金環(huán)胡蜂Vespa mandarinia(Smith)兩亞種(膜翅目：胡蜂科)觸角感受器的掃描電鏡觀察

李虹雨, 丁韋程, 和秋菊, 楊 晨, 馬方舟, 施 雯, 易傳輝

(1.云南省森林災(zāi)害與控制重點實驗室/西南林業(yè)大學(xué)生物多樣性保護(hù)學(xué)院，云南 昆明 650224; 2.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 北京 100083;3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；4.西南林業(yè)大學(xué)云南生物多樣性研究院,云南 昆明 650224)

金環(huán)胡蜂[Vespamandarinia(Smith)]屬胡蜂屬昆蟲，是胡蜂屬中體型最大的類群，主要分布于我國的云南、四川、廣東、廣西等地區(qū)，及南亞和東南亞等地.隨著近年來氣候變化和人為因素的影響，金環(huán)胡蜂的種群數(shù)量激增，對傳粉昆蟲尤其是蜜蜂造成了嚴(yán)重威脅；同時，金環(huán)胡蜂取食葡萄等水果，導(dǎo)致水果品質(zhì)下降，給果農(nóng)造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失.但金環(huán)胡蜂也是重要的資源昆蟲，具有一定的藥用和食用價值，如其幼蟲、成蟲、蜂毒和蜂巢均可入藥[1]，且其幼蟲和蛹被譽(yù)為是富含高級蛋白質(zhì)的美食.我國記錄的金環(huán)胡蜂有4個亞種，即大胡蜂亞種[V.mandariniamagnifica(Smith)]、顯胡蜂亞種(V.mandarinianobilisSonan)、指名亞種[V.mandariniamandarinia(Smith)]和貝羅納亞種[V.mandariniabelona(Smith)][2].

金環(huán)胡蜂的觸角在其社會性分工中起著重要作用.觸角感受器是昆蟲感覺系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能是感知周圍環(huán)境[3]，對各種內(nèi)部刺激產(chǎn)生反應(yīng)，并和其他神經(jīng)系統(tǒng)共同調(diào)節(jié)和控制昆蟲行為，也是昆蟲種內(nèi)和種間化學(xué)通訊的重要接收裝置[4].Shield et al[5]研究表明，煙草天蛾(Manducasexta)具有2種類型的腔錐形感受器,其中一種含有5個雙極感受細(xì)胞, 其結(jié)構(gòu)符合嗅覺熱敏感器的特征，另一種含有3個雙極感受細(xì)胞, 能夠感受溫濕度.目前尚未見有關(guān)金環(huán)胡蜂感受器的研究.本研究利用掃描電鏡對金環(huán)胡蜂指名亞種和貝羅納亞種的蜂王、職蜂和雄蜂的觸角超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，對比兩個亞種觸角感受器的異同，為進(jìn)一步揭示觸角結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系及社會性種群形成的機(jī)理提供參考.

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx

試驗昆蟲金環(huán)胡蜂指名亞種和貝羅納亞種采集于云南德宏州隴川縣(97.79°E,24.19°N)和四川攀枝花市鹽邊縣(101.85°E,26.68°N).將采集的金環(huán)胡蜂放入飼養(yǎng)箱中，在常溫下飼養(yǎng)，用蘋果和蜂蜜水喂養(yǎng)待用.

1.2 樣品制備和電鏡掃描觀察

選擇健康金環(huán)胡蜂指名亞種和貝羅納亞種蜂王、職蜂和雄蜂各10頭，將胡蜂觸角從觸角窩基部切下，依次用濃度為75%、85%、95%、100%的乙醇溶液各脫水10 min，再放入70%的乙醇溶液中用超聲波儀清洗15 s，室溫下干燥2 h.將干燥后的觸角置于離子濺射儀(108AUTO,美國)內(nèi)進(jìn)行噴金處理，30 mA電流、0.8 kV電壓下處理350 s.用日立TM3000電子掃描電鏡(Hitach日立高新技術(shù)公司，日本)觀察觸角一般形態(tài)，用場發(fā)射電子掃描電鏡Nova NanoSEM450(FEI，美國)觀察觸角感受器超微結(jié)構(gòu).

1.3 圖像處理和數(shù)據(jù)分析

利用Photoshop CC2018軟件處理電鏡掃描圖片并標(biāo)識感受器，利用ImageJ 1.48U軟件測量觸角各節(jié)的長度、感受器的長度和基部直徑；應(yīng)用Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，再用SPSS 23軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 兩個亞種觸角的一般形態(tài)結(jié)構(gòu)

金環(huán)胡蜂指名亞種和貝羅納亞種的蜂王、職蜂和雄蜂觸角形態(tài)結(jié)構(gòu)相近，均呈膝狀，著生于觸角窩支角突上，鞭節(jié)是觸角各節(jié)中最長的一節(jié)，梗節(jié)極短，部分陷于柄節(jié)中，柄節(jié)與梗節(jié)之間呈膝狀彎曲；鞭節(jié)向端部逐漸變短，雌蜂鞭節(jié)共10小節(jié)，雄蜂鞭節(jié)共11小節(jié)，鞭節(jié)最末一節(jié)較長(圖1).兩亞種雄蜂觸角鞭節(jié)每一小節(jié)均有兩個角質(zhì)層突起，也稱感覺突，突起面上感受器極少；觸角從柄節(jié)到鞭節(jié)逐漸變細(xì)，每一節(jié)均著生感受器，從柄節(jié)到鞭節(jié)感受器數(shù)量逐漸增多.同一亞種蜂王、職蜂和雄蜂的觸角長度關(guān)系為雄蜂>蜂王>職蜂，其中，雄蜂的觸角鞭節(jié)比蜂王和職蜂多一小節(jié).兩亞種蜂王、雄蜂、職蜂的觸角長度關(guān)系為貝羅納亞種>指名亞種(表1).

2.2 觸角感受器類型

金環(huán)胡蜂指名亞種和貝羅納亞種觸角感受器類型基本一致，均有5種，分別為毛形感受器(trichoid sensilla, TS)、錐形感受器(basiconic sensilla, BS)、板形感受器(placodea sensilla, PS)、刺形感受器(chaetica sensilla, CS)和腔錐形感受器(coeloconic sensilla, CoS)，不同類型感受器長度及基部直徑見表2.除腔錐形感受器外，其余4種感受器均具有兩種亞型；雌蜂和雄蜂個體間感受器的類型相同，分布范圍也基本相似.

2.2.1 毛形感受器 毛形感受器數(shù)量最多，在觸角各節(jié)上均有分布.毛形感受器Ⅰ型(TSⅠ)：毛較長，表面光滑，上面有螺旋狀條紋，基部有基窩，整體較粗，從基部到端部逐漸變細(xì)，端部較尖且彎曲，與觸角軸呈銳角，有時整體呈弧線彎曲；數(shù)量眾多，分布廣泛，遍布整個觸角，在鞭節(jié)末端幾節(jié)上的數(shù)量最多(圖2F、3F).毛形感受器Ⅱ型(TSⅡ)：其與Ⅰ型的形態(tài)差異較大，基部無基窩，直接從表皮伸出，表面光滑且有豎直條紋，整體細(xì)長呈弓形彎曲，尖端較細(xì)，從基部到端部漸細(xì)但變化不明顯；數(shù)量較少，常集中在鞭節(jié)最后一小節(jié)末端(圖2F、3F).

A.指名亞種蜂王，體長4.2 cm；B.指名亞種蜂王模式圖;C.貝羅納亞種蜂王，體長4.5 cm；D.貝羅納亞種蜂王模式圖;E.蜂王觸角形態(tài)模式圖.圖1 金環(huán)胡蜂兩亞種蜂王形態(tài)及其觸角模式圖Fig.1 Morphology and antenne pattern for queens of 2 subspecies of V.mandarinia

表1 金環(huán)胡蜂兩亞種觸角各節(jié)長度1)Table 1 Antennae segment length of 2 subspecies of V.mandariniaμm

表2 金環(huán)胡蜂兩亞種觸角感受器長度和基部直徑1)Table 2 Antennal sensilla length and basal diameter of 2 subspecies of V.mandarinia

A.板形感受器Ⅰ型(PSⅠ),板形感受器Ⅱ型(PSⅡ);B.板形感受器Ⅰ型(PSⅠ);C.板形感受器Ⅱ型(PSⅡ);D.刺形感受器Ⅰ型(CSⅠ); E.刺形感受器Ⅱ型(CSⅡ);F.毛形感受器Ⅰ型(TSⅠ),毛形感受器Ⅱ型(TSⅡ);G.錐形感受器Ⅰ型(BSⅠ); H.錐形感受器Ⅱ型(BSⅡ);I.腔錐形感受器(CoS).圖2 金環(huán)胡蜂指名亞種觸角感受器顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 Microscopy of antennae sensilla of V.mandarinia magnifica

2.2.2 錐形感受器 錐形感受器的兩種亞型區(qū)別很大，形態(tài)結(jié)構(gòu)完全不同.錐形感受器Ⅰ型(BSⅠ)：整體呈乳突狀或小釘狀，基部膨大，向端部逐漸變細(xì)，表面光滑且無紋路，頂端有大量微小孔，直立于觸角表面，與觸角軸幾乎呈直角；數(shù)量較多，集中分布在鞭節(jié)各小節(jié)連接處兩側(cè)(圖2G、3C).錐形感受器Ⅱ型(BSⅡ)：表面有明顯紋路，基部突出，有明顯基窩，頂端基本圓鈍，有些截平或向內(nèi)微凹，頂端表面有大量微小孔；形態(tài)易區(qū)分，其如釘錐狀著生于觸角上，主要分布于鞭節(jié)背面第2至第11小節(jié)和鞭節(jié)腹面末端3小節(jié)，集中于每一小節(jié)中部，鞭節(jié)最后一小節(jié)分布最多(圖2H、3B).

2.2.3 板形感受器 此類感受器數(shù)量僅次于毛形感受器，廣泛分布于觸角鞭節(jié)各小節(jié)上，觸角背面分布數(shù)量較腹面多，鞭節(jié)末端數(shù)量最多.板形感受器Ⅰ型(PSⅠ)：整體呈細(xì)長橢圓形的盤狀結(jié)構(gòu)，著生在形狀相同的穴窩內(nèi)，不突起，覆于觸角表面；感受器表面有很多微小孔，呈單排整齊排列(圖2A-B、3F).板形感受器Ⅱ型(PSⅡ)：較Ⅰ型粗短，呈橢圓形，感受器表面的小孔比Ⅰ型更密集，呈雙排緊密排列(圖2A、2C、3F).

2.2.4 刺形感受器 刺形感受器數(shù)量也較多，但少于毛形感受器和板形感受器.刺形感受器Ⅰ型(CSⅠ)：短刺形，與觸角軸呈90°，基部有基窩，從基部到端部逐漸變細(xì)，頂端較細(xì)并向內(nèi)凹形成一個小孔洞，感受器表面較光滑，有細(xì)長紋路，紋路由整齊排列的小孔組成；主要分布在鞭節(jié)各小節(jié)前端和末端，鞭節(jié)最末端數(shù)量最多(圖2D、3D).刺形感受器Ⅱ型(CSⅡ)：長刺形，較Ⅰ型長，明顯比其他感受器高，直立于觸角表面，表面有許多微小孔組成的細(xì)長紋路，基部有基窩，端部更加細(xì)長，頂端不向內(nèi)凹；主要分布在鞭節(jié)上，鞭節(jié)最末端數(shù)量最多(圖2E、3E、3G).

2.2.5 腔錐形感受器 此類感受器主要分布在觸角鞭節(jié)各小節(jié)腹面背側(cè)和觸角背面末端幾節(jié)，數(shù)量較少；著生在觸角表面基部凹窩內(nèi)，有時僅露出少量錐狀端部，基窩表面光滑 (圖2I、3D).

A.雄蜂觸角上的角質(zhì)層突起；B.錐形感受器Ⅱ型(BSⅡ);C.錐形感受器Ⅰ型(BSⅠ);D.腔錐形感受器(CoS)，刺形感受器 Ⅰ型(CSⅠ);E.刺形感受器Ⅱ型(CSⅡ);F.板形感受器Ⅰ型(PSⅠ)，板形感受器Ⅱ型(PSⅡ)， 毛形感受器Ⅰ型(TSⅠ)，毛形感受器Ⅱ型(TSⅡ);G.刺形感受器Ⅱ型(CSⅡ).圖3 金環(huán)胡蜂貝羅納亞種觸角感受器顯微結(jié)構(gòu)Fig.3 Microscopy of antennae sensilla of V.mandarinia bellona

3 討論

3.1 觸角結(jié)構(gòu)和感受器類型

金環(huán)胡蜂指名亞種和貝羅納亞種觸角形態(tài)結(jié)構(gòu)相近;雌蜂鞭節(jié)共10小節(jié),雄蜂鞭節(jié)比雌蜂長1小節(jié)，可能與其尋找配偶有關(guān).Romani et al[6]研究發(fā)現(xiàn)，紙黃蜂(Polistesdominulus)雄蟲的觸角也長于雌蟲，并且雄蟲觸角在交配前會震動，交配階段會抓住雌蟲.東亞小花蝽(Oriussauteri)雄蟲的觸角同樣長于雌蟲[7].從超微形態(tài)來看，金環(huán)胡蜂兩亞種的蜂王、雄蜂和職蜂均具有5種類型感受器，除腔錐形感受器外，毛形感受器、錐形感受器、板形感受器、刺形感受器均具兩種亞型；雌蟲和雄蟲個體間感受器的類型相同，在觸角上的分布基本相似；貝羅納亞種觸角鞭節(jié)分布的感受器數(shù)量更多，其中，毛形感受器分布最廣泛.Khodairy et al[8]研究發(fā)現(xiàn)，東方胡蜂(V.orientalis)觸角也有5種感受器：其中4種感受器與金環(huán)胡蜂相同，即毛形感受器、刺形感受器、錐形感受器和腔錐形感受器，其結(jié)構(gòu)也相同；其余1種為頭狀感受器，其無亞型.金環(huán)胡蜂喜歡在溫度適宜的早晨活動，而東方胡蜂喜歡在烈日、高熱天氣下活動，其特有的感受器可能具有感受熱量的功能.

金環(huán)胡蜂雄蟲觸角鞭節(jié)每一小節(jié)具兩個紡錘形的角質(zhì)層突起，也稱為感覺突，其上感受器分布極少，僅有少量感覺毛和感覺孔.除胡蜂科外，其他膜翅目昆蟲中未發(fā)現(xiàn)類似結(jié)構(gòu)，其功能有待通過行為學(xué)、透射電鏡、電生理及分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行深入研究.

3.2 觸角感受器功能

金環(huán)胡蜂觸角感受器遍布整個觸角，數(shù)量巨大.其中，毛形感受器和板形感受器數(shù)量最多.

在膜翅目昆蟲中，毛形感受器數(shù)量最多，長度最長，與外界物體觸碰最多，體現(xiàn)其具有機(jī)械感受功能[9].金環(huán)胡蜂錐形感受器兩種亞型形態(tài)完全不同，但表面都具有許多微孔形成的紋路.Antoine et al[10]研究證實，錐形感受器Ⅱ型是典型的嗅覺感受器，其表面的微孔是對氣味敏感的感覺孔，是膜翅目昆蟲特有嗅覺系統(tǒng)的重要感受器，錐形感受器Ⅰ型也具有嗅覺和機(jī)械感受功能.金環(huán)胡蜂板形感受器兩種亞型表面感覺孔排列方式不同，這在蜜蜂科觸角上也常見.Ochieng et al[11]研究發(fā)現(xiàn)，板形感受器內(nèi)部有大量神經(jīng)元細(xì)胞，主要用于接收化學(xué)信號，在胡蜂對寄主的識別中起重要作用.刺形感受器垂直于觸角表面且突出于其他感受器，多分布在鞭節(jié)最后一節(jié)，其表面也具有許多微孔，刺形感受器Ⅰ型頂端向內(nèi)凹陷，可能具有機(jī)械反應(yīng)和選擇性行為功能[12-13].腔錐形感受器內(nèi)陷形成腔狀，有利于氣味分子進(jìn)入，其分布數(shù)量最少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)還需要利用透射電鏡進(jìn)一步探究，推測其主要具有嗅覺和味覺感受功能[14].

金環(huán)胡蜂觸角感受器種類豐富，在其社會性行為和多樣性分化方面起著關(guān)鍵作用.有關(guān)金環(huán)胡蜂每種類型觸角感受器的具體功能及其相互作用值得深入研究.