麦长管蚜有翅型与无翅型外部形态比较研究

张方梅, 李祥瑞, 张云慧, 程登发

(中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害生物学国家重点实验室, 北京 100193)



麦长管蚜有翅型与无翅型外部形态比较研究

张方梅, 李祥瑞, 张云慧, 程登发*

(中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害生物学国家重点实验室, 北京 100193)

本研究结合体式显微镜和扫描电镜,对有翅型与无翅型麦长管蚜各龄期的外部形态进行详细测量和系统观察。结果表明:1)麦长管蚜1、2龄若蚜外部形态无明显差别,触角均为5节;2)3龄有翅若蚜中胸发达,可见初生翅芽,至成虫期发育为完整的翅;3龄无翅若蚜中胸结构简单,未见翅芽, 3龄至成蚜触角均为6节;3)1龄若蚜尾片呈瘤状,着生2根刚毛;2、3、4龄若蚜尾片呈圆锥形;有翅成蚜尾片呈长锥形,无翅成蚜呈长舌状,2龄若蚜至成蚜尾片均着生6根以上刚毛。本文首次探讨了麦长管蚜有翅型与无翅型成、若蚜外部形态的差异,并分析了其与麦长管蚜的生活史、迁移特性等特征之间的关系,以期为麦长管蚜分化的相关机理研究提供参考。

麦长管蚜; 外部形态; 触角; 尾片; 有翅型与无翅型

麦长管蚜[Sitobionmiscanthi(Takahashi)]是为害我国麦类作物的优势种群,主要为害小麦穗部和旗叶,导致小麦灌浆不足,引起小麦减产减质。蚜虫具有典型的扩散多型性,受环境因子和遗传因子的调节,在发育过程中可以产生两种不同的生物型:有翅型和无翅型[1-2]。有翅蚜具有发达的飞行肌、复杂的复眼和寄主选择感觉器官,而无翅蚜缺少翅且胸部肌肉组织不发达。有翅蚜和无翅蚜的差异不仅体现在形态上,也包含生活史和行为上[3]。有翅蚜具有较长的发育历期和繁殖期,而无翅蚜发育历期和繁殖期较短,但具有较强的生殖能力[4]。当蚜虫密度升高,寄主营养质量恶化时,会产生有翅蚜迁飞到新的寄主;无翅蚜则大多停留在原地,不进行扩散。

表型可塑性是指有机体在外界环境条件下的不同表型的表达能力,容易受到外界环境条件和遗传因子的控制,在昆虫的形态多样性的进化过程中发挥重要的作用。蚜虫是研究翅二型性的理想昆虫,其翅型分化是内在因子与外在环境条件共同作用的结果。国内外关于翅型分化及其调控机理等方面的研究已经做了大量工作,主要涉及其生态学、生理学、细胞学、遗传学及分子机制等方面[5-9]。蚜虫形态学研究表明,有翅型与无翅型外部形态的主要差异在于3龄阶段是否存在翅芽[10-12]。组织学研究也已经明确,在许多的蚜虫类群中,出生时都有一个翅原基[13],只是在发育成为无翅型的过程中翅原基发生退化。Ishikawa等[10]在组织学水平上研究了豌豆蚜[Acyrthosiphonpisum(Harris)]翅发育的过程,发现所有的1龄若蚜均具有翅原基,在2龄阶段无翅若蚜翅原基发生退化,而有翅若蚜的翅原基继续发育,开始增厚。此外,不同性别的蚜虫其翅原基退化过程也存在差异,无翅胎生雌蚜翅原基消失和飞行肌原基的退化均发生在2龄,而无翅雄性蚜翅原基消失在3龄,飞行肌原基在整个生活史中都存在[11,14]。

本研究结合体视显微镜和扫描电镜技术,对有翅型和无翅型麦长管蚜各龄期的外部形态进行详细测量和系统观察,通过比较有翅型和无翅型外部形态的差异,为麦长管蚜翅型分化的调控机理、组织学、生物学及化学生态学研究提供参考,也为麦蚜的迁飞扩散、寄主选择和综合防控等方面提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试虫饲养及收集

麦长管蚜成虫采自农业部廊坊作物有害生物科学观测实验站小麦田中(39°30′42″N,116°36′7″E),在室内连续饲养多代。取麦长管蚜无翅成虫单独饲养于直径9 cm的一次性培养皿中,铺入定性滤纸,喷施清水,保持湿润。培养皿内放入3～4根水培新鲜小麦(‘北京837’,感蚜品种)供蚜虫取食,每隔3 d更换1次。饲养条件:温度(20±1)℃、光周期L∥D=16 h∥8 h、相对湿度50%～70%。待成蚜产若蚜后,单头接种于新的培养皿中,保证饲喂条件一致。逐日观察其蜕皮次数,收集各龄若蚜及成蚜。

1.2 形态测量样品的制备

将收集好的各龄期若蚜及成蚜用双面胶固定于载玻片上,利用Olympus SZX16体视显微镜对各龄期若蚜及成蚜进行形态测量,每个龄期观察20头,记录各龄若蚜及成蚜的头宽(两复眼间距)、中胸长度(包括前翅芽或前翅)和后足胫节长度。

1.3 扫描电镜样品的制备

取已收集好的麦长管蚜各龄若蚜及成虫,用75%的乙醇清洗3次,超声波清洗仪间断清洗30 s;再经30%、50%、70%、80%、90%、100%乙醇梯度逐级脱水各20 min,无水乙醇重复2～3次。将各龄虫体固定在电镜载物台上,CO2临界干燥仪干燥,真空离子溅射仪喷金(Polaron E 5400 high-resolution sputter)。利用EI Quanta 200型扫描电子显微镜(FEI Company, 荷兰)观察记录麦长管蚜各龄若蚜及成虫、中胸、翅及尾片等的超微结构。

1.4 统计分析

利用SAS 9.1软件进行统计分析,采用两样本平均数成组法t检验对有翅型和无翅型各龄期之间头宽、中胸长度和后足胫节长度进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 麦长管蚜有翅型与无翅型各龄期若蚜及成蚜形态测量比较

体视显微镜形态测量结果表明:麦长管蚜1、2龄若蚜之间除了体型大小有差别外,在其他外部形态上没有明显差别,而3、4龄有翅和无翅若蚜及成蚜的头宽、中胸长度和后足胫节长度均有差异。结果显示:麦长管蚜3龄有翅和无翅若蚜的头宽分别是:(0.315±0.024)mm和(0.304±0.022)mm(P>0.05),差异不显著;4龄有翅和无翅若蚜的头宽分别是:(0.352±0.022)mm和(0.327±0.025)mm(P<0.01);有翅和无翅成蚜的头宽分别是:(0.321±0.032)mm和(0.350±0.022)mm(P<0.01),4龄若蚜和成蚜两翅型头宽之间存在极显著差异(图1)。麦长管蚜3龄有翅和无翅若蚜的中胸长度分别为:(0.268±0.034)mm和(0.223±0.035)mm(P<0.01),4龄有翅和无翅若蚜的中胸长度分别为(0.919±0.072)mm和(0.237±0.041)mm(P<0.01);有翅和无翅成蚜的中胸长度分别为:(3.218±0.435)mm和(0.295±0.052)mm(P<0.01),在3龄若蚜至成蚜的3个龄期中两翅型中胸长度之间均存在极显著的差异(图2)。麦长管蚜3龄有翅和无翅若蚜的后足胫节长度分别为:(0.733±0.092)mm和(0.693±0.070)mm(P>0.05);4龄有翅和无翅若蚜的后足胫节长度分别为(1.024±0.116)mm和(0.941±0.034)mm(P>0.05),有翅和无翅成蚜的后足胫节长度分别为:(1.335±0.153)mm和(1.307±0.142)mm(P>0.05),3龄若蚜至成蚜的3个发育阶段两翅型后足胫节差异均不显著(P>0.05)(图3)。

图1 麦长管蚜有翅蚜和无翅蚜各龄期若蚜及成蚜头宽比较(**:P<0.01)Fig.1 Comparisons of the head width among the nymphs of different instars and adults in winged or wingless forms of Sitobion miscanthi

图2 麦长管蚜各龄期若蚜及成蚜中胸长度比较(**:P<0.01)Fig.2 Comparisons of the mesothoracic length among different nymphs and adults in winged or wingless forms of Sitobion miscanthi

图3 麦长管蚜有翅蚜和无翅蚜各龄期若蚜及成蚜后足胫节比较Fig.3 Comparisons of the hind tibia length among different nymphs and adults in winged or wingless forms of Sitobion miscanthi

2.2 麦长管蚜不同龄期若蚜及成蚜中胸外部形态的比较

麦长管蚜1、2龄若蚜的胸部无明显突起(图4a,b),3龄以上若蚜已可从外部形态上肉眼区分无翅或有翅,3龄无翅若蚜中胸不发达(图4c,e),而3龄有翅若蚜中胸较发达,侧面可见前翅芽和后翅芽,翅芽间未出现重叠(图4d,f);4龄无翅若蚜及无翅成蚜胸部结构较简单(图5a,c方框处),不具有翅结构。而4龄有翅若蚜的翅芽逐渐生长(图5b,箭头处),而且前翅芽发育较快,覆盖后翅芽,有翅成蚜发达的胸部着生两对发育完全的舒展的翅(图5d)。

2.3 麦长管蚜不同龄期若蚜及成蚜触角外部形态比较

不同龄期若蚜的触角均与成蚜期外形相似,触角分为3部分,柄节(scape)、梗节(pedicel)、鞭节(falgellum)(图 6)。但随着龄期的增长,触角的各节长度及节数会发生变化,变化最明显的是鞭节。1、2龄若蚜触角节数相同,均为5节,鞭节(F)由3个鞭小节组成(图6a,b),末端鞭小节的基半部正常,端半部向前延伸逐渐变细;3龄若蚜到成蚜触角节数增加至6节,鞭节由4个鞭小节组成(图6c, d, e)。有翅和无翅成蚜触角外部形态上基本没有差异。麦长管蚜不同龄期若蚜及成蚜触角上,主要包括两种感器:原生感觉器(Pr)和毛状感觉器(St)(图7),原生感觉器比较发达,周围被表面形成的指状突起环绕。而毛状感觉器在各龄期间差异不大。此外有翅成蚜触角上分布有次生感觉圈,而若蚜和无翅成蚜触角上未发现。

图4 麦长管蚜1、2、3龄若蚜外部形态扫描电镜图Fig.4 Scanning electron micrographs of the bodies of the 1st, 2nd, 3rd instar nymphs of Sitobion miscanthi

图5 麦长管蚜4龄若蚜及成蚜外部形态的扫描电镜图Fig.5 Scanning electron micrographs of the bodies of the 4th instar nymphs and adults of Sitobion miscanthi

图6 麦长管蚜各龄期若蚜及成蚜的触角扫描电镜图Fig.6 Scanning electron micrographs of the antennae of the nymphs and adults of Sitobion miscanthi

图7 麦长管蚜2龄若蚜触角感器的扫描电镜图Fig.7 Scanning electron micrograph of the antennal sensilla of the 2nd instar nymph of Sitobion miscanthi

2.4 麦长管蚜不同龄期若蚜及成蚜尾片外部形态的比较

1龄若蚜尾片呈瘤状,肉眼很难辨认清楚,着生有2根刚毛(图8a,箭头处),2龄若蚜尾片开始生长并上翘,长约为0.034 mm,着生的刚毛数量增至6根以上。随着龄期的增长,麦长管蚜尾片的长度也相应增加(有翅蚜和无翅蚜尾片的长度分别为:3龄0.059和0.086 mm、4龄0.122和0.211 mm、成蚜0.179和0.343 mm),在无翅蚜的发育过程中尾片长度增长尤为明显。未羽化为成蚜前,若蚜尾片完全不发育,呈圆锥形(图8c,d,e,f),基部宽大,中部渐细,末端圆钝,其两侧着生成对刚毛,背部着生1根刚毛。两种翅型麦长管蚜自2龄至成蚜过程中,其尾片上的刚毛数量及形状均未发生变化。待羽化为成蚜后,尾片发育完全,有翅成蚜尾片呈长锥形(图8g),而无翅成蚜尾片呈长舌状(图8h)。

图8 麦长管蚜有翅蚜和无翅蚜各龄期若蚜及成蚜尾片外部形态的扫描电镜图Fig.8 Scanning electron micrographs of the caudae of the nymphs and adults of Sitobion miscanthi

3 讨论

头宽(两复眼间距)、中胸长度(包括翅芽和翅基线长度)和后足胫节长度是区别蚜虫若蚜龄期或翅型的重要标准[9]。相对于无翅成蚜来说,有翅成蚜在扩散过程中需要发达的复眼发现寄主植物,复眼越发达,头宽越窄[9]。本研究的形态测量结果也证实麦长管蚜的有翅成蚜和无翅成蚜头宽之间存在极显著差异,有翅成蚜的头宽较窄。中胸长度可以反映蚜虫翅是否分化,随着龄期的增长中胸长度增加,麦长管蚜有翅蚜和无翅蚜3龄、4龄若蚜和成蚜中胸长度均存在极显著的差异。与无翅若蚜的中胸长度相比,有翅蚜的中胸长度随龄期增长的比例明显较大,表明有翅蚜和无翅蚜最明显的差异出现在3龄若蚜翅原基生长的中胸部位。后足胫节在蚜虫的扩散迁移中发挥重要的作用。有翅成蚜飞行迁移到新的寄主植物后需要利用足去寻找适宜的寄主,而无翅蚜的扩散迁移的过程中也需要利用足[10]。后足胫节被认为是识别豌豆蚜[9-10]、豌豆修尾蚜(Megouracrassicauda)[10]、麦长管蚜[15]龄期的最优参数,随着龄期的变化,每一龄期的后足胫节长度也呈现了明显的增长,其长度无论在蚜虫的种内还是种间均存在差异。本研究结果发现后足胫节长度在麦长管蚜不同龄期之间存在差异,但在有翅型和无翅型间没有显著差异,可见后足胫节的长度并不能作为确定麦长管蚜翅型的标准。

本研究表明麦长管蚜1、2龄若蚜无论肉眼还是电镜均无法区分,只能依据其蜕皮的次数来确定其龄期。通过扫描电镜在3龄阶段可区别有翅和无翅若蚜,3龄后期也可在光学显微镜下观察到中胸两侧的小翅芽。虽然1、2龄若蚜胸部外部形态无明显差异,但在其表皮内部已着生有翅原基[13],出生前受母代影响或出生后外界环境因子影响,或者是两者兼有,蚜虫会呈现两种型态,有翅蚜和无翅蚜[1]。不同蚜虫翅型分化的敏感期不同,即使是同种蚜虫的克隆个体翅形成的敏感期也存在差异[1]。豌豆蚜[10-11, 14]和巢菜修尾蚜(Megouraviciae)[16]翅发育的组织学研究已验证,无翅若蚜在2龄阶段翅原基开始发生退化。本研究描述了麦长管蚜翅型的外部形态差异,其无翅蚜翅原基退化的龄期及组织学特征,尚需要结合透射电镜技术进一步研究。

不同种类的蚜虫触角节数存在差异,触角节数还被用于区分蚜虫的龄期。例如可以通过触角节数判断麦双尾蚜(Diuraphisnoxia)的龄期[17]，该蚜虫触角节数1龄为4节,2、3龄为5节,4龄为5或6节,成虫为6节,与麦长管蚜触角节数变化规律不同。麦长管蚜触角节数的分布是1、2龄5节,3龄至成蚜均为6节,这与之前报道的桃蚜(Myzuspersicae)和菊小长管蚜(Macrosiphoniellasanborni)[18]的触角节数变化规律一致。此外,蚜虫的触角上分布着两种感器,这些感觉器决定了其生活习性,包括寄主选择、迁移及交配行为等[19-20]。麦长管蚜的原生感觉器比较发达,周围被指状突起环绕,有力地阻止外界物质进入。毛状感觉器着生在触角的各节,分布在不同部位的毛状感觉器可能具有不同的功能,在蚜虫的取食和迁移过程中,不仅可以协同其他感觉器对寄主植物进行选择也可以防御天敌[21]。

同种不同龄期的蚜虫其尾片形状和体积也有差异。尾片的长度、形状及着生的刚毛数量也常作为判断龄期的标准。刘波[22]利用逐步判别分析法对无翅型豆蚜(Aphiscraccivora)龄期进行研究,将尾片的长度作为一个因子应用于豆蚜龄期判别模型的建立; Lykouressis[23]编制了麦长管蚜龄期检索表,指出1龄若蚜尾片上着生2根刚毛,2龄至成蚜尾片上着生5根以上的刚毛,与本研究结果基本一致。

本研究详细描述麦长管蚜有翅型与无翅型各龄期外部形态结构的差异,为确定麦长管蚜若蚜龄期,监测麦长管蚜种群动态提供理论基础。但是完整准确地表述麦长管蚜有翅型和无翅型的形态差异,仅从外部形态上并不足以描述,尚需要结合透射电镜技术,为进一步开展麦长管蚜后胚胎发育时期翅型分化的组织学及分子机制的研究提供参考。

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(责任编辑：田 喆)

Morphological examination of winged and wingless forms of the grain aphidSitobionmiscanthi

Zhang Fangmei, Li Xiangrui, Zhang Yunhui, Cheng Dengfa

(State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests, Institute of Plant Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

The external morphology of winged and wingless forms of the grain aphidSitobionmiscanthiwas studied by using stereo microscope and scanning electron microscopy. The results showed that: 1) There were no obvious external differences between the 1st and 2nd instar nymphs. The antennae of both instars had five segments. 2) The middle thorax of the winged nymph since the 3rd instar was greatly enlarged and the wing buds could not be identified until integral wing developed in winged aphid adults. However, the 3rd instar nymphs without wing buds became wingless adults. The antennae consisted of six segments from 3rd instar stage to adult. 3) The cauda of the 1st instar nymphs were tuberculiform-shaped, and armed with two acicular setae. It became conical shaped among 2nd, 3rd and 4th instar stages, and then was enlarged into long taper or long-tongue shaped in the winged or wingless adults, respectively. Additionally, more than 6 setae were present from 2nd instar stage. The differences in the morphology of winged and wingless forms ofS.miscanthiwere compared and the relationship with their life history and migration characteristics were discussed, which would provide theoretical basis for the study of the wing dimorphism of aphids.

Sitobionmiscanthi; external morphology; antenna; cauda; winged and wingless

2014-05-21

2014-08-13

国家自然科学基金(31301659);国家科技支撑计划(2012BAD19B04);现代农业产业技术体系(CARS-03)

Q 964，S 435.122.2

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.04.010

* 通信作者 E-mail:dfcheng@ippcass.cn