喀斯特洞穴昆蟲拉林裸灶螽尾須的超微結(jié)構(gòu)

馮雪立，黃世會(huì)，羅昌慶

(貴州大學(xué) a昆蟲研究所 貴州山地農(nóng)業(yè)病蟲害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽550025)

喀斯特洞穴又稱“溶洞”，是指可溶性巖石經(jīng)地下水長期溶蝕、侵蝕以及重力崩塌等作用而形成的天然地下空間，是一種與地表(例如森林、草原、濕地、荒漠等)完全不同的地下環(huán)境[1-3]。作為陸地自然環(huán)境中的一個(gè)子系統(tǒng)，喀斯特洞穴與外界環(huán)境具有較高程度的隔離性，幾乎每個(gè)洞穴都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)[4-5]。在這一特殊生態(tài)系統(tǒng)中，洞穴環(huán)境與洞穴動(dòng)物、微生物及低等植物等共同構(gòu)成了一個(gè)相互影響、相互制約的統(tǒng)一整體[1,6]。作為洞穴生物多樣性的主要組成部分，洞穴動(dòng)物對(duì)維持洞穴生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮著極為重要的作用[7-8]。

大部分洞穴動(dòng)物可能因地形地貌變化(例如高原隆升)和氣候變遷(例如第四紀(jì)氣候變化導(dǎo)致的嚴(yán)酷氣候條件)被迫由地表轉(zhuǎn)入洞穴生活[9-11]。為適應(yīng)洞穴極端生態(tài)條件，洞穴動(dòng)物進(jìn)化出了一系列特殊的形態(tài)、生理、行為等方面的特征[12-14]。其中，在形態(tài)學(xué)方面，大部分洞穴動(dòng)物的附肢明顯延長且密被感器，該形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表明穴居種類具備敏銳的嗅覺、觸覺等感覺能力，有助于其在洞穴黑暗環(huán)境中運(yùn)動(dòng)、覓食、競爭、尋偶等[15-17]。比如，長期生活在黑暗環(huán)境中的洞穴蜘蛛，其步足明顯延長，步足上的感器類型及數(shù)量也隨之增多，使得該類群的觸覺、嗅覺等非視覺感知能力變得更為敏銳[18-20]。多數(shù)洞穴步甲在適應(yīng)洞穴環(huán)境的進(jìn)化過程中，復(fù)眼退化甚至消失，而下唇須、下顎須、觸角等附肢則變得尤為發(fā)達(dá)，使其能夠更為靈敏地感知周圍環(huán)境中的物理、化學(xué)信號(hào)，進(jìn)而提高了其在洞穴環(huán)境中的捕食效率[21-22]。

疾灶螽屬(Tachycines)昆蟲屬直翅目(Orthoptera)駝螽科(Rhaphidophoridae)，是我國喀斯特洞穴中的常見昆蟲類群[23-24]。迄今為止，我國已發(fā)現(xiàn)該屬穴居種類24個(gè)，且大多分布于喀斯特洞穴繁多的西南地區(qū)[23,25-29]。該屬穴居類群在形態(tài)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了一系列適應(yīng)洞穴生境的明顯變化，首先是復(fù)眼不同程度退化，且復(fù)眼的退化程度可能與不同種類營穴居生活的時(shí)間長短有關(guān)[25,27]；其次是附肢極其修長[25,30]，例如拉林裸灶螽(Tachycineslalinus)的尾須極為發(fā)達(dá)，幾乎與軀體等長[27]。

作為昆蟲重要的感覺器官之一，尾須表面附有多種形狀不一、大小不同的感器，這些感器由尾須上豐富的感覺毛特化而成，具有感知外源信息的功能，在躲避天敵、繁殖、保持身體平衡等生命活動(dòng)中起著重要作用[31-33]。目前，已報(bào)道的昆蟲尾須感器類型主要有6類，分別為絲毛形感器、矛形感器、毛形感器、刺形感器、鐘形感器及棒狀感器[34-37]，但關(guān)于拉林裸灶螽成蟲尾須表面所附感器類型及其分布規(guī)律尚無報(bào)道。為此，本研究以棲息于喀斯特洞穴中的疾灶螽屬昆蟲拉林裸灶螽(T.lalinus)為研究對(duì)象，利用掃描電鏡對(duì)其雌、雄成蟲尾須表面所附感器進(jìn)行觀察、分析，明確該物種尾須所具有的感器類型及分布規(guī)律，為后續(xù)進(jìn)一步探討拉林裸灶螽尾須感器的生理功能以及其因洞穴極端生境而在尾須上產(chǎn)生的適應(yīng)性變化奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx

拉林裸灶螽(Tachycineslalinus)雌、雄成蟲，均采自貴州省黔南州獨(dú)山縣麻萬鎮(zhèn)拉林洞。該洞海拔966 m，經(jīng)度107.560 157° E，緯度25.889 310° N。

1.2 樣品制備

選取具完整尾須的拉林裸灶螽雌、雄成蟲各5頭。利用顯微剪、鑷子在體視顯微鏡(SMZ1270，Nikon，日本)下緊貼腹部位置取下完整尾須，將其置于生理鹽水中浸泡30 min，利用磷酸緩沖液(pH 7.2)漂洗3次，每次15 min，然后用體積分?jǐn)?shù)2.5%戊二醛溶液固定20 h。固定結(jié)束后利用超聲波清洗機(jī)(JP-030S，中國)深層清洗15 min，然后置于0.01 mol/L碘化鉀溶液中浸泡12 h。再依次用體積分?jǐn)?shù)50%，70%，80%，90%和100%的乙醇進(jìn)行梯度脫水，脫水完成后于無水乙醇中浸泡12 h；棄去乙醇溶液，于40 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱(101-ISB，中國)中干燥12 h，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 電鏡觀察

將1.2節(jié)的尾須樣品粘在貼有導(dǎo)電膠的樣品臺(tái)上，離子濺射儀(NeoCoater，JEOL，日本)噴金2 min。通過掃描電鏡(JCM 6000，JEOL，日本)觀察拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須整體特征及感器形態(tài)、分布特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)感器類型與數(shù)量。利用掃描電鏡自帶軟件Scaler測量尾須及感受器的形態(tài)學(xué)指標(biāo)。掃描電鏡在15 kV的加速電壓下運(yùn)行。感器形態(tài)特征描述及命名參照文獻(xiàn)[38-42]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示，采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行分析，利用Levene’s tests進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，通過Kolmogorov-Smimov tests檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否為正態(tài)分布，對(duì)符合方差齊性以及正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，利用獨(dú)立t檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須的整體形態(tài)特征

拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須的外部形態(tài)特征如圖1所示。

圖1 拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須的外部形態(tài)Fig.1 Morphology of cerci of female and male adults of Tachycines lalinus

由圖1可知，拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須著生于腹部末端背側(cè)，幾乎垂直于軀干，細(xì)長，不分節(jié)，呈須狀，基部至端部逐漸變細(xì)。雌蟲尾須平均長度為(9.372±0.318) mm，雄蟲尾須平均長度為(9.276±0.321) mm。雌、雄成蟲尾須的整體形態(tài)無明顯二型現(xiàn)象，且其尾須長度無顯著差異(P>0.05)。

2.2 拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須感器種類及形態(tài)學(xué)特征

掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須感器均有刺形感器、絲毛形感器、鐘形感器、錐形感器和毛形感器5種類型，且這些感器均著生于凸起的基窩中，部分感器僅在長度或基部直徑上存在差異。根據(jù)外部形態(tài)差異，刺形感器又分為刺形感器1型和刺形感器2型2種亞型。

2.2.1 刺形感器(sensilla chaetica，Sc) 刺形感器具2種亞型，即刺形感器1型(Sc.1)和刺形感器2型(Sc.2)。刺形感器1型(Sc.1)相對(duì)較長，呈鬃毛狀，基部至頂端逐漸變細(xì)，頂端尖銳，表面具縱向脊紋，基部有一凸起基窩，感器呈50°～90°夾角插入基窩(圖2-A-C)。由表1可知，雌蟲感器平均長度為(122.082±7.304) μm，基部直徑為(11.918±0.792) μm；雄蟲感器平均長度為(128.049±6.166) μm，基部直徑為(9.681±0.449) μm。雌、雄感器長度無顯著差異，但雌蟲感器基部直徑顯著大于雄蟲。

刺形感器2型(Sc.2)呈釘狀，較刺形感器1型(Sc.1)短，基部至頂端逐漸變細(xì)，直至尖銳，表面有縱向脊紋，基部具臼狀窩，感器大部分垂直尾須表面或與表面呈60°～90°夾角(圖2-D-E)。表1顯示，雌蟲感器平均長度為(44.034±2.211) μm，基部直徑為(7.751±0.314) μm；雄蟲感器平均長度為(35.711±3.153) μm，基部直徑為(7.031±0.468) μm。雌蟲感器的長度顯著大于雄蟲，雌、雄成蟲感器基部直徑無顯著差異。

A～B.刺形感器1型；C.圖B中白色方框部分放大，顯示感器表面的縱向脊紋；D～E.刺形感器2型A-B.Sensilla chaetica subtype 1 (Sc.1)；C.Enlargement of the white box in “panel B” to show longitudinal ridges on surface of sensilla chaetica subtype 1；D-E.Sensilla chaetica subtype 2 (Sc.2)

2.2.2 絲毛形感器(sensilla filiformia，Sf) 絲毛形感器(Sf)細(xì)長，呈絲毛狀，底部至頂端逐漸變細(xì)，表面具縱向溝槽，基部有一毛窩復(fù)合體，該毛窩復(fù)合體在尾須表面隆起，包括凸凹的表皮輪廓以及內(nèi)部一個(gè)凹陷近圓的輪廓,絲狀毛垂直插入復(fù)合體內(nèi)部凹陷深處(圖3)。表1表明，雌蟲感器平均長度為(977.794±110.294) μm，基部直徑為(24.334±1.202) μm；雄蟲感器平均長度為(1 218.321±95.093) μm，基部直徑為(24.107±1.094) μm。雌、雄成蟲感器長度及基部直徑均無顯著差異。

表1 拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須感器的外部形態(tài)特征Table 1 Morphological characteristics of cerci sensilla in male and female Tachycines lalinus

2.“-”表示鐘形感器的長度未測量(鐘形感器與表皮等高，導(dǎo)致該感器的長度無法精確測量)。

Note：1.Different lowercase letters indicate significant differences in same sensilla type between male and female adults (P<0.05).The same below.

2.“-”indicates non detected due to equal heights between bell-shaped sensilla and epidermis.

2.2.3 鐘形感器(sensilla campaniformia，Sca) 鐘形感器(Sca)相對(duì)較小，呈紐扣狀，表面無感覺毛，著生于尾須表面隆起的圓形基窩中，基窩邊緣光滑清晰，表面呈空薄壁狀，常與絲毛形感器基窩鄰接(圖4-A-B)。如表1所示，雌蟲鐘形感器基部直徑為(8.089±0.172) μm；雄蟲鐘形感器基部直徑為(7.341±0.422) μm，二者間無顯著差異。

2.2.4 錐形感器(sensilla basiconica，Sb) 錐形感器(Sb)呈錐狀，整體粗短，基部膨大，向頂部逐漸變細(xì)，頂端鈍圓，著生于基窩中，表面具溝槽，直立散生于尾須上(圖4-C-D)。由表1可知，雌蟲感器平均長度為(8.745±0.547) μm，基部直徑為(7.789±0.196) μm；雄蟲感器平均長度為(15.821±0.539) μm，基部直徑為(7.305±0.344) μm。雌、雄成蟲感器長度差異顯著，基部直徑差異不明顯。

2.2.5 毛形感器(sensilla trichodea，St) 毛形感器(St)形如毛發(fā)，細(xì)長，基部到頂端逐漸變細(xì)，頂端尖銳，感器表面有螺旋狀紋，著生于向上隆起的基窩中，直立于尾須表面或與表面呈70°～90°夾角(圖4-E-G)。表1顯示，雌蟲感器平均長度為(142.733±9.879) μm，基部直徑為(10.147±0.447) μm；雄蟲感器平均長度為(173.596±9.859) μm，基部直徑為(11.655±0.675) μm。雄蟲感器長度顯著大于雌蟲，而雌、雄成蟲感器的基部直徑無顯著差異。

2.3 拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須感器的分布規(guī)律

由表2可知，刺形感器1型(Sc.1)、刺形感器2型(Sc.2)、絲毛形感器(Sf)、鐘形感器(Sca)、錐形感器(Sb)和毛形感器(St)在拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須上均有分布。在數(shù)量上，Sc.1、Sc.2、Sf、Sca、Sb、St分別占雌蟲尾須感器總數(shù)量的33.852%，25.806%，26.743%，2.416%，1.151%和10.032%，占雄蟲尾須感器總數(shù)量的25.062%，20.415%，35.463%，1.672%，1.725%和15.663%。由此可見，雌、雄成蟲各類感器數(shù)量占比較為相似。其中，Sc.1、Sc.2、Sf 3種感器占比較大，St次之，Sca和Sb在尾須上的數(shù)量則相對(duì)較少。

A～B.鐘形感器；C～D.錐形感器；E～F.毛形感器；G.毛形感器表面的脊紋 A-B.Sensilla campaniformia (Sca)；C-D.Sensilla basiconica (Sb)；E-F.Sensilla trichodea (St)；G.The ridges of sensilla trichodea圖4 拉林裸灶螽尾須鐘形、錐形、毛形感器的形態(tài)Fig.4 Morphology of sensilla campaniformia,sensilla basiconica and sensilla trichodea on cerci of Tachycines lalinus

表2 拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須感器的數(shù)量和分布Table 2 Abundance and distribution of cerci sensilla in male and female Tachycines lalinus

為了了解各類感器在尾須上的分布情況，本研究將拉林裸灶螽尾須等分為基部、中部及尾端部3部分。結(jié)果(表2)表明，拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須Sc.1、Sf、Sca、St分布最廣，且在尾須的基部、中部、尾端部均有分布。其中Sf和St在雌、雄蟲尾須各部位的分布數(shù)量無顯著性差異;Sc.1在雌蟲尾須各部位的分布數(shù)量均顯著多于雄蟲;Sca在雌、雄蟲尾須基部的分布數(shù)量無顯著性差異，但在雌蟲尾須中部及尾端部的數(shù)量均顯著多于雄蟲;Sc.2主要分布于拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須的基部和中部，在尾端部無分布；Sc.2在雌蟲尾須基部的分布數(shù)量顯著多于雄蟲，但尾須中部的分布數(shù)量在雌、雄之間無顯著性差異；Sb僅分布于拉林裸灶螽雌、雄蟲尾須的基部，且雌、雄之間在感器數(shù)量上無顯著性差異。

3 討 論

本研究首次利用掃描電鏡對(duì)棲息于喀斯特洞穴中的拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須的整體形態(tài)及感器進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明，拉林裸灶螽雌、雄成蟲尾須均不分節(jié)，且雌、雄成蟲具有相同的感器類型(刺形感器、絲毛形感器、鐘形感器、錐形感器及毛形感器)以及較為相似的分布規(guī)律，僅在某些感器數(shù)量上存在一定差異。拉林裸灶螽尾須上的感器類型與已報(bào)道的其他螽亞目昆蟲[43]尾須上的感器相似，但在其尾須上并未發(fā)現(xiàn)螽亞目昆蟲(例如沙螽科Stenopelmatidae、癩蟋科Mogoplistidae、蟻蟋科Myrmecophilidae)尾須上常見的棒狀感器。

刺形感器是昆蟲尾須上一種較為常見的感器，該感器內(nèi)部通常具有機(jī)械感覺神經(jīng)細(xì)胞，能夠感知機(jī)械刺激(例如振動(dòng)、風(fēng)向、角質(zhì)層形變等)[44-45]。疾灶螽屬昆蟲拉林裸灶螽雌、雄個(gè)體尾須上的刺形感器均具2種亞型(Sc.1和Sc.2)，在2種亞型感器數(shù)量上雌蟲均顯著多于雄蟲，該差異可能導(dǎo)致雌蟲在感知機(jī)械刺激時(shí)較雄蟲更為敏感。此外，前人研究發(fā)現(xiàn)，庭疾灶螽(Tachycinesasynamorus)觸角上的刺形感器，作為剛毛著生于其他感器周圍(例如腔錐形感器)，對(duì)其他感器起著保護(hù)作用[46]。拉林裸灶螽刺形感器廣泛著生于其他感器周圍，可能也同樣對(duì)其他感器具有保護(hù)作用。

絲毛形感器一般由感覺細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞及包膜細(xì)胞組成，具有檢測空氣流動(dòng)及機(jī)械振動(dòng)的作用[34,37,47-48]。本研究表明，拉林裸灶螽尾須上具有大量的絲毛形感器，有助于其在洞穴環(huán)境中更好地感知機(jī)械振動(dòng)以及微弱的空氣流動(dòng)。此外，前人對(duì)棲息于洞穴中的白斑穴螽(Troglophilusneglectus)尾須形態(tài)及尾須對(duì)空氣流動(dòng)的感知作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其尾須垂直于軀體，尾須上的絲毛形感器使尾須能夠靈敏感知水平方向的氣流[49-50]。與白斑穴螽(T.neglectus)的尾須相似，拉林裸灶螽尾須垂直于軀體并且具有相似的絲毛形感器，因此推測拉林裸灶螽可能通過尾須上的絲毛形感器感知洞穴環(huán)境中水平方向上的空氣流動(dòng)。

鐘形感器通常著生于絲毛形感器的周圍，具有輔助絲毛形感器感受機(jī)械刺激的功能[51-52]。拉林裸灶螽尾須上鐘形感器的基窩與絲毛形感器的基窩常鄰接著生，在美洲大蠊(Periplanetaamericana)、家蟋蟀(Achetadomesticus)等昆蟲中也發(fā)現(xiàn)了此類現(xiàn)象[32,34-35]。有學(xué)者對(duì)這種鄰接著生的鐘形感器和絲毛形感器的神經(jīng)投射通路進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)2種感器具有不同感覺神經(jīng)元，并且在對(duì)機(jī)械刺激的響應(yīng)方面，鐘形感器不如絲毛形感器靈敏，只有在較高強(qiáng)度的機(jī)械刺激下，由絲毛形感器的振動(dòng)引起基窩變形，進(jìn)而引起鐘形感器產(chǎn)生反應(yīng)，這種由一種感器帶動(dòng)另一種感器產(chǎn)生反應(yīng)的現(xiàn)象稱為機(jī)械耦合[32,53-54]。因此，拉林裸灶螽可能通過這種機(jī)械耦合現(xiàn)象，利用鐘形感器加強(qiáng)對(duì)較高強(qiáng)度機(jī)械刺激的響應(yīng)。

錐形感器僅分布于拉林裸灶螽尾須的基部。在庭疾灶螽(Tachycinesasynamorus)觸角上也發(fā)現(xiàn)了該類型感器，并且已證明該類型感器對(duì)外源化學(xué)物質(zhì)無明顯反應(yīng)，但能夠感受溫濕度的變化，即該感器為溫濕度感器[46]。

毛形感器在拉林裸灶螽雌、雄蟲尾須的基部、中部和尾端部均有分布。前人研究表明，毛形感器能夠感知機(jī)械刺激或者外源化學(xué)物質(zhì)，并且表面具微孔的毛形感器才具有感知外源化學(xué)物質(zhì)的功能[55-58]。拉林裸灶螽毛形感器表面不具微孔，因此該感器可能僅具有感知機(jī)械刺激的作用，而不能感知外源化學(xué)物質(zhì)的變化。

總體而言，拉林裸灶螽尾須上的感器數(shù)量龐大，這可能與其對(duì)洞穴環(huán)境的適應(yīng)有關(guān)。在黑暗無光的洞穴環(huán)境中，無法利用視覺感知周圍環(huán)境，拉林裸灶螽便通過增加感器數(shù)量更為靈敏地感知環(huán)境中的各種刺激。