米象触角及其感器的超微结构观察

姚富姣， 何　磊， 李亚霄， 杨　艳， 周津汀， 赵紫含， 魏朝明

(陕西师范大学 生命科学学院， 陕西 西安 710119)



米象触角及其感器的超微结构观察

姚富姣， 何磊， 李亚霄， 杨艳， 周津汀， 赵紫含， 魏朝明*

(陕西师范大学 生命科学学院， 陕西 西安 710119)

摘要：通过扫描电子显微镜对雌雄米象触角的超微结构及其感器的形态与分布进行了观察与研究。结果表明：米象的触角为膝状，包括柄节、梗节和鞭节三部分，共8节。米象触角有3种类型、6种亚型的感器，分别为三种锥形感器(Sensilla basiconic, SB 1-3)、一种刺形感器(Sensilla chaetica, SC)以及两种毛形感器(Sensilla trichodea, ST 1-2)。雌雄米象触角感器，在类型、数量及分布上均无显著差异，且无性二型现象。米象触角感器在分布上最大的特点是，感器并非均匀散布于整个触角，而是聚集于鞭末节末端形成感器簇，其他鞭节、柄节和梗节上触角感器分布很少且类型单一。用触角感受器无法区别米象和玉米象两个近缘种，通过雄性外生殖器的形态学差异来鉴定两个种仍然是最好的方式。

关键词：米象； 储粮害虫； 触角感器； 扫描电子显微镜

米象Sitophilusoryzae(Linnaeus)隶属于鞘翅目Coleoptera象虫科Curculionidae，在世界上很多国家和地区广泛分布。该虫不仅严重危害各类谷物种子及其加工品的储存，而且对某些干果、油料、药材也有危害[1]。唐为民等的研究指出，每年全世界米象成虫对粮食储存造成的损失达到5.65%[2]。长期以来，全世界对米象的防治主要采用化学药物，但由于长期不合理的使用，全世界多个地区米象对各种药物产生了极强的抗性，使得化学防治遭遇严峻的挑战[3]。

昆虫触角上生有许多不同类型的感器，是昆虫主要的感受器官，其功能主要是感受外界刺激，例如声音、温度、湿度等信息[4]。正是这些感器为昆虫感知空气中各种各样的信息提供物质基础，才能使昆虫做出正确的行为反应。王桂荣等的研究表明，昆虫触角及其感器对昆虫觅食、求偶、产卵和选择栖息地有重要的作用[5]。利用昆虫的这一特性诱杀储粮害虫，可达到预防害虫暴发的目的。这种防治方法不杀害天敌，不污染环境，具有很好的应用前景。

自1964年Schneider报道了触角感器以后，越来越多的感器类型相继被发现。刺形感器、锥形感器、毛形感器、钟形感器、腔锥形感器以及Böhm氏鬃毛等是鞘翅目昆虫中比较常见的感器类型[6]。感器具有高选择性、高灵敏度等特点，根据其执行功能的不同，可分为机械感受器、化学感受器、温湿度感受器和味觉感受器等[5]。利用昆虫触角感器防治害虫的例子不胜枚举，牛至、百里香、罗勒的提取物极大地提高了温室内白粉虱(Trialeurodesvaporariorum)的诱捕率[7]，松树的提取物大量地吸引了老房子中的北美家天牛(Hylotrupesbajulus)，从幼虫中提取的信息素可以调节雌性产卵行为[8]。因此，研究米象触角及其感器对于米象的防治具有重要的意义。

本研究从触角感器出发，首次采用扫描电子显微镜观察了米象触角及其感器的超微结构、形态特征及分布情况。结合本实验的观测及已报道的触角电位反应，推测各感器可能具有的功能，揭示米象的行为反应和识别机制，为防治米象的爆发提供理论基础。

1材料与方法

1.1供试昆虫

米象源自于中国成都储粮研究所，经本实验室培养供实验用。培养方法：将当年新小麦水洗后，置入鼓风电热恒温干燥箱中，经60℃烘干4 h后取出，待其冷却后，加入米象培养瓶中，用于饲养试虫。使用恒温恒湿培养箱，在(25±1)℃、65%±5% RH条件下培养试虫[9]。随机选取若干羽化3周、活动能力强的成虫作为供试昆虫。

1.2扫描电镜样品制备

选取成虫数10头，迅速放入75%乙醇中，超声处理5 min，以除去虫体及触角上的小麦和面粉残渣。在解剖镜下，通过解剖生殖器辨别雌雄个体。选取雌雄个体各5只，解剖得到完整触角，分装于不同离心管中。将雌雄触角分别置于2.5%、pH 7.4的戊二醛内，于4℃冰箱中固定2 d[10]。用蒸馏水洗去固定液，依次用体积分数为15%、25%、35%、45%、55%、65%、75%、85%、95%、100%乙醇溶液各脱水15 min，用乙酸异戊酯∶无水乙醇比例分别为1∶3、1∶2、2∶3及1∶0的溶液各置换20 min，从体积分数为100%的乙酸异戊酯取出后，自然干燥2 h。1.3样品镀膜及观察

待样品彻底干燥后，将触角用导电胶按背面、腹面、双侧面粘在电镜观察台上。用MST-1S型离子溅射仪喷金镀膜1 min，在HITACHI-3400N扫描电子显微镜下观察拍照，并测量各参数。

1.4数据统计与图像处理

本文各种感器的命名按照Schneider[5]和Jefferson[11]的命名方法。使用Adobe Photoshop CS6进行图片的处理。使用SPSS 16.0、Excel、GraphPad Prism进行数据的处理，性别之间的差异、各亚节的差异及各感器的差异用T检验来统计评价，以均值±SD来表示。

2结果与分析

2.1触角的一般形态

米象触角为膝状触角，着生于喙基部1/3～1/4处，雄虫触角长875～994 μm，雌虫触角长872～956 μm(图1)。雌雄触角均由8节构成，柄节(scape, S)、梗节(pedicel, P)各1节，鞭节(flagella, F)6节，鞭末节膨大成椭圆形，端部多种感器聚集成感器簇。

触角基部着生于触角窝内，各节中柄节最长，雄虫柄节长294～393 μm，雌虫柄节长319～368 μm。梗节较短，基部着生于柄节末端侧缘，自然情况下，梗节与柄节成90°夹角。雄虫梗节长87～103 μm，雌虫梗节长77～101 μm。鞭节分为6鞭亚节，靠近基部的5亚节较为短小，第6鞭亚节较长且膨大，末端密集生有多种触角感器，是米象触角的主要感受部位。雄虫鞭节长449～502 μm，雌虫鞭节长462～518 μm。触角具体长度见表1。经分析，雌雄触角各节的长度和宽度均没有显著性差异(P>0.05)，总长度上也没有显著差异(P>0.05)。

*.N=5，P>0.05。

据统计，雌雄触角柄节较其他各节长；梗节仅有1节，且不具柄节支持功能，长度短于柄节和鞭节，但仍长于除鞭末节以外的其他鞭亚节；鞭节在3段触角分节中最长，但由于鞭节包含6个亚节，鞭末节很长，因此其他鞭亚节都相对较短。各节长度之比及所占总长比例见表2。

*.N=6。

2.2触角感器的类型

米象触角感器有3种类型、6种亚型，分别为锥形感器(Sensilla basiconic, SB)、刺形感器(Sensilla chaetica, SC)以及毛形感器(Sensilla trichodea, ST)。米象不同于其他昆虫，触角感器主要分布于鞭末节末端的感器簇中(图2A)，以刺形感器和锥形感器为主，其他鞭亚节、柄节和梗节上触角感器分布很少且类型单一。三种感器及表皮附属物具体分述如下。

A.雌雄触角末节感器簇;B.ACP表皮附属物;C.三种类型的锥形感器，SB1(锥形感器1型, Sensilla basiconic 1, SB1)、SB2(二叉锥形感器, Sensilla basiconic 2, SB2)、SB3(三叉锥形感器，Sensilla basiconic 3, SB3);D.SC(刺形感器, Sensilla chaetica, SC);E.ST1(毛形感器1型, Sensilla trichodea 1, ST1);F.ST2(毛形感器2型, Sensilla trichodea 2, ST2)。

2.2.1锥形感器(Sensilla basiconic, SB)锥形感器按其形态可分为三种类型，锥形感器1型(SB1)，“二叉”锥形感器(SB2)，以及“三叉”锥形感器(SB3)，雌雄之间没有差异(如图3)。

锥形感器1型(SB1)：着生于感器簇内隆起的臼状窝，主要分布于鞭末节感器簇中，数量较多。感器直立生长，表面光滑无纵纹，端部较钝，长度为7.04～15.2 μm，基部直径为0.92～1.66 μm(图2C)。

“二叉”锥形感器(SB2)：着生于感器簇内隆起的臼状窝，散状分布于鞭末节感器簇最外围，数量较少，伴随SB1分布。感器形似大写英文字母“Y”，表面光滑无纵纹，锥体自分叉处渐渐变细，顶端尖细，基部至分叉处长度为5.47～6.31 μm，分叉处至顶端长度为7.14～7.84 μm，基部直径为1.03～1.53 μm(图2C)。

“三叉”锥形感器(SB3)：分布于感器簇内隆起的臼状窝，分布位置与SB2类似，数量极少。整体轮廓形似大写英文字母“Y”，但其中一个分叉上又分出两个小的分叉，表面光滑无纵纹，锥体自分叉处渐渐变细，顶端尖细，基部至第一个分叉处长度为6.35～7.94 μm，第一分叉至第二分叉处长度为2.07～2.26 μm，一级叉支长度为5.25～5.89 μm，二级叉支长度为2.18～2.75 μm，基部直径为1.36～1.58 μm(图2C)。

2.2.2刺形感器(Sensilla chaetica, SC)刺形感器分布于感器簇内，基部着生于臼状窝中，末端钝圆，表面光滑无纵纹。由于刺形感器的长度较长，外形粗壮且直立，因此在感器簇内较其他类型的感器突出，数量较多，为米象触角感器中数量最多的一类感器。感器长度为22.9～28.4 μm，基部直径为1.27～2.04 μm(图2D)，雌雄之间没有差异(如图3)。2.2.3毛形感器(Sensilla trichodea, ST)毛形感器分为两种类型，毛形感器1型(ST1)和毛形感器2型(ST2)。均匀地分布于雌雄触角的每一节，数量较少。柄节和鞭末节上各分布12～15个，其余各节均分布6～8个，雌雄之间没有差异。

毛形感器1型(ST1)：仅分布于鞭末节，属于感器簇外感器。基部着生于鞭末节上表皮凹陷形成的感器窝内，感器表面有纵纹，基部一般较端部宽，端部有两个或两个以上很短的分叉，感器朝着触角末端紧贴触角表面生长。感器长度为18.5～28.9 μm，基部宽度为1.81～3.77 μm(图2E)。

毛形感器2型(ST2)：位于除鞭末节以外的触角各节上，也属于感器簇外感器。基部着生于触角各节表皮凹陷形成的感器窝内，感器外表面形成很多纵向突起，基部光滑，两边较窄中间较宽，紧贴触角表面生长。感器长度为19.7～29.5 μm，基部宽度为1.91～3.41 μm(图2F)。

2.2.4表皮附属物(Appendages of cuticular plates, ACP)表皮附属物形似鱼鳞(图2B)，贴近触角表面生长，末端有一到多个刺状的突起或者没有突起。分布于柄节的基部，以及其他所有节的节间，在节间的最大拐角处分布较多，雌雄之间没有差异。

2.3触角各感器雌雄对比

经统计对比，米象各感器的长度和宽度及感器簇在雌雄之间没有差异，结果如图3所示。

3讨论

鞘翅目是昆虫纲乃至动物界物种最为丰富的一个目，鞘翅目中最常见的感器类型是刺形感器、毛形感器、锥形感器和Böhm氏鬃毛[6]。但在米象中观察到的感器类型数目和类型却较少，只有3种类型，表明米象化学感受系统较为简单。

米象触角为膝状，由柄节、梗节、鞭节三部分组成，共分为8节。无论是长度还是感器类型，鞭节在三部分中都是较为重要的：长度最长，感器密度最大，类型最为丰富，而柄节和梗节上感器的类型和数目均较少。因此，触角鞭节在米象感受系统中的地位是最为重要的。米象触角共有3种6个亚型的感器，分别是锥形感器3个亚型、刺形感器1种以及毛形感器2个亚型，且无性二型现象。

锥形感器是一类很常见的昆虫触角感器，研究表明锥形感器表皮壁很薄且具有丰富的小孔，含大量神经细胞，为化学感受器，在寄主及生境的定位过程中发挥着重要作用[12-13]。Ameismeier对东亚飞蝗(Locustamigratoria)触角的研究表明，锥形感器司嗅觉功能，在寄主选择中发挥重要作用[14]。Lopes′s 对桉天牛(Phoracanthasemipunctata)触角的电生理实验表明，锥形感器还具有鉴别植物气体分子的功能[13]。米象的锥形感器与之前观察到的感器类型相似，推测其司嗅觉感受功能。

刺形感器在昆虫触角上也普遍存在，在鞘翅目、鳞翅目等昆虫中均有分布[15-16]。对其结构、数量及分布的研究已经证实刺形感器具有机械感知和化学感知的功能[17-18]。在米象触角上，刺形感器与锥形感器一样都位于感器簇内，为主要感器。刺形感器比锥形感器长，当遇到外界刺激时，刺形感器是最容易接触到的，因此，刺形感器除了具有感受外界机械刺激的功能以外，可能还具有保护其他感器的功能[19]。

毛形感器是昆虫触角上最常见的感器类型[4]。在不同目的昆虫中有着不同的功能，在膜翅目昆虫中，单细胞电信号记录表明其感受神经元能够对寄主植物挥发物产生明显的剂量反应[20]，在鞘翅目中，毛形感器对性信息素特别敏感[21]。在微观结构下可以看到毛形感器表面有大量的孔，司嗅觉感器功能[22]。云杉八齿小蠹(Ipstypographus)中毛形感器被认为，具有感受机械刺激和化学物质的功能[23]。

另外，玉米象和米象是两种重要的储粮害虫，二者亲缘关系较近且形态极为相似，很难区别。目前,国内外唯一可靠的区别特征是雄性的外生殖器，玉米象的阳茎背面有纵脊，米象的阳茎背面则是光滑无纵脊的[24]，如图4所示。胡飞曾报道，玉米象触角上有三种类型的感器，分别为刺形感器一种，锥形感器两种，毛形感器一种[25]。本研究发现，米象触角上有三种类型的感器，分别为刺形感器、锥形感器和毛形感器。米象与玉米象感器类型较少，且二者在类型及数量上几乎没有区别。一般来说，亲缘关系近的昆虫触角的形态特征也较近，反之则远，综合两个研究的结果，更加印证了米象与玉米象亲缘关系较近这一观点。因此，通过触角无法区别这两个近缘种，通过阳茎的形态学差异来鉴定两个近缘种仍然是最好的方式。

4结论

本文对米象触角的一般形态及各类感器进行了详尽的观测与分析，并做了进一步的讨论与总结，为今后探究米象觅食、求偶、产卵和栖息地的选择提供了形态学基础。对米象成虫触角的扫描电镜观察，主要报道了触角及感器的形态，对于各类感器功能的鉴定还处于推测阶段，有待通过单细胞电信号记录、单感器记录或免疫电镜等技术最终确定。

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〔责任编辑王勇〕

Observation on the ultrastructure of antennal morphology and sensilla inSitophilusoryzae(Coleoptera: Curculionidae)

YAO Fujiao, HE Lei, LI Yaxiao, YANG Yan, ZHOU Jinting，ZHAO Zihan, WEI Zhaoming*

(School of Life Sciences, Shaanxi Normal University, Xi′an 710119, Shaanxi, China)

Abstract:Sitophilusoryzae(Coleoptera: Curculionidae) is an important pest of stored-product, which widely distributes throughout the world. We use scanning electron microscope (SEM) to observe the morphology and ultrastructure of antenna and sensilla ofS.oryzae.The antennas ofS.oryzaeare geniculate that comprised of scape, pedicel, and flagellum with 6 flagellomeres. Three types of sensilla are distinguished: three subtypes of sensilla basiconica (SB 1-3), sensilla chaetica (SC), and two subtypes of sensilla trichodea (ST 1-2). There exist no sexual dimorphisms in types, distribution and density between male and female. The difference withS.oryzaeis that sensilla are not evenly distribution over the entire antenna, and are main distributed on the distal end of the last flagellum to form a sensilla cluster. The sensilla on other segments are rare and unitary. In addition, as we found that there exists no difference betweenS.oryzaeandSitophiluszeamaisin the types of antenna sensilla, it is the best way to identify the relative species through the morphological difference of male genitalia.Keywords:Sitophilusoryzae; storage pests; antenna sensilla; scanning electron microscope

文章编号：1672-4291(2016)03-0079-06

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.03.334

收稿日期：2015-07-09

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划(2013JM3005); 陕西省社会发展科技攻关项目(2015SF251); 中央高校基本科研业务费专项资金(GK201402029); 大学生创新创业训练计划(201510718012)

*通信作者：魏朝明，男，副教授，博士。E-mail:weizhaoming@snnu.edu.cn

中图分类号：Q969.514.5

文献标志码：A