角蟬觸角及其感器的掃描電鏡觀察

孫詠澤于瑞濤李澤晨胡 凱楊宗武袁向群

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院,陜西楊凌 712100)

觸角作為接受外來化學(xué)信號(hào)的主要器官[1-3],在昆蟲種間及種內(nèi)的化學(xué)通信、聲音通信和觸覺通信中扮演著重要的角色[4-6],其感受功能主要通過著生于其上的多種感器實(shí)現(xiàn)[2,7]。感器由昆蟲體壁的部分表皮特化而來,包括外部表皮結(jié)構(gòu)、內(nèi)部神經(jīng)元以及相關(guān)連的鞘細(xì)胞和一些附屬結(jié)構(gòu),可對(duì)周圍環(huán)境和昆蟲種群內(nèi)部各種刺激做出反應(yīng),是昆蟲感知機(jī)械和化學(xué)信號(hào)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位,在昆蟲的雌雄交配、寄主選擇和信息通訊等行為中起著關(guān)鍵作用[8-10],觸角感器的種類、數(shù)量與分布關(guān)乎昆蟲行為及對(duì)各種環(huán)境刺激因子的反饋,尤其對(duì)昆蟲的寄主定位與辨認(rèn)、取食與繁衍、棲息與遷徙影響甚大[11]。

1964年Schneider[4]首次對(duì)昆蟲觸角上不同類型感器的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類描述;Zacharuk[12]于1980年初次聯(lián)合掃描電鏡和透射電鏡技術(shù)研究昆蟲觸角感器的超微結(jié)構(gòu),其后伴隨電子顯微技術(shù)的蓬勃發(fā)展,掃描電鏡和透射電鏡技術(shù)被很多專家學(xué)者普及到許多不同類群的昆蟲觸角感器研究之中。40余年來,國內(nèi)學(xué)者運(yùn)用掃描電鏡技術(shù)圍繞鱗翅目、膜翅目以及半翅目昆蟲等的觸角感器做了諸多研究。尹文英等[13]于國內(nèi)第一次使用掃描電鏡觀察棉紅鈴蟲的觸角感受器;袁向群等[14-15]利用掃描電鏡開展弄蝶科5種弄蝶的觸角超微結(jié)構(gòu)研究,描述了各種感器的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其分布,并討論了感器的功能;黃珍富[16]將掃描電鏡觀察到的稻弄蝶觸角感器超微結(jié)構(gòu)應(yīng)用于探究稻弄蝶屬的系統(tǒng)學(xué)及其進(jìn)化方式中;李虹雨等[17]使用掃描電鏡觀察金環(huán)胡蜂兩亞種的觸角感器。此外,使用掃描電鏡觀察半翅目葉蟬科昆蟲觸角感器的研究也不斷有報(bào)道。高景林等[18]觀察到假眼小綠葉蟬觸角上僅存在一種毛形感器,且其數(shù)量、分布在雌雄二性間相近;趙立嵚等[19]觀察到條沙葉蟬的觸角感器類型與數(shù)量在雌雄蟲間不存在差異,其觸角感器僅包括毛形感器和錐形感器兩種,梗節(jié)上僅有毛形感器;于凱等[20]對(duì)柳寬突葉蟬和黑紋片角葉蟬的雌、雄性成蟲感器進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)兩種葉蟬觸角感器數(shù)量都較少,同種雌、雄蟲之間也不存在明顯差異。掃描電鏡技術(shù)能發(fā)現(xiàn)各種感器表面細(xì)微結(jié)構(gòu)的差異,探究其種類、數(shù)量、分布,這不僅有助于人們進(jìn)一步探索昆蟲觸角感器與昆蟲行為之間的關(guān)系,且有助于探究昆蟲與自然界間的化學(xué)通信模式,并為分類學(xué)和昆蟲系統(tǒng)發(fā)育分析提供更多新的線索與依據(jù)[13-20]。

角蟬科(Membracidae)屬于半翅目(Hemiptera)角蟬總科(Membracoidea),同葉蟬科(Cicadellidae)一致。中國角蟬共計(jì)281 種,均為植食性,部分種類是重要的經(jīng)濟(jì)植物害蟲,目前已知寄主植物的角蟬共80 種,已明確的寄主植物達(dá)116種,主要為雙子葉植物。角蟬對(duì)植物的危害方式與大部分葉蟬科害蟲相似,主要體現(xiàn)在:①刺吸植物根、莖、葉或果實(shí)的汁液,使植物萎蔫、失綠,影響植株的生長;②取食同時(shí)分泌蜜露,污染植株葉面,影響植株呼吸作用和光合作用;③傳播植物病毒病;④產(chǎn)卵過程中刺傷植物組織,導(dǎo)致枝條易折。褐三刺角蟬Tricentrus brunneusFunkhouser和黑圓角蟬Gargara genistae(Fabricius)均屬角蟬科露盾角蟬亞科(Centrotinae),二者均為中國角蟬常見種。其中,褐三刺角蟬主要分布于中國陜西、甘肅、山東、廣西、貴州等6 個(gè)省(區(qū)),寄主植物為構(gòu)樹、刺槐和胡頹子,成、若蟲散居;而黑圓角蟬廣布于除青海以外的中國各省,目前已傳入美國一些州,寄主植物多達(dá)17種,分屬茄科、豆科、?？?、蕓季科與菊科等10個(gè)科[21]。

自2002年至今,國內(nèi)關(guān)于葉蟬科昆蟲觸角感器的研究時(shí)有報(bào)道;但國內(nèi)外對(duì)角蟬的研究卻始終以系統(tǒng)學(xué)、行為學(xué)、生物學(xué)和生態(tài)學(xué)為主,其次為形態(tài)學(xué),罕有關(guān)于其觸角及感器的報(bào)道。因此,本研究觀察比較中國兩種常見角蟬褐三刺角蟬T.brunneus和黑圓角蟬G.genistae成蟲雌雄二性的觸角及其感器形態(tài)、數(shù)量與分布,以期為角蟬科昆蟲后續(xù)系統(tǒng)發(fā)生學(xué)、行為生物學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)和電生理學(xué)等研究,以及對(duì)角蟬的生物學(xué)防治措施提供觸角及感器方面的新線索與新依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試?yán)ハx

所用褐三刺角蟬和黑圓角蟬成蟲標(biāo)本均為西北農(nóng)林科技大學(xué)昆蟲博物館館藏干標(biāo)本。分別取雌、雄成蟲若干頭作為供試標(biāo)本。

1.2 掃描電鏡樣品制備及觀察

步驟為:①將黑圓角蟬和褐三刺角蟬分別在解剖鏡下隨機(jī)選取觸角完整的雌、雄個(gè)體各5頭;②向試蟲容器中倒入丙酮,用超聲波清洗儀振動(dòng)清洗3 min,更換丙酮后再次清洗,重復(fù)3次;③清洗后將試蟲在70%酒精中浸泡15 min,再在解剖鏡下將觸角連頭一起取下;④待酒精揮發(fā)后將這些連頭觸角分不同面粘于載物臺(tái)上,將粘好的載物臺(tái)放入抽真空干燥器中干燥,備用;⑤用離子濺射儀(日立E-1045)噴金鍍膜3 min;⑥置于電子掃描儀(日立S-4800)中于20 k V 加速電壓下進(jìn)行觀察并拍照。

2 結(jié)果與分析

2.1 褐三刺角蟬觸角的一般特征

2.1.1 觸角外部形態(tài)及結(jié)構(gòu)組成 對(duì)褐三刺角蟬雌、雄性成蟲的觸角進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn),在外部形態(tài)方面,褐三刺角蟬雌、雄蟲的觸角無明顯差異,均為剛毛狀;在結(jié)構(gòu)組成方面,雌、雄成蟲的觸角均包含柄節(jié)(scape)、梗節(jié)(pedicel)和鞭節(jié)(flagellum)3部分,整體長度約771.96μm(圖1-A)。

柄節(jié)近似倒鐘狀,最短,較粗壯,長度約64.36μm,基部包被于膜質(zhì)的觸角窩內(nèi),其上有點(diǎn)粒狀突起,這些點(diǎn)狀突起大部分大小均勻,部分點(diǎn)狀突起合并形成較大的不規(guī)則突起(圖1-B)。梗節(jié)連接于柄節(jié)端部洼陷的窩內(nèi),形似鳳梨,長度約92.60μm,兩端較細(xì)而中部較粗,基部較端部稍粗,中部著生錐形感器和毛形感器,其表面遍布鱗片狀的突起(圖2-B)。鞭節(jié)形態(tài)細(xì)長,基部略呈紡錘形,且分為許多亞節(jié),長度約615.00μm,遠(yuǎn)長于柄節(jié)與梗節(jié),約占觸角總長的80%。前8個(gè)亞節(jié)相對(duì)較膨大,其后各亞節(jié)趨于變細(xì)。第1亞節(jié)基部縊縮,同梗節(jié)頂端凹陷處相連接,端部膨大;感器集中分布于第3、4、5、6、7亞節(jié),其余各節(jié)均無感器(圖2-E)。

圖1 褐三刺角蟬成蟲觸角的掃描電鏡觀察Fig.1 SEM of adult T.brunneus antennae

2.1.2 感器的種類、形態(tài)和分布 褐三刺角蟬的觸角感器僅存在毛形感器和錐形感器2種,數(shù)量較少,且雌雄成蟲間的觸角結(jié)構(gòu)及感器分布基本相同,無明顯差異。

毛形感器(Sensilla trichodea,St):整體形態(tài)呈纖毛狀,端部較為尖細(xì),略有彎曲,著生于梗節(jié)中部,其基部位于表皮上隆起的圓形火山狀凹窩中。梗節(jié)上的毛形感器長28.77～34.50μm,端部與觸角表面的夾角小于30°(圖2-B～2-D)。

錐形感器(Sensilla basiconica,Sb):整體形態(tài)呈圓錐狀,其較毛形感器稍短稍粗,端部較為圓鈍,不彎曲,在梗節(jié)和鞭節(jié)上都有分布。梗節(jié)上的錐形感器長約25.94μm,端部與觸角表面的夾角不足30°,鞭節(jié)上的錐形感器長12.76～16.47 μm,端部與觸角表面的夾角為25°～50°,位于梗節(jié)上的錐形感器較鞭節(jié)上的更長,鞭節(jié)上的錐形感器集中在鞭節(jié)的一側(cè),自表皮隆起的圓形火山狀凹陷中發(fā)生(圖2-B～2-G)。

圖2 褐三刺角蟬成蟲觸角感器的掃描電鏡觀察Fig.2 SEM of adult T.brunneus antennal sensilla

2.2 黑圓角蟬觸角的一般特征

2.2.1 觸角外部形態(tài)及結(jié)構(gòu)組成 對(duì)黑圓角蟬雌、雄性成蟲的觸角進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),雌、雄蟲的觸角形態(tài)上無差異,均呈剛毛狀;在結(jié)構(gòu)組成方面,雌、雄成蟲的觸角均包含柄節(jié),梗節(jié)和鞭節(jié)3 部分,長度約660.4μm(圖3-A)。柄節(jié)近似鐘形,最短,較粗壯,長度約89.5μm,基部包被于膜質(zhì)的觸角窩內(nèi),其上具點(diǎn)粒狀和刺狀突起,其中點(diǎn)狀突起大部分大小相近,部分刺狀突起由2個(gè)突起合并而成。梗節(jié)連接于柄節(jié)端部洼陷的窩內(nèi),呈較為規(guī)則的鳳梨狀,長度約100.0μm,兩端較細(xì),近基部較粗,中部著生有錐形感器和毛形感器,其表面似洋薊花蕾,遍布鱗片狀的突起(圖4-B)。鞭節(jié)形態(tài)細(xì)長,基部似紡錘形,長度約為470.9 μm,遠(yuǎn)長于柄節(jié)與梗節(jié)長度之和,且分為許多亞節(jié)?；?0 個(gè)亞節(jié)較膨大,其后各亞節(jié)逐漸變細(xì)。第1亞節(jié)基部縊縮,同梗節(jié)頂端凹陷處相連接,端部膨大;感器集中分布于第7、8、9、10亞節(jié),其余各節(jié)均無感器(圖4-F)。

圖3 黑圓角蟬成蟲觸角的掃描電鏡觀察Fig.3 SEM of adult G.genistae antennae

2.2.2 感器的種類、形態(tài)和分布 黑圓角蟬的觸角感器僅存在毛形感器和錐形感器2種,數(shù)量較少,而且雌雄成蟲間的觸角結(jié)構(gòu)及感器分布基本相同,無明顯差異。

毛形感器(Sensilla trichodea,St):整體形態(tài)呈纖毛狀,端部較為尖細(xì)且存在不同程度的彎曲,長度也存在差異,僅觀測(cè)到在梗節(jié)各面分布,主要著生于梗節(jié)中部。毛形感器基部位于表皮上隆起的圓形火山狀凹窩處,長24.19～35.80μm(圖4-C,4-E)。

錐形感器(Sensilla basiconica,Sb):整體形態(tài)呈圓錐狀,其較毛形感器稍短稍粗,端部較為圓鈍,幾乎不彎曲,其在梗節(jié)和鞭節(jié)上均有分布,鞭節(jié)上僅有錐形感器分布且偏向集中在鞭節(jié)的一側(cè),著生于表皮隆起的圓形火山狀凹窩中。其中梗節(jié)表面的錐形感器長約30.22μm,鞭節(jié)表面的錐形感器長19.41～33.06μm(圖4-D、4-G、4-H和4-I)。

圖4 黑圓角蟬成蟲觸角感器的掃描電鏡觀察Fig.4 SEM of adult G.genistae antennal sensilla

3 討論

本研究對(duì)角蟬科褐三刺角蟬和黑圓角蟬的觸角超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描電鏡觀察。結(jié)果表明,兩種角蟬觸角形態(tài)相似,均為典型的剛毛狀觸角,包括柄節(jié)、梗節(jié)、鞭節(jié)3部分,在梗節(jié)中部的一周各面均著生有少量毛形感器和錐形感器,鞭節(jié)的前10個(gè)亞節(jié)部分側(cè)面上著生有部分錐形感器,與已報(bào)道的同為角蟬總科下部分葉蟬科昆蟲的觸角形態(tài)和分節(jié)及感器類型和分布有一定相似之處[20,22-25]。另外,黑圓角蟬和褐三刺角蟬雌雄成蟲的觸角感器差異不明顯,這點(diǎn)也同之前對(duì)葉蟬科昆蟲的研究結(jié)論一致[10]。該發(fā)現(xiàn)可能表明在未來對(duì)角蟬觸角的研究中,可對(duì)目前報(bào)道更多的葉蟬觸角的研究方法進(jìn)行一定程度的借鑒。褐三刺角蟬和黑圓角蟬觸角柄節(jié)上有許多刺突狀突起,梗節(jié)上均有鱗片(耳)狀突起,這在其他半翅目頭喙亞目的昆蟲中也有發(fā)現(xiàn)[23,26],與山打根擬穎蠟蟬[27]和條沙葉蟬[23]等昆蟲相比較,黑圓角蟬和褐三刺角蟬的多種突起同樣缺少感覺臼形窩這一構(gòu)造,這表明這些突起并不是感覺器,而應(yīng)為表皮突起特化而成的特殊構(gòu)造。

黑圓角蟬和褐三刺角蟬的梗節(jié)上均有毛形感器分布。毛形感器是昆蟲觸角上分布最為廣泛、數(shù)目最多的感器,其毛發(fā)長度變化很大,而且可以自由活動(dòng),在本試驗(yàn)所得的掃描電鏡圖中也可見不同程度的彎曲,且這些差異在所有已報(bào)道的昆蟲觸角上均有發(fā)現(xiàn)[28-31]。相關(guān)研究表明,毛形感器在功能上可以是機(jī)械性的、接觸性的、熱敏感的或嗅覺的,是昆蟲感受性信息素的重要器官[12,32],其中表面無孔的一般被認(rèn)為是機(jī)械感器[33],表面分布有納米微孔的被認(rèn)為是嗅覺感器,這些納米孔由生物膜形成,孔徑為1～100 nm,起到過濾氣味分子的作用[34],目前已有在半翅目異翅亞目昆蟲口器的毛形感器上發(fā)現(xiàn)納米孔的報(bào)道。本研究中黑圓角蟬梗節(jié)的毛形感器上可見部分點(diǎn)狀凹陷,可能意味著這種毛形感器具嗅覺感器的特點(diǎn),未來也可對(duì)其進(jìn)一步探究。結(jié)合本研究結(jié)果,黑圓角蟬和褐三刺角蟬的梗節(jié)上均有毛形感器分布,考慮到毛形感器的功能,這可能意味著其在此兩種角蟬雄蟲搜尋雌蟲的過程中起重要作用。

與毛形感器不同,錐形感器是由一個(gè)到多個(gè)神經(jīng)元支配的短毛(小釘)或錐體,表面多孔且樹突分支豐富,功能上主要起機(jī)械(接觸)和化學(xué)感器作用,與嗅覺刺激傳導(dǎo)密切相關(guān),氣味結(jié)合蛋白在其中表達(dá),保證其嗅覺受體的作用得以發(fā)揮[35]。另外,錐形感器對(duì)植物氣味刺激存在特殊的感受作用,對(duì)昆蟲在寄主的尋找與選擇等方面提供幫助[36]。兩種角蟬鞭節(jié)上僅觀測(cè)到錐形感器分布,且錐形感器均分布于鞭節(jié)膨大弧度較大的一側(cè),這種特殊的分布方式可能有利于其功能的表達(dá)。

角蟬科與葉蟬科同屬角蟬總科,目前的分子系統(tǒng)發(fā)育研究證據(jù)也表明二者親緣關(guān)系較近,二者的觸角形態(tài)和感器類型與分布表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)南嗨菩?觸角感器可能具有作為這兩個(gè)類群間系統(tǒng)分類方面形態(tài)學(xué)依據(jù)的潛力。褐三刺角蟬和黑圓角蟬的觸角感器數(shù)量較少,類型單一,毛形感器均僅分布于觸角梗節(jié),而錐形感器在二者觸角梗節(jié)和鞭節(jié)均有分布,且錐形感器僅分布于鞭節(jié)基部膨大弧度較大的一側(cè),這種分布方式的成因及其特定功能暫不明確。為了探明這兩種角蟬觸角感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能及其特異性分布的原因,為生物學(xué)防治和系統(tǒng)發(fā)育等相關(guān)研究提供參考,未來需要結(jié)合透射電鏡進(jìn)一步觀察,并結(jié)合行為學(xué)、生理學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科,進(jìn)行更加深入的觀察和探索。