刺探电位图谱（ＥＰＧ）技术的原理与发展

胡想顺　刘小凤　赵惠燕

摘要刺探电位图谱(EPG)术是用来记录刺吸式口器昆虫口针在寄主组织中刺探行为的电信号变化特征的技术，主要用于昆虫刺探(取食)、传毒行为，植物抗虫机制等的研究，本文对其发展历史、基本原理、波形特征和生物学意义进行了综述，并讨论了该技术目前存在的问题及应用前景。

关键词刺吸式口器昆虫；刺探电位图谱(EPG)；电生理

中图分类号Q 967

电信号是生物体内信息传递的主要方式之一)，刺探电位图谱(electrical penetration graph，EPG)技术是一种用来记录刺吸式口器昆虫口针在寄主组织中的刺探行为引起的电信号变化特征的技术，该技术使昆虫口针在寄主组织中的准确定位成为可能。这对研究这类昆虫的刺探(取食)、传毒行为，了解植物抗虫机制和昆虫寄主选择机制有重要的意义。

1刺探电位图谱(EPC)技术及应用情况

Mclean和Kinsey首次设计了电子取食监测仪(electricalfeedingmonitor)，用于检测蚜虫口针在植物组织内的取食行为，初步证明蚜虫的不同刺探行为和蚜虫口针在植物组织中不同位置的输出波形不同。此后历经40多年的不断改进，特别是TJallingii采用直流回路系统和高值输入阻抗(10⁹Ω)后，使其成为一项可将生物微电流(mV)放大50～5 000倍，输出波谱图的准确性、细致性和重复性更高的技术，这就是EPG技术。

2EPG技术的基本工作原理

将昆虫与植物分别连人生物电流放大器的昆虫电极和植物电极，昆虫电极是一段长2～3 cm，直径10～20 μm的金(银或铂)丝，末端用水溶性导电银胶粘在昆虫的前胸背板上，植物电极插在植物生长的土壤中，当昆虫口针刺人植物组织时，回路接通，回路电流经放大器放大后输出一系列电流波谱(图1)。由电阻变化引起的电势波动称为电阻(R)成分，由生物电生理变化引起的电势波动称为电动势(emf)成分。调节放大器的输入电压可区分这两种成分：极性及幅度随输入电压而变化的是R成分，否则是emf成分—”。基于交流电路设计的系统称为AC-EPG，其R成分和emf成分的变换都可引起输出电压的变化。基于直流电路设计的称为DC-EPG，DC-EPG的R成分固定，输出电压的变化仅为emf成分，目前应用较多。

实验证明，连入电路的蚜虫受银胶挥发性有机溶剂的毒害和电流对其肌肉、神经、感觉器官以及微粒和离子运输、唾液分泌的干扰都可忽略，但金丝对蚜虫的束缚却明显减少了蜜露分泌，降低了繁殖力和寿命，迫使蚜虫可能在它不喜欢的寄主(部位)取食(自由蚜虫可选择离开)。

3EPG的基本特征与生物学意义

EPG技术应用于实践需要解决的关键问题是建立昆虫行为和口针在寄主不同组织中时与输出的电位波形图之间的对应关系，前人结合透射电镜、同位素示踪、口针切割等技术已明确了蚜虫的8种基本波形(np，A，B，C，E，F，G，pd，图2)的生物学意义。

3．1蚜虫的八种基本波形

3．1．1A波

蚜虫口针刚与植物表面接触导电状态的反映，频率5～15 Hz，不稳定，幅度变化大，历时5～20 s。A波总伴随着水溶性唾液的分泌。

3．1．2B波

紧随A波之后，峰值较高，每隔5—8 s有一次有规则的重复。B波都伴随着凝胶型唾液的分泌，凝胶型唾液能形成保护口针的唾液鞘，此时蚜虫的口针位于表皮及薄壁组织内。

3．1．3C波

C波与B波无截然的界限，是EPG波中最复杂的波型。C波最典型的特征是有很多电势落差(potentialdrops，简写为Pd波)。C波阶段蚜虫的口针位于表皮与微管束之间，反映的是胞外电势水平。C波可以发生在任何组织中。在判读中，一般将一些不能明确区分的波归人C波，统计时A波、B波也归人C波。

3．1．4Pd(potentialdrops)波

变幅一50mV到一180mV，每次持续5一15 s，分3个亚波段：Pd—I，Pd—Ⅱ，Pd-Ⅲ。从细胞外经细胞膜进入细胞内有一个约100 mV的电势跌落，反之也一样。Pd波反映了口针刺破细胞膜时所测的膜内外电位差。

3．1．5E波

E波的电势落差相当于Pd波水平，反映了口针刺探韧皮部筛管的过程。E波可以分为E1(2～4 Hz)、E2(4—7 Hz)两个亚波和二者的混合波E1bE2，E1为主动分泌水溶性唾液到筛管中，E2为筛管中被动吸收的过程。

3．1．6F波

F波频率达11—16 Hz，只出现在胞外水平。F波是口针在细胞膜外胞间或细胞壁内的机械穿刺受阻的波形，与抗性关系密切。

3．1．7G波

G波也是一种胞外水平的波形，频率范围在4—6 Hz。是昆虫在木质部主动吸食的波形。

3．1．8np波

非刺探(电路未接通)波形。

3．2其他的EPG波形

蚜虫口针的刺探总体为3个阶段：刺探途径阶段(C波)，木质部阶段(G波)和韧皮部阶段(E波)。其他刺吸式昆虫与此相似，如粉虱、飞虱、叶蝉、蝽、螨以及蓟马，但也有变异。此外。也有一些生物学意义并不十分清楚的波形如重复Pd波(R—Pd)、点G波、E0波和变异的F波等的报道。

3．2．1H波和L波

温室白粉虱(Trialeurodesvaporariorum)成虫的C波可区分为4种亚波，并组成3种波序。幼虫的波形分为表示吸食的高频H波和非吸食的低频L波，H波的长短反映了韧皮部汁液的质量。而产卵波可区分为Ovi-I(产卵器划破叶面)和Ovi-Il(产卵过程，粉虱卵依靠卵柄插入叶组织中，故产卵器脱离叶组织后仍保持导电状态，直至卵粒脱离母体)。木薯粉蚧(Phenacoccusherreni)被3种寄生性跳小蜂寄生后，在胞外水平出了一种可能与压力反应相关的类似E2波的新波形——H波。

3．2．2P波、Q波和R波

蓟马取食过程的波形，P波(时间为1 s或更短)表示取食开始，Q波(至少l一2s)可能是分泌唾液，是病毒传播所必需的，R波(超过10 S)常伴随产生疤痕。

3．2．3重复Pd波(R-Pd波)

Mclean和Kinseyl968年就发现了这种波，Tjallinglii也观察到了这种波。R-Pd波序列大多发生在正常Pd波后，E波前，持续时间是正常Pd波的2—3倍，主要由Pd-II持续时间的延长引起。两个R-Pd波的间隔明显短于正常Pd波的间隔。由于筛管伴胞复合体中的转膜电位比正常薄壁组织的低，R-Pd波的幅度低于正常的Pd波幅，因

此，R-Pd波有可能反映了筛管或伴孢的穿刺(正常的Pd波可能反应的是在不同的薄壁细胞中的穿刺)，而持续不变的R-Pal波序列可能是仅在一个筛管细胞或一个筛管细胞和一个伴胞中的反复穿刺。

3．2．4点G波、E0波和变异的F波

点G波频率与G波相似，点G波可能是蚜虫在刺探途径阶段(C波阶段)的试探性主动吸食过程；一些抗蚜小麦品种中，紧接E1波之前常有一段小于10 s的和np波相似的波，可能表现的是蚜虫口针刚到达韧皮部时短暂的判断、休息和适应过程；11～16 Hz的F波中常会出现一些2～4 Hz的次级波，该波可能与口针阻塞(营养抑制物、营养不良或抑制唾液分泌的蛋白)有关。另一种F波和AC-EPG系统中的粉虱口针回撤波形极为相似，可能是蚜虫口针遇阻后口针的重复回撤与刺探行为。

4 EPG技术的应用

EPG技术可用于协助理解环境因素(其他生物)对刺吸式昆虫取食影响的研究，探讨寄主植物对昆虫的抗性机制如抗性因子定位、化学物质或其诱导的对昆虫的抗性，研究刺吸式口器昆虫的刺探、取食机制及传毒机制，也可以于刺吸式口器昆虫的寄主专化型等等的研究中。笔者将另文论述。

5展望

一些基本波形与刺吸式昆虫取食行为间的对应关系虽然已建立，但EPG波形特别是C波阶段的波形中还有许多生物学意义不明但可以明显区分的亚单元波，这些都有待技术的进一步完善与深入研究。

刺吸式口器昆虫与寄主植物的对应关系很复杂。因此不断有新波形被发现和描述，证实了EPG波形不仅有稳定性，同时也有其多样性。

虽然金(银或铂)丝十分纤细，但对昆虫的束缚作用却很明显，要使昆虫能在更大的范围活动，需要柔韧性更好，重量更轻的导电材料，这有赖于新材料新技术的发展。昆虫与电极间的连接也是亟待解决的问题，该技术的解决将有助于将EPG技术用于其他一些较大型的昆虫与其寄主之间关系的研究中。

EPG图谱分析和统计经历了最初的手工统计、Stylet系列软件和Probing系列软件的发展，但即使是Probing3．0版本软件也需要人工辅助电脑分析统计，耗时耗工，因此还有待于自动化程度更高的软件开发成功。