘟M織，于體視鏡下觀察其形態(tài)特征并拍照；觀察氣管系統(tǒng)時，將成蟲、蛹沿背部中線剪開、幼蟲延背部或腹部中線剪開，用昆蟲針固定在蠟盤中，剝?nèi)ザ嘤嘟M織，用0.2M 的磷酸緩沖液（pH 值7.2）沖洗數(shù)次后置于體視鏡下觀察其氣管系統(tǒng)并拍照。

1.4 掃描電鏡觀察

分別取氣管、氣門迅速放入2.5%戊二醛溶液中，固定過夜后，倒掉固定液，用0.2M 的磷酸緩沖液（pH 值7.2）漂洗樣品3 次，每次15 min；然后用不同濃度梯度的乙醇（30%—50%—70%—90%—100%）對樣品進行逐級脫水處理，每種濃度處理15 min；脫水后的樣品用乙酸異戊酯置換1～2 h 后于自然條件下干燥[14]；將干燥好的樣品觀察面向上粘臺，用Cressington108 離子濺射儀真空噴金后，置于Inspect F50 掃描電鏡下觀察并拍照。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣門結(jié)構(gòu)

在體視解剖鏡下觀察到長足大竹象的氣門結(jié)構(gòu)如圖1、2、3。可知長足大竹象成蟲共有9 對氣門，分別位于前胸與中胸的節(jié)間膜上、中胸與后胸的節(jié)間膜上、腹部1～6 節(jié)兩側(cè)的側(cè)膜上以及腹部末節(jié)的背板前端兩側(cè)各一對，結(jié)構(gòu)分布圖示如圖1。每對氣門均為有效氣門，屬多氣門型。根據(jù)控制氣門開閉的部位，長足大竹象成蟲的前胸、腹部氣門屬于內(nèi)閉式氣門，外觀呈不規(guī)則橢圓形（見圖2A，C，D）；而中胸氣門與其余氣門差異較大，外觀呈閉合弓形（見圖2B），屬外閉式氣門。各部位的氣門大小不一，分別測量各氣門的長短軸，結(jié)果見表1。中胸氣門最大，氣門直徑3 041.82±84.64 μm，其次是前胸氣門，長軸直徑2 200.74±257.65 μm，短軸直徑821.81±65.55 μm，明顯較腹部氣門大，腹部1～7 節(jié)氣門大小呈遞減趨勢。

圖1 成蟲氣門示意圖Fig.1 Diagram of adult’s spiracles

前胸氣門具有圍氣門片，表面光滑，無疏水性毛狀物（見圖2A、圖3A）；氣門腔口呈橢圓形，內(nèi)壁略向外突起。胸部2 對氣門及第7 腹節(jié)氣門周圍均無疏水性毛狀物（見圖2A、B、D）。腹部1～6 節(jié)氣門，分布于每一體節(jié)兩側(cè)的側(cè)膜上，氣門周圍均有疏水性毛狀物（見圖2B、圖3B），形態(tài)上無明顯差異。

氣門腔內(nèi)壁表皮質(zhì)突形成棘狀的過濾機構(gòu)，又稱篩板[15]，外觀呈二唇形（見圖3）。長足大竹象成蟲氣門的篩板呈3 種形態(tài)：一種呈刺狀覆蓋在內(nèi)壁表面，末端分支較少且長（見圖4a）；一種呈鱗片狀覆蓋，末端分支多且短，呈梳狀，層次分明（見圖4b）；另一種呈嵴狀排列，突起頂端有鋸齒狀的缺刻（見圖4c）。前兩種位于氣門腔口的唇形活瓣上，后者位于氣門腔內(nèi)。這些篩板具有防止水分、灰塵和微生物等外物侵入的功能。長足大竹象不同部位氣門的篩板數(shù)量有差異，胸部氣門內(nèi)的篩板數(shù)量多于腹部氣門，與氣門大小的排序相對應(yīng)，呈遞減趨勢。

圖2 成蟲前胸（A）、中胸（B）、腹部1-6 節(jié)（C）、第7 腹節(jié)（D）氣門的解剖形態(tài)Fig.2 Anatomy form of prothorax (A)，mesothorax (B)，1-6th abdominal segment(C)，7th abdominal segment (D) spiracles of adult

圖3 成蟲前胸（A）、腹部1-6 節(jié)（B）、第7 腹節(jié)（C）氣門的電鏡掃描圖Fig.3 SEM of prothorax (A)，1-6th abdominal segment (B)，7th abdominal segment (C) spiracles of adult

表1 成蟲不同部位氣門大小Tab.1 Size of spiracles on different parts of adult

長足大竹象幼蟲體表無明顯的氣門結(jié)構(gòu)，掃描電鏡下觀察到氣管口（見圖5A）。幼蟲體表著生大量芽狀的棘刺，密度約為16 842 個/mm2（見圖5C），而氣管口附近有直徑約為200-500 μm 光滑無棘刺的圓形區(qū)域（見圖5A、B），中心處基部著生有一根毛狀物，長度約為30～800 μm，有的氣管口周圍表皮有小的刺狀齒突（見如圖5A-a）。氣管口結(jié)構(gòu)的數(shù)量較多，大小不一，在體表其余部位多為單生（見圖5A-b），分布無規(guī)律，僅在蟲體兩側(cè)及尾部成對分布（見圖5A-c、A-d）。幼蟲尾部體表結(jié)構(gòu)呈小盾片，端部突起為尖銳的針芒狀，與體節(jié)棘刺有明顯差異，排列更緊密，密度約為17 466 個/mm2（見圖5D）。

圖4 成蟲氣門腔內(nèi)壁刺狀（a）、鱗片狀（b）、嵴狀（c）過濾機構(gòu)的電鏡掃描圖Fig.4 SEM of spiny (a)，scaly (b)，lirellate (c) filtrate mechanism on spiracular atrium wall of adult

圖5 幼蟲體表（A-a，A-b，B）、體側(cè)（A-c）、尾部（A-d）氣管口和體節(jié)棘刺（C）、尾部棘刺（D）的電鏡掃描圖Fig.5 SEM of body surface (A-a，A-b，B)，body sides (A-c)，rump (A-d) tracheal orifice，and calthrops on body surface(C)，rump surface of larva

2.2 氣管系統(tǒng)

氣管是由蟲體壁內(nèi)陷形成的管道系統(tǒng)，向內(nèi)分出許多分支。長足大竹象的氣管為淡黃色或白色透明，主氣管分布于體內(nèi)兩側(cè)，連接各氣門氣管；氣管的最前端與口器相連，二級氣管分出三級氣管及微氣管伸入各組織器官。主氣管下分為3 條主要支氣管：伸向背面的背氣管，分支分布至背??；伸向腹面的腹氣管，分支至腹肌及腹神經(jīng)索；伸向中部的分支分布至消化道、脂肪體、生殖系統(tǒng)等的內(nèi)臟氣管?？偟膩碚f，成蟲主氣管較粗，支氣管較細(xì)而短，氣囊豐富，胸部、尾部氣門氣管間形成腹氣管連鎖；幼蟲氣管發(fā)達，主氣管較細(xì)，支氣管數(shù)量多且較成蟲粗而密集，無氣囊。

2.2.1 幼蟲的氣管系統(tǒng)

幼蟲氣管對稱分布于蟲體內(nèi)兩側(cè)，整體呈白色透明，有兩條明顯的側(cè)縱干（見圖6A），直徑約為815 μm，側(cè)縱干與體壁有10 個緊密連結(jié)的結(jié)點，無氣門氣管，結(jié)點處呈淡黃色，分支出3 條氣管分支（見圖6B），分別為背氣管、腹氣管、內(nèi)臟氣管，未發(fā)現(xiàn)橫向的氣管連鎖。二級氣管長度為8 800～14 200 μm，直徑為475～645 μm，不斷分支形成微氣管伸向背部及腹部的組織處。幼蟲主氣管較細(xì)，但氣管分支發(fā)達，分支明顯較粗且密集，且無氣囊結(jié)構(gòu)。

圖6 幼蟲氣管分布（A）及氣管分支（B）Fig.6 Tracheation (A) and trachea branches (B) of larva

2.2.2 蛹的氣管系統(tǒng)

蛹的氣管系統(tǒng)兼具幼蟲和成蟲的一些特點。兩條側(cè)縱干對稱分布于蟲體兩側(cè)，直徑約為1 025 μm，每條側(cè)縱干與體壁共10 個結(jié)點，氣門氣管不明顯；結(jié)點處有許多較細(xì)的氣管分支，尚未完全分化形成氣囊或背腹氣管，微氣管發(fā)達；前胸、中胸及尾部結(jié)點處各發(fā)出1 條支氣管與另一側(cè)縱干相連通，構(gòu)成橫向的氣管連鎖（見圖7A）。蛹的氣管較幼蟲少，主氣管較粗，分布與排列與成蟲氣管系統(tǒng)相似，但分支氣管均很細(xì)，且無氣囊結(jié)構(gòu)。蛹?xì)夤芟到y(tǒng)充分顯示出蛹期的組織解離和重組的過程。

圖7 蛹?xì)夤芊植迹ˋ）及尾部氣管分支（B）Fig.7 Tracheation (A) and rump trachea branches (B) of pupa

2.2.3 成蟲的氣管系統(tǒng)

成蟲氣管最前端與口器相連，體壁的氣門延伸出一小段氣門氣管與主氣管連通（見圖8A、B），成蟲體內(nèi)每一氣門都具有獨立的氣門氣管；主氣管較粗，直徑約為1 175～1 495 μm。成蟲主氣管及各氣管分支上著生豐富的白色囊狀結(jié)構(gòu)，即氣囊（如圖8B、C），該結(jié)構(gòu)大小不一，直徑為305～940 μm；氣囊是氣管局部膨大形成的，在充盈狀態(tài)下呈梭形結(jié)構(gòu)，它的主要作用是容納較多的空氣在體腔，以減輕身體的重量，增加飛行時浮力，并協(xié)助氣管交換氣體。氣囊結(jié)構(gòu)與成蟲飛行、捕食、繁殖等生活習(xí)性相適應(yīng)。

2.2.4 氣管內(nèi)壁

氣管內(nèi)壁以內(nèi)褶或局部加厚的方式形成螺旋盤繞狀的內(nèi)脊，稱為螺旋絲（見圖9）。成蟲螺旋絲直徑約3.46 μm，幼蟲約4.12 μm。掃描電鏡下可見氣管內(nèi)壁有皮質(zhì)突起形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，幼蟲氣管內(nèi)膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上零星地散布著很多直徑0.1～0.25 μm 的圓形顆粒。

圖8 成蟲氣管（A）、氣管分支（B）及氣囊（C）Fig.8 Tracheal (A)，branches (B) and air sacs (C) of adult

圖9 成蟲（A）、幼蟲（B）氣管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的電鏡掃描Fig.9 SEM of trachea inner wall of adult (A)，larva (B)

3 結(jié)論與討論

本文研究了長足大竹象不同發(fā)育時期呼吸系統(tǒng)的形態(tài)及結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)長足大竹象幼蟲、蛹及成蟲具有發(fā)達、完整、嚴(yán)密的四級氣管系統(tǒng)，并且氣管內(nèi)壁富有彈力并有抵抗壓力能力的螺旋絲形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成蟲具有氣囊和明顯的氣門結(jié)構(gòu)；幼蟲和蛹無氣囊和氣門，但在幼蟲體表發(fā)現(xiàn)疑似氣管口的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與從幼蟲體內(nèi)觀察到的氣管與體壁結(jié)點的位置對應(yīng)；成蟲體表共9 對氣門，胸部2 對，腹部7 對，成蟲氣門從胸部到腹部顯著變小。

長足大竹象呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能緊密相關(guān)。成蟲胸部兩對氣門最大，此兩對氣門間既有爬行用的兩對足，又有飛行的兩對翅，耗氧能最大，此兩對大氣門可滿足兩對足、兩對翅對氧氣的需要[13]；成蟲主氣管及各氣管分支上著生豐富的氣囊，此結(jié)構(gòu)與成蟲的飛行功能相適應(yīng)[16]；氣管內(nèi)壁以內(nèi)褶或局部加厚的方式形成有彈力并有抵抗壓力的能力的螺旋絲與氣管的伸縮功能相適應(yīng)；成蟲氣門越大，氣門腔內(nèi)具有防止雜質(zhì)、細(xì)菌和雨水等功能的篩板數(shù)量越多，此結(jié)構(gòu)與嚴(yán)密的保護功能相適應(yīng)。

長足大竹象3 個時期蟲態(tài)的呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差異是與其生活環(huán)境相適應(yīng)。成蟲氣管系統(tǒng)更發(fā)達，氣管分支多，且氣囊豐富；幼蟲氣管分支多，微氣管發(fā)達，但主氣管較細(xì)；蛹?xì)夤懿话l(fā)達，分支相對較少且細(xì)，但主氣管較幼蟲粗。氣管發(fā)達程度與供氧功能密切相關(guān)。成蟲生活空間開放，加之飛翔、覓食、繁殖等活動需要消耗大量的氧氣，故氣門發(fā)達，氣管分支較多，氣囊豐富[17]。相反，幼蟲生活在竹筍內(nèi)部，取食竹筍，生長發(fā)育迅速，但活動量少，其氣管系統(tǒng)發(fā)達，氣管分支較粗且數(shù)量多，無氣囊結(jié)構(gòu)；而蛹生活在土壤中，生活空間密閉，處于休眠狀態(tài)，需消耗氧氣相對較少，氣管系統(tǒng)處于解離重組的過程[18]，分支多但細(xì)。

本文通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，幼蟲與成蟲氣管內(nèi)壁亦存在差異，兩者氣管內(nèi)壁均有皮質(zhì)突起形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而幼蟲氣管內(nèi)膜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上零星地散布著很多直徑0.1～0.25 μm 的圓形顆粒。王蔭長等[19]對小地老虎（Adgrotis ypsilonRottember）氣管內(nèi)膜進行研究時也曾發(fā)現(xiàn)過類似顆粒物，Webster等[20]在研究美洲蟑螂（Periplaneta americana）的氣管結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)了位于氣管螺旋絲內(nèi)表面的一種小乳頭狀突起，與本文發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相似，但均未對該結(jié)構(gòu)的功能作詳細(xì)論述，尚待進一步研究。本研究發(fā)現(xiàn)長足大竹象成蟲體表共9 對氣門，其中胸部2 對，腹部7 對，張福仁[21]、張春玲[22]、張克斌等[15]、Ritcher[23-24]對其他鞘翅目成蟲氣門的研究表明其氣門數(shù)量多為9 對，其中胸部1 對，腹部8 對，本文研究結(jié)果與張春玲、張克斌等的研究有所不同，氣門數(shù)量相同，但分布不同，且本研究還發(fā)現(xiàn)，長足大竹象僅中胸1 對氣門為外閉式，其余氣門均為內(nèi)閉式氣門。

本研究對深入研究長足大竹象等象甲昆蟲的呼吸行為以及呼吸結(jié)構(gòu)與生長發(fā)育和生活習(xí)性的關(guān)系具有重要意義，同時豐富了長足大竹象形態(tài)學(xué)和系統(tǒng)分類學(xué)的內(nèi)容，為象甲科昆蟲系統(tǒng)分類提供理論依據(jù)。