紅火蟻雄蛹的發(fā)育過(guò)程及其形態(tài)變化

高夢(mèng)悅，黃昱軻，鄭淇元，馮波，*

(1.溫州醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生與管理學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.綿陽(yáng)師范學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

紅火蟻(SolenopsisinvictaBuren)隸屬于膜翅目(Hymenoptera)、蟻科(Formicidae)、火蟻屬(Solenopsis)，作為一種高度分化的社會(huì)性昆蟲(chóng)，是全球上百種最具破壞力的入侵生物之一，原產(chǎn)于南美洲[1]。2004年第一次在我國(guó)臺(tái)灣發(fā)現(xiàn)。截至2022年，紅火蟻快速入侵到我國(guó)浙江、福建、江西、湖北、湖南、廣東、廣西、海南、重慶、四川、貴州、云南等12 個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)的 579 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)域。

自紅火蟻入侵以來(lái)對(duì)我國(guó)產(chǎn)生了嚴(yán)重的后果。首先，紅火蟻?zhàn)鳛殡s食性昆蟲(chóng)，不僅可以取食農(nóng)作物、植物等各個(gè)部位，也可以取食無(wú)脊椎動(dòng)物，攻擊脊椎動(dòng)物[2]，使得入侵地農(nóng)業(yè)大幅度減產(chǎn)，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞[3]。其次，紅火蟻的攻擊性很強(qiáng)，一旦受到驚擾工蟻便會(huì)傾巢出動(dòng)[4]。人被叮咬后，叮咬部位會(huì)產(chǎn)生瘙癢、疼痛感，不久后會(huì)起水泡，水泡形成膿包進(jìn)而形成永久性疤痕[5]。被嚴(yán)重叮咬者或?qū)t火蟻毒液過(guò)敏者，會(huì)出現(xiàn)蕁麻疹、頭暈惡心、嘔吐、休克甚至死亡等情況[6-7]。最后，紅火蟻的電感性很高，導(dǎo)致電子設(shè)備經(jīng)常受到紅火蟻干擾，如：變壓器箱、交通信號(hào)箱等，造成電線短路、設(shè)備故障，間接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失[8-9]。

紅火蟻的發(fā)育需要經(jīng)過(guò)卵、幼蟲(chóng)、蛹、成蟲(chóng)4個(gè)時(shí)期，其中成蟲(chóng)包括蟻后、雄蟻和工蟻3個(gè)品級(jí)。卵為卵圓形或橢圓形，顏色為乳白色，發(fā)育為幼蟲(chóng)大概需要7～14 d。幼蟲(chóng)總共分為4個(gè)齡期，為乳白色至淡黃色，12～15 d后幼蟲(chóng)化蛹。蛹形態(tài)與成蟲(chóng)基本一致，并根據(jù)觸角可分辨雌雄。工蟻蛹期8～13 d、繁殖雌蟻12～16 d、雄蟻11～15 d[10]。繁殖蟻羽化且發(fā)育成熟后，會(huì)在合適的環(huán)境、溫濕度條件下進(jìn)行婚飛交配[11]，每年的5～8月份是婚飛高峰期。交配后，雌蟻脫翅成為無(wú)翅蟻后，建立新的蟻巢[12]。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)紅火蟻各品級(jí)的成蟲(chóng)以及各時(shí)期蟲(chóng)態(tài)的形態(tài)特征進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述[13-14]，但是這些描述并沒(méi)有涉及紅火蟻的化蛹、蛹發(fā)育及羽化過(guò)程。

蛹期是紅火蟻從幼蟲(chóng)發(fā)育為成蟲(chóng)必須經(jīng)歷的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，該時(shí)期一邊分解幼蟲(chóng)原有的組織器官，一邊形成成蟲(chóng)所需要的內(nèi)部器官[15]，是繁殖蟻生殖系統(tǒng)形成的重要時(shí)期。準(zhǔn)確掌握紅火蟻化蛹、蛹發(fā)育及羽化過(guò)程，對(duì)研究紅火蟻的生殖系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程、性成熟等具有重要意義。本研究利用顯微觀察詳細(xì)研究了紅火蟻幼蟲(chóng)化蛹、雄蛹發(fā)育及雄蟻羽化的整個(gè)過(guò)程，目的在于明確紅火蟻雄蛹發(fā)育的形態(tài)特征變化，為進(jìn)一步研究紅火蟻生殖系統(tǒng)發(fā)育、性成熟及基于蛹和成蟲(chóng)的RNA干涉等奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試蟲(chóng)源與飼養(yǎng)

紅火蟻來(lái)自四川省綿陽(yáng)市涪城區(qū)田間采集的多蟻后種群。將野外的紅火蟻種群轉(zhuǎn)移至內(nèi)壁涂有滑石粉的20 L塑料桶中[16]，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)放置1～2 d，再用滴水法將紅火蟻蟻群與土壤分離并形成蟻閥，分離出四齡幼蟲(chóng)。準(zhǔn)備30只四齡幼蟲(chóng)，將每只四齡幼蟲(chóng)與30～50只工蟻以及少量工蟻幼蟲(chóng)飼養(yǎng)于內(nèi)徑60 mm的培養(yǎng)皿中。培養(yǎng)皿內(nèi)壁涂上滑石粉防止紅火蟻逃逸，培養(yǎng)皿中放置約80 g田間采集的濕潤(rùn)土壤。用蘸有10%葡萄糖溶液的棉花團(tuán)及切碎的火腿腸作為食物。每日更換新的棉花團(tuán)和火腿腸。飼養(yǎng)條件為：溫度27.0±1.0 ℃、相對(duì)濕度(70.0±5.0)%、 光照∶黑暗為14 h∶10 h[17]。

1.2 四齡幼蟲(chóng)和蛹的形態(tài)觀察

從四齡幼蟲(chóng)放入培養(yǎng)皿飼養(yǎng)后，開(kāi)始每天觀察。具體方法如下：每天用鑷子輕輕撥開(kāi)濕潤(rùn)土壤，尋找到幼蟲(chóng)、蛹或新羽化的成蟲(chóng)后，通過(guò)藥勺將蟲(chóng)體轉(zhuǎn)移至干凈的培養(yǎng)皿中，于SMZ-171(麥克奧迪，中國(guó))體視顯微鏡下觀察，記錄幼蟲(chóng)和蛹的發(fā)育過(guò)程，并利用Moticam2506數(shù)碼系統(tǒng)(麥克奧迪，中國(guó))拍攝形態(tài)照片，比較四齡幼蟲(chóng)化蛹、雄蛹發(fā)育、成蟲(chóng)羽化過(guò)程中的形態(tài)變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅火蟻化蛹前幼蟲(chóng)的外部形態(tài)

即將化蛹的紅火蟻幼蟲(chóng)體長(zhǎng)為3.8～4.5 mm，白色或淡黃色，呈卵圓形。頭部較小，表面光滑；上顎褐色，堅(jiān)硬。胸部飽滿(mǎn)，表面光滑，靠近中部有一條細(xì)微褶皺，為發(fā)育中蛹的頭部和胸部分界。腹部表面有明顯褶皺，從側(cè)面看可分為8個(gè)腹節(jié)；相對(duì)于腹部中部，兩側(cè)及末端變得扁平，形成裙邊一樣的結(jié)構(gòu)。頭部和腹部端部向腹面彎曲，致使身體彎向腹面。此階段已無(wú)法看到腹部?jī)?nèi)的消化系統(tǒng)和白色脂肪顆粒(圖1)。

A—幼蟲(chóng)側(cè)面，藍(lán)色線條范圍為幼蟲(chóng)頭部，綠色線條范圍為幼蟲(chóng)胸部，白色線條范圍為幼蟲(chóng)腹部；B—幼蟲(chóng)腹面；圖中豎線為2 mm比例尺。圖1 紅火蟻化蛹前幼蟲(chóng)Fig.1 The larvae of the red fire ants before pupation

2.2 紅火蟻幼蟲(chóng)的化蛹過(guò)程

根據(jù)表現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)差異可以將紅火蟻幼蟲(chóng)的化蛹過(guò)程劃分為4個(gè)階段(圖2)。第一階段(圖2中A和B)：四齡幼蟲(chóng)腹部外側(cè)原本皺縮成“裙邊”的被膜繼續(xù)皺縮至緊貼幼蟲(chóng)腹部，蟲(chóng)體近似圓筒形；蛹的頭部和前胸開(kāi)始分化，致使幼蟲(chóng)胸部前端出現(xiàn)輕微內(nèi)陷；腹部末端向頭部處彎曲，從側(cè)面看整個(gè)身體呈現(xiàn)彎鉤形。第二階段(圖2中C和D)：蛹胸腹部及胸部附肢開(kāi)始發(fā)育，胸腹連接處開(kāi)始向內(nèi)縊縮，致使身體中部明顯變窄，腹面隱約可見(jiàn)足的形態(tài)。第三階段(圖2中E)：蟲(chóng)體盡管被被膜包裹，但已經(jīng)呈現(xiàn)出蛹的形態(tài)；蛹的腹部分節(jié)明顯；足和翅膀除基部外，其余部分明顯從身體表面脫離。第四階段(圖2中F～H)：蛹通過(guò)蠕動(dòng)身體依次將被膜從頭部至腹部脫落；整個(gè)蛻皮過(guò)程大約持續(xù)1 h，但是頭部、胸部蛻皮僅需短短數(shù)分鐘即可完成蛻皮完成后，雄蛹如圖。

A～B—第一階段；C～D—第二階段；E—第三階段；F～H—第四階段；I—紅火蟻蛹；圖B和圖D為腹面觀，其余圖片為側(cè)面觀；圖中豎線為2 mm比例尺。圖2 紅火蟻幼蟲(chóng)的化蛹過(guò)程Fig.2 Pupation of fourth instar larvae of red fire ants

2.3 紅火蟻雄蛹的發(fā)育過(guò)程

根據(jù)不同發(fā)育時(shí)期紅火蟻雄蛹表現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)差異可以將紅火蟻雄蛹的發(fā)育過(guò)程分為7個(gè)階段(圖3)。第一階段為新化蛹(圖3中A)：體為黃白色；從側(cè)面看觸角、足、翅透亮；腹部有六個(gè)體節(jié)，可見(jiàn)少量脂肪體；復(fù)眼為淺赭紅色。第二階段(圖3中B)：體色加深為黃色；復(fù)眼和單眼整體呈黑色；翅基部周?chē)鸀榧t棕色。第三階段(圖3中C)：腹部除結(jié)節(jié)外明顯呈灰色，頭部稍稍變灰，顏色深于胸部和腹結(jié)節(jié)。第四階段(圖3中D)：頭部與胸部顏色加深至灰棕色，導(dǎo)致翅基部周?chē)伾c胸部顏色融合；腹部顏色繼續(xù)加深至深灰色，而腹結(jié)節(jié)變?yōu)榛疑?。第五階段(圖3中E)：頭部、胸部變?yōu)樯罨疑?，顏色仍弱于?fù)眼；腹部呈灰黑色；足除跗節(jié)外為灰棕色；觸角端半部及翅膀仍然為透明。第六階段(圖3中F)：頭部、胸部、足(跗節(jié)除外)、觸角基部灰黑色，腹部呈黑色；足跗節(jié)及觸角端半部淺紅棕色；體壁未完全角質(zhì)化。第七階段(圖3中G)：蛹除翅膀外完全黑化，體壁變硬角質(zhì)化，表面緊貼透明表皮，即將羽化。

2.4 雄性紅火蟻的羽化過(guò)程

根據(jù)紅火蟻羽化過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)差異可以將紅火蟻的羽化過(guò)程分為兩個(gè)階段，身體蛻皮期和展翅期。首先蛻皮的部位是足和觸角(圖4中A)，接著利用足將表皮從頭部到腹部逐一去除。蛻去表皮的蛹已經(jīng)可以爬行，除翅膀尚未展開(kāi)外，形態(tài)與雄蟻成蟲(chóng)一致。展翅期：蛹的翅膀從翅基部慢慢展開(kāi)(圖4中B)，待翅膀完全展開(kāi)后，雄蟻羽化成功(圖4中C)。

A—蛻皮期(側(cè)面觀)；B—展翅期(背面觀)；C—雄蟻(背面觀)；圖中豎線為2 mm比例尺。圖4 雄性紅火蟻的羽化過(guò)程Fig.4 Eclosion of male red fire ants

3 討論

本實(shí)驗(yàn)在自然條件下研究了紅火蟻雄蟻從四齡幼蟲(chóng)羽化為成蟲(chóng)的整個(gè)過(guò)程，共涉及了四齡幼蟲(chóng)化蛹、雄蛹發(fā)育以及雄蟻羽化3個(gè)時(shí)期。紅火蟻四齡幼蟲(chóng)化蛹之前，其頭胸腹以及附肢、翅芽等已經(jīng)分化成形，在顯微鏡下可直接觀察到蟲(chóng)體形態(tài)所發(fā)生的變化，而這與擬黑多刺蟻有著極大的差異。擬黑多刺蟻的老熟幼蟲(chóng)在化蛹前會(huì)吐絲結(jié)成較為飽滿(mǎn)的黃白色繭，只有通過(guò)解剖才能觀察到裸蛹的形態(tài)[18]。同樣螟蛉盤(pán)絨繭蜂的幼蟲(chóng)在化蛹也會(huì)形成紡錘狀的繭，之后再完成蛹的發(fā)育。雖然三者都是膜翅目昆蟲(chóng)，但幼蟲(chóng)化蛹的過(guò)程不盡相同。

紅火蟻四齡幼蟲(chóng)蛻皮后蟲(chóng)體進(jìn)入蛹期。蛹期是完全變態(tài)類(lèi)昆蟲(chóng)從幼蟲(chóng)向成蟲(chóng)轉(zhuǎn)變所必須經(jīng)歷的一個(gè)蟲(chóng)態(tài)，成蟲(chóng)的組織器官逐漸形成，所以蛹期是成蟲(chóng)生殖系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期。本研究發(fā)現(xiàn)，紅火蟻雄蛹體色隨發(fā)育時(shí)間整體逐漸加深，與銅綠蠅[19]、大黃蜂[20]等其他完全變態(tài)類(lèi)昆蟲(chóng)蛹體的著色變化一致。但紅火蟻和大黃蜂都是從眼睛先開(kāi)始著色，接著再是身體，而銅綠蠅的著色順序則是從翅和足根部開(kāi)始，接著是胸腹，最后復(fù)眼顏色才開(kāi)始變紅。根據(jù)紅火蟻雄蛹的著色變化特征將雄蛹的發(fā)育過(guò)程分為了7個(gè)階段，而銅綠蠅的蛹期則根據(jù)蛹體具有時(shí)間標(biāo)志性的形態(tài)變化可劃分為8個(gè)階段，在顯頭期其頭、胸、腹才分化出來(lái)，同時(shí)出現(xiàn)翅、足和復(fù)眼輪廓。這可能是因?yàn)殂~綠蠅與紅火蟻不屬于同一目昆蟲(chóng)。

蛹發(fā)育完全后，蛻去最后一層表皮成為成蟲(chóng)的過(guò)程為羽化。紅火蟻雄蛹羽化時(shí)，先將身體表面的表皮蛻掉，再?gòu)某峄块_(kāi)始舒展翅膀，直到翅膀完全展開(kāi)。盡管海南亞春蜓屬于不完全變態(tài)昆蟲(chóng)，但其羽化過(guò)程和紅火蟻相似，也是蟲(chóng)體先出殼再展翅[21]。紅火蟻雄蟻展翅后，形態(tài)不再有變化。而海南亞春蜓展翅后蟲(chóng)體顏色逐漸變深，翅膀稍微變硬，腹部完全伸直。也有部分完全變態(tài)昆蟲(chóng)存在先展翅后蛻皮的情況，如紅頸常室繭蜂[22]在蛹期的第8日齡翅芽才分化，第9日齡翅芽蜷縮生長(zhǎng)，第12日齡雄蜂翅完全伸展開(kāi)后，紅頸常室繭蜂才開(kāi)始羽化。

本研究對(duì)紅火蟻四齡幼蟲(chóng)發(fā)育為雄蟻的全部形態(tài)特征變化進(jìn)行了觀察，較為全面地掌握了紅火蟻前蛹期、蛹期、羽化期的形態(tài)變化過(guò)程，為進(jìn)一步研究紅火蟻雄蟻生殖系統(tǒng)成熟和紅火蟻發(fā)育的分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)。