草地貪夜蛾幼蟲感受器掃描電鏡觀察

伏倩文，吳海朝，胡瑞瑞，李星月，祖國浩，白鵬華

（1.天津農(nóng)學(xué)院園藝園林學(xué)院，天津 300384；2.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津 300384；3.四川省農(nóng)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，四川成都 610066）

感受器由昆蟲體壁的皮細(xì)胞以及感覺細(xì)胞構(gòu)成，是昆蟲感知外界刺激的基本單位，可以對外界刺激和內(nèi)部刺激產(chǎn)生反應(yīng)，負(fù)責(zé)嗅覺的檢測和觸覺信號的感知[1]。氣味分子通過擴(kuò)散進(jìn)入昆蟲的感受器中，在嗅覺蛋白作用下運輸至嗅覺受體，將外界化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號，并最終傳遞到更高級的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起昆蟲對外界刺激作出行為反應(yīng)[2]?；瘜W(xué)氣味經(jīng)感受器介導(dǎo)而指導(dǎo)昆蟲產(chǎn)生不同的行為，如求偶、交配、取食、寄主選擇和躲避天敵等重要生命活動[3-4]。感受器的類型、分布、數(shù)量等會因為昆蟲種類、地理種群和性別的不同存在顯著差異,進(jìn)而影響昆蟲的取食、交配和產(chǎn)卵等行為特異性。美國白蛾Hyphantria cunea 雄性觸角上的毛形感受器數(shù)量明顯多于雌性成蟲的數(shù)量，且長度更長[5]；稻縱卷葉螟Chaphalocrocis medina 雄成蟲觸角上錐形感器數(shù)量顯著多于雌蟲的數(shù)量[6]；與雄蟲觸角相比，桃小食心蟲Carposina niponensis Walsingham 雌蟲觸角上感受器的種類更加豐富，推測其可能與雌蟲產(chǎn)卵密切相關(guān)[7]；馬濤等[8]推測香梨優(yōu)斑螟Euzophera pyriella Yang 雄蟲觸角上特有的柱形感受器可能參與性信息素的識別。因此，研究昆蟲感受器的結(jié)構(gòu)、分布對害蟲取食、交配和產(chǎn)卵等行為具有重要指導(dǎo)意義。

草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda 隸屬于鱗翅目Lepidoptera，夜蛾科Noctuidae，灰翅夜蛾屬Spodoptera Herrich-Schaeffer，是世界農(nóng)業(yè)重大遷飛性害蟲，并被列入世界十大植物害蟲“黑名單”[9]。草地貪夜蛾遷飛能力極強，自2019 年入侵我國云南省，現(xiàn)已擴(kuò)散至全國27 個?。▍^(qū)、市），年均發(fā)生面積近120 萬hm2，每年對我國玉米造成的潛在經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)54 億～470 億美元[10-11]。該昆蟲食性雜，尤其嗜好禾本科作物，分為玉米型和水稻型2 個品系。經(jīng)鑒定入侵中國的地理種群為玉米型，玉米田草地貪夜蛾發(fā)生面積占該蟲總發(fā)生面積的98%以上[11]。草地貪夜蛾的快速入侵和嚴(yán)重危害，對我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的威脅。報道表明，草地貪夜蛾完成一個世代要經(jīng)歷卵、幼蟲、蛹和成蟲，完成整個世代平均為45 d[12]。其中幼蟲期共分為6 個齡期，1～2 齡幼蟲喜好聚集取食，但進(jìn)入3 齡幼蟲不再聚集取食且進(jìn)入暴食階段，因此在3 齡期前對其進(jìn)行防治極為重要[12]。基于此，本研究選擇聚集取食階段的低齡幼蟲期2 齡為研究對象，對草地貪夜蛾2 齡幼蟲的頭部、胸足，以及腹足進(jìn)行電鏡掃描，對感受器的類別、數(shù)量、分布等分別進(jìn)行了詳細(xì)的觀察，為探索草地貪夜蛾2 齡幼蟲化學(xué)感受器行使的聚集取食、寄主識別和躲避天敵等重要行為功能提供理論依據(jù)，并為進(jìn)一步采用化學(xué)生態(tài)學(xué)方法防控草地貪夜蛾低齡幼蟲提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源

草地貪夜蛾幼蟲購自于河南省科云生物農(nóng)藥有限公司，用人工飼料在智能氣候箱（RXZ-280B，寧波東南儀器有限公司）進(jìn)行飼養(yǎng)并繁殖多代，飼養(yǎng)條件設(shè)置為：溫度24～27℃，相對濕度60%～75%，光照周期L∶D 為16∶8。采用最新孵化的2 齡幼蟲進(jìn)行掃描電鏡試驗。

1.2 樣品制備

取草地貪夜蛾2 齡幼蟲用于樣品制備，首先用2.5%戊二醛將樣品固定24 h；其次用磷酸緩沖液洗滌3 次；最后用不同濃度（75%、85%、95%、100%）的乙醇進(jìn)行逐級脫水，室溫自然風(fēng)干。將脫水的樣本在臨界干燥器上干燥后，置于電鏡專用載物臺上，經(jīng)濺射儀噴金后進(jìn)行拍照記錄[5]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

在電鏡下掃描拍照后，利用軟件自帶的測量與標(biāo)尺功能進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)示，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（Mean±SE）表示。每組測量數(shù)據(jù)至少觀察5 頭2 齡幼蟲體軀的各項數(shù)值，觀察到的感器根據(jù)Schneider（1964）和Zacharuk（1980）的文獻(xiàn)進(jìn)行分類[13-14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 頭部

草地貪夜蛾2 齡幼蟲的頭部黑色，呈現(xiàn)橢圓形（圖1-A）。頭部表面具有剛毛，頭式為下口式，口器為咀嚼式口器。頭部可見額、額縫、頭冠縫（圖1-B），和1 對觸角、剛毛、口器、吐絲器、單眼（圖1-C）。單眼兩側(cè)各6 個（O1～O6），呈“C”字狀排列（圖1-D）。

圖1 草地貪夜蛾2 齡幼蟲頭部掃描電鏡圖

2.1.1 觸角 草地貪夜蛾2 齡幼蟲的觸角形狀粗短，位于頭部的側(cè)下方、單眼和上顎之間（圖2-A）。觸角長約（53.1±1.48）μm，由柄節(jié)、梗節(jié)和鞭節(jié)3 部分構(gòu)成，柄節(jié)長約（7.4±0.2）μm、寬約（68.4±1.38）μm，位于觸角窩內(nèi)；梗節(jié)為圓柱形，嵌于柄節(jié)端部凹陷的窩內(nèi)，長約（22.8±0.378）μm、寬約（38.4±0.34）μm；鞭節(jié)呈現(xiàn)短錐狀，長寬分別約為（22.9±0.33）μm 和（16.6±0.19）μm。觸角柄節(jié)處未觀察到感受器（圖2-A）；梗節(jié)上著生栓錐形感受器、毛形感受器、刺形感受器各1 個（圖2-B），長度分別約為（10.2±0.46）μm、（112±1.91）μm、（4.9±0.21）μm；鞭節(jié)上著生1 個栓錐形感受器，長寬分別約為（9.9±0.48）μm、（4.79±0.15）μm，2 個長約（2.61±0.16）μm 的Ⅰ型錐形感受器和2 個長約（12.2±0.2）μm 的Ⅱ型錐形感受器，其中Ⅰ型錐體短小，而Ⅱ型錐體較大（圖2-B）。

圖2 草地貪夜蛾2 齡幼蟲觸角及上唇掃描電鏡圖

2.1.2 上唇 上唇著生大量刺型感受器，對稱分布約6～7 對刺型感受器（圖2-C）。

2.1.3 上顎 上顎位于上唇的下方，與上唇緊挨。上顎前端有鋒利的切齒，用來切斷食物；后部具有一個粗糙面，用以磨碎食物，因此上顎的硬度較高并且十分發(fā)達(dá)（圖3-A）。

2.1.4 下顎及下顎須 下顎擁有協(xié)助草地貪夜蛾幼蟲刮、切、握、持食物等功能，對上顎起到輔助作用。下顎分為軸節(jié)和莖節(jié)，在兩節(jié)交界處著生2 個長約（15.6±0.19）μm 的毛形感受器（圖3-B）；端節(jié)著生2 個長約（8.51±0.16）μm、寬約（5.8±0.15）μm 的栓錐形感受器和4 個刺形感受器（圖3-B）；下顎須共分為三節(jié)，其遠(yuǎn)端體節(jié)上分布8 個小錐形感受器（圖3-C）。

2.1.5 下唇 下唇由前頦和后頦兩部分組成，下唇須位于前頦前側(cè)的兩端，上面各有1 個刺形感受器和1 個栓錐形感受器，分別長約（14.6±0.52）μm、（11.7±0.36）μm（圖3-D）。下唇上著生有1 個吐絲器，吐絲器的下方著生1 對長約（3.54±0.12）μm 的刺形感受器（圖3-D）。

圖3 草地貪夜蛾2 齡幼蟲口器掃描電鏡圖

2.2 體軀

草地貪夜蛾2 齡幼蟲體長約（7.14±0.13）mm，寬約（1.06±0.04）mm。正面觀與背面觀體節(jié)分節(jié)明顯，可見12 個體節(jié)，其中胸部3 節(jié)，腹部9 節(jié)（圖4-A，B)。幼蟲背部著生大量剛毛，腹部感受器相比背部較多，胸節(jié)腹面具有大量突起。

圖4 草地貪夜蛾2 齡幼蟲正面觀與腹面觀

2.2.1 胸足 草地貪夜蛾2 齡幼蟲共有3 對胸足，每一胸節(jié)上各有1 對胸足（圖5-A）。胸足頂端具有2～5 個爪，呈現(xiàn)彎曲狀；胸足周圍和胸節(jié)上具有數(shù)根刺形感受器與毛形感受器（圖5-B）。第1 胸節(jié)兩側(cè)具有縱向排列的3 個氣孔（圖5-C、圖5-D）。

圖5 草地貪夜蛾2 齡幼蟲胸足及其氣孔

2.2.2 腹足 草地貪夜蛾2 齡幼蟲具有9 節(jié)腹節(jié)，其中第1 腹節(jié)到第6 腹節(jié)的兩側(cè)各有一對氣孔。5對腹足分別著生在第3～6 腹節(jié)以及第9 腹節(jié)上，其中末節(jié)上的足又稱為尾足、臀足。在5 對腹足末端存在數(shù)量不一的趾鉤，數(shù)量為8～10 個（圖5-C）。與胸足相同，腹足上分布大量的刺形感受器、毛形感受器和少數(shù)錐形感受器。

圖6 草地貪夜蛾2 齡幼蟲腹足及其上感受器

3 討論和結(jié)論

草地貪夜蛾具有寄主范圍廣、繁殖能力強、遷飛擴(kuò)散快、暴飲暴食等特點，給防治帶來巨大困難與挑戰(zhàn)。草地貪夜蛾幼蟲的口器為咀嚼式口器，2 齡幼蟲在小喇叭口期和大喇叭口期主要取食葉片，在抽雄吐絲期取食花絲，嚴(yán)重時會危害雌穗籽粒。因此，全面了解2 齡幼蟲頭部、胸足和腹足的感器類型和分布，有助于從形態(tài)結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行鱗翅目幼蟲的分類研究，同時揭示幼蟲取食寄主植物的化學(xué)生態(tài)機制。

本研究采用掃描電鏡觀察了草地貪夜蛾2 齡幼蟲周身感受器的種類、數(shù)量和分布。結(jié)果表明，幼蟲觸角上著生的感受器有錐形感受器、刺形感受器、毛形感受器，以及栓錐形感受器，與5 齡幼蟲和鱗翅目昆蟲大菜粉蝶Pieris brassicae 和云南錦斑蛾Achelura yunnanensis 幼蟲觸角感受器類型完全一致[15-17]。盡管草地貪夜蛾2 齡與5 齡幼蟲觸角上感受器類型一致，但數(shù)量存在一定的差異，因此，昆蟲觸角感器隨著昆蟲發(fā)育過程的改變可能與外界環(huán)境相適應(yīng)有關(guān)[18]。研究表明，毛形感受器和錐形感受器均可以感受植物揮發(fā)物，進(jìn)而定位識別寄主植物完成取食和產(chǎn)卵等重要行為活動[19-20]。如東亞飛蝗Locusta migratoria manilensis 負(fù)責(zé)識別寄主植物的氣味受體基因LmigOR2 和LmigOR12 均在觸角上錐形感受器神經(jīng)元中高度表達(dá)[21]，因此推測幼蟲觸角上錐形感器可能參與了寄主植物識別。此外，刺形感受器在桃小食心蟲C.Walsingham 和朱紅毛斑蛾P(guān)hauda flammansWalker 中推斷具有感知觸覺和味覺刺激的作用[7,22]。與幼蟲觸角毛形感受器不同的是，鱗翅目成蟲觸角上的毛形感受器不僅可以用來感知寄主植物，對于求偶交配、繁衍下一代也極其重要。例如，鱗翅目昆蟲多音天蠶Antheraea polyphemus、甜菜夜蛾Spodoptera exigua和煙青蟲Helicoverpa assulta等成蟲觸角上的毛形感受器中均有高度表達(dá)性信息素受體的嗅覺基因[23-25]。綜上所述，草地貪夜蛾幼蟲觸角擁有感知味覺、嗅覺、與溫濕度的功能，如感知植物氣味進(jìn)而識別寄主植物。

與觸角感器類型一致，草地貪夜蛾2 齡幼蟲口器也分布有錐形感受器、刺形感受器、毛形感受器和栓錐形感受器，與其他鱗翅目幼蟲口器感受器類型相似[20,26]。草地貪夜蛾2 齡幼蟲口器上感受器類型和數(shù)量均多于5 齡幼蟲，有研究表明昆蟲特定部位的觸角感器類型伴隨發(fā)育過程中會消失[18]。刺形感受器是草地貪夜蛾幼蟲口器上數(shù)量最多的類型，根據(jù)該感受器功能推斷其與昆蟲取食時握持食物有關(guān)[27]；其他感受器可能具有定位寄主植物作用[26,28-29]。

草地貪夜蛾2 齡幼蟲胸足、腹足的形態(tài)存在明顯差異，且感受器數(shù)量不一。例如，胸足端部具有2～5 個數(shù)量不一的彎曲型的爪，有報道表明其與鱗翅目幼蟲鉆蛀、取食、爬行有關(guān)[26,30]；腹足末端存在數(shù)量不一的趾鉤，而趾鉤的長短、數(shù)目和排列方式是鱗翅目幼蟲分類鑒定的主要特征之一[31]。此外，胸足和腹足上存在大量的毛形感受器和刺形感受器。刺形感受器除了機械感受外，在爬行過程中對體軀具有一定的支撐和保護(hù)作用[32]。

近年來，關(guān)于昆蟲感受器感知外界環(huán)境的研究備受關(guān)注，通過掃描電子顯微鏡對鱗翅目、半翅目和膜翅目等昆蟲的觸角感器類型和分布開展大量研究。多數(shù)感受器研究集中在成蟲觸角，而作為取食、危害的關(guān)鍵蟲態(tài)幼蟲的報道相對較少。本研究全面觀察了草地貪夜蛾2 齡幼蟲周身的感受器類型、數(shù)量和分布，為鱗翅目幼蟲分類和幼蟲感知寄主植物等功能奠定了理論基礎(chǔ)。