3种半翅目小型昆虫的疏水行为及其前跗节结构比较

林美珍, 杨 广, 尤民生

(1.福建农林大学应用生态研究所；2.闽台特色作物病虫生态防控协同创新中心；3.农业部闽台作物有害生物综合治理重点实验室，福建 福州 350002)

3种半翅目小型昆虫的疏水行为及其前跗节结构比较

林美珍1,2,3, 杨 广1,2,3, 尤民生1,2,3

(1.福建农林大学应用生态研究所；2.闽台特色作物病虫生态防控协同创新中心；3.农业部闽台作物有害生物综合治理重点实验室，福建 福州 350002)

以茶小绿叶蝉、茶蚜和白背飞虱3种农业上重要的半翅目害虫为研究对象，观察比较它们在水面上的疏水行为及其前跗节的形态结构.结果表明，白背飞虱成虫和若虫均可站立于水面并具有较强的滑行能力，表明其前跗节疏水性最强；茶小绿叶蝉成虫可站立于水面，若虫足易陷入水中,表明成虫的前跗节疏水性强于若虫；茶蚜成虫和若虫足均陷入水中，表明其前跗节无疏水作用，但茶蚜成虫和若虫在水面均有聚集抱团现象；这3种昆虫都无法站立于大豆油面.电镜观察发现，茶小绿叶蝉成虫的前跗节较若虫更加扁平，爪中垫为一对椭圆形吸盘状结构，且表面附着的刺体数量显著多于若虫；茶蚜成虫和若虫具有一对发达的爪及2根棍棒状中垫毛，缺少爪垫及爪中垫；白背飞虱成虫和若虫具有发达的杯状吸盘结构的爪中垫.

半翅目; 前跗节; 疏水行为; 扫描电子显微镜

半翅目(Hemiptera)小型昆虫大多数为植食性害虫，可刺吸取食农作物、瓜果蔬菜以及林木，对农林生产造成很大的危害.降雨，特别是大雨或暴雨对许多小型昆虫、裸露的虫卵以及低龄幼虫，有直接冲刷致死的作用[1].疏水性是指物体表面对水具有排斥能力的性能.仿生学家们对昆虫翅膀和足的疏水性进行了许多研究[2-6].但有关陆生昆虫的足与水接触部位的研究较少，学者们关注更多的是陆生昆虫的足与物体表面接触的关键部位——前跗节的构造所产生的抓握力及粘附力[7-8].本研究选取活动性较强的茶小绿叶蝉EmpoascaonukiiMatsuda和活动力较弱但有聚集危害特性的茶蚜ToxopteraaurantiiBoyer这2种茶园旱地害虫，以及经常接触水的稻田害虫白背飞虱Sogatellafurcifera(Horváth)为研究对象，重点分析这3种半翅目昆虫在水面的行为，包括站立情况以及与水接触的主要部位，从而推测陆生昆虫与水面最先接触的部位——前跗节在水面产生的作用力，同时通过扫描电镜观察3种半翅目小型昆虫前跗节的构造差异，试图从微观角度分析其对降雨是否具有不同的适应性.

1 材料与方法

1.1 供试昆虫

茶小绿叶蝉和茶蚜均采自福建农林大学南山茶园，并在室内人工气候箱内(26 ℃, 75%～85% RH, 14L∶10D)饲养多代，茶蚜成虫选择有翅个体进行试验；白背飞虱由福建农林大学植物病毒研究所提供，在人工养虫室内饲养多代.

1.2 疏水行为观察

用直径90 mm培养皿盛15 mL蒸馏水作为观察液体，并用大豆油作为对照，比较不同液体表面张力对昆虫行为的影响.用表面张力仪(BZY-2，上海恒平仪表仪器厂)测定水和大豆油的表面张力，室温25 ℃，水的表面张力为71.96达因·cm-1，油的表面张力为39.11达因·cm-1.所有成虫先用CO2熏晕，用显微剪剪除其翅膀，防止其飞行逃离，手术4 h后再进行试验.用毛笔挑取试虫，敲打毛笔手柄，使试虫自行掉落到液面上，使用单反相机(日本尼康，D60，微距镜头AF-S VR 105 mm f/2.8G)观察、拍摄试虫落到液面后的行为反应.试验共设2种处理：(1)单虫试验，每种昆虫成虫和若虫各10头，每次单只放到水面或油面上；(2)多虫试验，每次将2只及以上同种试虫放到水面或油面上.

1.3 样品制备与电镜观察

先在显微镜下检查试虫肢体完整性，用CO2麻醉后，放入自制纱布小滤袋中，用针线绑紧滤袋口，放入磷酸盐缓冲液(PBS, 0.1 mol·L-1, pH 7.2)中清洗10 min；转移至2.5%戊二醛溶液中,4 ℃下固定12 h，取出后用PBS反复漂洗3次，每次10 min；接着依次用30%、50%、70%、80%、90%和100%叔丁醇逐级脱水(叔丁醇23 ℃下容易凝固，需30 ℃下融化后使用)[9]，因试虫较小，每次5 min；之后放入叔丁醇与醋酸异戊酯混合液(1∶1，体积比)中置换10 min，再放入100%醋酸异戊酯内置换30 min，最后置于玻璃干燥器内自然干燥.将获得的样品在显微镜下用导电胶固定于样品台上，镀金(KEOLLV 1680，EIKO，离子溅射仪)，扫描电镜(JSM-6380LV，日本电子株式会社JEOL)观察并拍照.

2 结果与分析

2.1 3种半翅目昆虫的疏水行为

单虫试验观察发现，茶小绿叶蝉若虫刚掉入水面时，前足和中足的前跗节和一小段腿节陷入水中，2条后足呈大八字张开漂浮于水面.因此，短时间内若虫的头和胸部可离开水面，而腹部末端则紧贴水面；长时间(40～50 min)后若虫整个身体腹面都贴于水面(图1A).茶小绿叶蝉成虫则在水面上站立不动，身体各部位均未沾水(图1B)；被毛笔刺激时可短距离跳跃并再次站立于水面上,一段时间(20～30 min)后成虫的前跗节和一小段腿节也陷入水中，但腹部仍保持远离水面.茶蚜成虫和若虫所有足均陷入水中，虫体漂于水面(图1D、E).白背飞虱成虫和若虫都能以跗节站立于水面(图1G、H)，且均可在水面进行短距离滑行.3种试虫都会陷入油液中.

多虫试验观察发现，茶小绿叶蝉成虫和若虫落入水面后，短时间内若虫的足会在水中轻微挣扎摆动，使得虫体在水面漂浮移动，当成虫和若虫漂移相遇后，则持续保持不动状态(图1C)；茶蚜的成虫和若虫在水面均有聚集抱团现象，3对足会滑动水面，努力向对方靠拢，若蚜遇到成蚜，会努力爬到成蚜体背上(图1F)，成蚜与成蚜相遇后不会爬到对方体背上，但会始终聚集在一起；白背飞虱成虫和若虫在水面会轻微滑动，当随着震荡的水波漂移相遇后，会立即反向滑行避开对方(图1I).

A.茶小绿叶蝉若虫；B.茶小绿叶蝉成虫；C.茶小绿叶蝉成虫和若虫水面漂浮相遇后的行为响应；D.茶蚜若虫；E.茶蚜成虫；F.茶蚜成虫和若虫在水面的聚集行为；G.白背飞虱若虫；H.白背飞虱成虫；I.白背飞虱成虫和若虫水面漂浮相遇后的行为响应；a、b、e、h分别对应图A、B、E、H中试虫足前段与水面接触部位的放大成像(比例尺：A-H为1 mm；I为1 cm).

图1 茶小绿叶蝉、茶蚜和白背飞虱成虫和若虫在水面的疏水行为

Fig.1 Hydrophobic behavior of E.onukii, T.aurantii, and S.furcifera on water surface

表1 3种半翅目昆虫成功站立于水面或油面的概率1)

1)每次单头观察，每种试虫各观察10头，以试虫躯体腹面不沾水为成功站立液面.25 ℃下，水的表面张力为71.96达因·cm-1，油的表面张力为39.11达因·cm-1.

图1a、b、e、h显示，3种半翅目昆虫的前跗节在水面上的疏水性有所差异.能保持虫体长时间矗立于水面且在水面活动性最强的是白背飞虱若虫和成虫，说明其前跗节疏水性最强，与水面形成的作用力可以长时间支撑虫体质量；茶小绿叶蝉成虫能使腿部除前跗节外其余部位保持一段时间不沾水，可长时间保持虫体腹面不接触水面，但在水面的活动性与白背飞虱相比明显较弱；茶小绿叶蝉若虫及茶蚜成虫和若虫成功站立于水面的概率均为0(表1).这说明茶小绿叶蝉若虫前跗节的疏水性弱于其成虫；与茶蚜相比，茶小绿叶蝉若虫1～2条足可保持一段时间漂浮于水面，3对足的摆放姿势使虫体前部分脱离水面一段时间，这与其前跗节无较大关系.茶蚜成虫和若虫的3对足均陷入水中，仅躯体部分可漂浮于水面，说明3种昆虫中茶蚜前跗节与水的作用力最小.

2.2 3种半翅目昆虫前跗节的微观结构特征

昆虫前跗节各部位的名称参考Snodgrass et al[10].通过扫描电镜观察发现，茶小绿叶蝉若虫与成虫前跗节构造存在较大差异.若虫的爪垫肉质十分肥厚，呈袋形；爪中垫分裂成两半，每一半顶端都有一个凹陷的杯子状构造，像2个小吸盘(图2A).成虫的2个爪垫较扁，使整个前跗节呈扁平状；爪中垫也分成两半，但凹陷较宽，外观像椭圆形，上面有许多皱褶，皱褶内堆积着许多具有疏水特性的刺体[11](图2B，表2)；刺体大小为(0.3±0.01) μm，白色蜂窝状中空球体，外壳孔洞为足球状六边形结构(图2C)，相比之下，若虫前跗节所粘附的刺体数目则较少.

A.茶小绿叶蝉若虫前跗节；B.茶小绿叶蝉成虫前跗节；C.茶小绿叶蝉爪垫及爪中垫上的刺体；D.茶蚜若虫前跗节；E.茶蚜成虫前跗节；F.茶蚜前跗节断裂口；G.白背飞虱若虫前跗节；H.白背飞虱成虫后足前跗节；I.白背飞虱成虫前、中足前跗节；cl.爪；ar.爪中垫；pu.爪垫；br.刺体；as.中垫毛；fi.裂缝(比例尺：10 μm).

茶蚜成虫和若虫的前跗节结构一致，都有一对十分发达的爪，缺少爪垫和爪中垫，但在爪的基部伸出2根棍棒状的感觉毛，末端稍微膨大，被称为中垫毛[12](图2D、E，表2).此外，相比其他2种昆虫，茶蚜的前跗节特别容易断裂(图2F).

白背飞虱成虫和若虫的前跗节结构也存在一定差异.若虫的爪中垫像一个大的吸盘，外观呈马蹄形中空杯状(图2G)；成虫的爪中垫有2种形态，后足的爪中垫是一个大的马蹄形中空杯状结构(图2H)，但前足和中足的爪中垫没有中空，呈浅盘状凹陷，中间肉质横杠凸起，两边稍微凹陷(图2I).若虫的爪较小，紧贴着爪中垫，爪垫呈骨质片状紧贴着爪中垫(图2G)；而成虫的爪则十分发达，长于爪中垫，爪垫呈三角形骨质片状，与爪中垫分离(图2H、I，表2).

由图2和表2可知，3种半翅目昆虫前跗节最重要的区别为爪、爪垫和爪中垫.爪的发达程度差异较大，最发达的是茶蚜成虫和若虫，白背飞虱成虫次之，白背飞虱若虫及茶小绿叶蝉成虫和若虫的爪都较小.爪的发达程度与昆虫对接触物的抓握力有很大关系，说明茶蚜足的抓握力最强.3种半翅目昆虫中，爪垫最发达的是茶小绿叶蝉若虫，茶小绿叶蝉成虫次之，而茶蚜及白背飞虱成虫和若虫的爪垫均不发达.爪中垫最发达的是白背飞虱，其成虫和若虫的爪中垫均为吸盘结构；茶小绿叶蝉成虫次之，爪中垫为2个较大的椭圆形吸盘，茶小绿叶蝉若虫为2个小型杯状吸盘；而茶蚜成虫和若虫的爪中垫均无吸盘结构，仅为2根中垫毛.爪垫和爪中垫的主要作用是为昆虫足提供与光滑接触面的粘附力，可以推测，白背飞虱成虫和若虫及茶小绿叶蝉成虫和若虫与光滑接触面的粘附力都较强，而茶蚜与光滑接触面的粘附力较弱.

表2 茶小绿叶蝉、茶蚜及白背飞虱前跗节部分微观结构特征的比较

3 讨论

本试验以半翅目小型昆虫为例，从微观角度关注其跌落水面是否具有不同的应对策略.结果表明，3种半翅目小型昆虫表现出不同的行为反应.茶小绿叶蝉和茶蚜都是纯陆生昆虫，但在水面上，茶小绿叶蝉成虫比若虫表现出更强的疏水性，若虫溺水的概率更高，成虫则具有较大的逃生机会，借助足部前跗节的疏水性以及翅膀的飞翔能力，可快速逃离水泊困境并寻找安全处所.这与王国华等[13]和朱俊庆[14]报道的若虫死亡率是雨季影响茶小绿叶蝉种群数量的关键因素相一致.茶蚜则不论是有翅成虫还是若蚜，3对足都陷入水中，不具备逃离水泊困境的条件；但成虫和若虫善于在水面聚集抱团，充分反映出社会性昆虫的特点，因此，普通降雨时掉落地面的茶蚜可能存活并转移到茶树植株上.虽为陆生昆虫但常接触水面的白背飞虱，因为生活在水稻田，成虫和若虫的前跗节都表现很强的疏水性，能够稳定地站立于水面，且可以自由地滑行.因此，白背飞虱成虫和若虫在水稻田可以快速地从水面跳跃回到水稻植株上，除了特大暴雨，普通降雨对白背飞虱种群数量的影响不显著[15].

半翅目昆虫种类较多，前跗节构造也有一些差异.刘征等[16]通过比较19种半翅目昆虫的前跗节，总结出半翅目昆虫前跗节一般具有光滑的中垫或爪垫.本试验电镜扫描观察显示，茶小绿叶蝉和白背飞虱都符合这一特点.茶蚜则没有爪垫，中垫为2根感觉毛，前跗节有一对发达的爪，骨化结构；这与张广学等[12]对麦双尾蚜(DiuraphisnoxiaMordvilko)前跗节的描述一致，其主要功能是抓握植物体的粗表面，不同的是茶蚜低龄若蚜的中垫毛有2根，而麦双尾蚜1～3龄若蚜的中垫毛多为1根.茶蚜掉入水面时，3对足全部陷入水中，说明茶蚜的前跗节没有疏水功能；但若蚜在水中仍然可以爬到成蚜的背上，充分体现出茶蚜前跗节的一对爪在水中仍然具有较强的抓握力.茶蚜除3对足外，虫体其他部位均漂浮于水面，本试验未对茶蚜腹部的微观结构进行观察；Pike et al[17]曾报道，蚜虫体表较多的短毛以及覆盖的蜡层使其具有较强的疏水性，从而使蚜虫能够应对陷入液体中的困境.与白背飞虱的前跗节构造相比，茶小绿叶蝉若虫的吸盘结构显然太小，无法支撑其站立于水面，梨形爪垫也无疏水作用；而茶小绿叶蝉成虫前跗节的吸盘结构比较宽扁，同时吸盘上粘附着大量刺体，刺体为叶蝉类昆虫分泌的特殊物质.根据Rakitov et al[18]的报道，翅面上的刺体使叶蝉具有超疏水性能，正因为刺体的存在以及扁平的前跗节结构使得茶小绿叶蝉成虫可以站立于水面，但其在水中活动性不强.相比之下，白背飞虱前跗节具有大的吸盘式结构，使得其在水面的活动性更强.

综上所述，茶小绿叶蝉成虫、茶蚜以及白背飞虱在水中都有较强的适应力，但机理各不相同.其中，白背飞虱前跗节的吸盘结构能产生较强的疏水性能，从而支持其成虫和若虫在水面活动.茶小绿叶蝉成虫前跗节的构造及其刺体的存在使其具有一定的疏水性，加上成虫具有较强的跳跃能力及飞行能力，短时间内可逃离水泊困境；而茶小绿叶蝉若虫的前跗节构造则不利于其逃避水泊困境.茶蚜主要依靠前跗节一对非常发达的爪，其具有很强的抓握力，在水中可抓住其他蚜虫产生聚集抱团现象；但本试验中发现，茶蚜如被强力从植株上扫落，其前跗节容易脱落，这对蚜虫掉落于水中后的活动性有很大影响.

本研究采用毛笔挑取试虫，使试虫自行掉落到水面.降雨具有物理冲淋作用，如果采用喷雾或其他方法模拟降雨则使水滴直接冲淋试虫，那么试虫的疏水行为反应与掉落到水面可能会有所差异；另外，降雨会导致地面水成为水土混合液，其表面张力与蒸馏水有所不同.因此，田间降雨情况下的疏水行为是进一步研究的重要内容.本试验为便于观察昆虫前跗节的作用，都先剪除成虫的翅膀，今后可针对这些害虫翅膀的疏水作用展开研究.

致谢：福建省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所中心实验室黄敏敏老师在扫描电子显微镜观察过程中提供技术指导，在此表示感谢！

[1] 党志浩,陈法军.昆虫对降雨和干旱的响应与适应[J].应用昆虫学报,2011,48(5):1 161-1 169.

[2] CONG Q, CHEN S C, FANG Y, et al. Super-hydrophobic characteristics of butterfly wing surface[J]. J Bionic Eng, 2004,1(4):249-255.

[3] 房岩,孙刚,王同庆,等.蝴蝶翅膀表面非光滑形态疏水机理[J].科学通报,2007,52(3):354-357.

[4] SUN M X, WATSON G S, ZHENG Y M, et al. Wetting properties on nanostructured surfaces of cicada wings[J]. J Exp Biol, 2009,212:3 148-3 155.

[5] KONG X Q, LIU J L, ZHANG W J, et al. Load-bearing ability of the mosquito tarsus on water surfaces arising from its flexibility[J]. AIP advances, 2015,5:037101.

[6] GAO X F, JIANG L. Water-repellent legs of water striders[J]. Nature, 2004,432:36.

[7] 周群,何斌,岳继光.昆虫足的吸附机制[J].昆虫知识,2007,44(2):297-301.

[8] 王琛柱.从生理特点浅析昆虫繁盛原因[J].昆虫知识,2001,38(6):468-472.

[9] 郭素枝,季清娥.昆虫扫描电镜样品干燥法[J].福建农业大学学报,2001,30(2):262-265.

[10] SNODGRASS R E, EICKWORT & GEORGE E. The thoracic legs[M]∥Principles of Insect Morphology. New York: Cornell University Press, 1993:167.

[11] RAKITOV R A. What are brochosomes for? An enigma of leafhoppers (Hemiptera, Cicadellidae)[J]. Denisia, 2002,4:411-432.

[12] 张广学,张军,张润志,等.麦双尾蚜形态结构的扫描电镜观察[J].昆虫学报,1999,42(增刊):31-34.

[13] 王国华,林卫民,周正邦.假眼小绿叶蝉的发生量与环境因素的关系[J].贵州茶叶,1999,97(1):16-18.

[14] 朱俊庆.假眼小绿叶蝉种群第一峰数量预测研究[J].浙江农业学报,1991,3(4):195-197.

[15] 霍治国,陈林,叶彩玲,等.气候条件对中国水稻稻飞虱为害规律的影响[J].自然灾害学报,2002,11(1):97-102.

[16] 刘征,赵亚玲,梁爱萍.51种昆虫足的爬行粘附结构研究[J].中国科学院大学学报,2015,32(2):172-184.

[17] PIKE N, RICHARDS D, FOSTER W, et al. How aphids lose their marbles[J]. Proc R Soc Lond B, 2002,269:1 211-1 215.

[18] RAKITOV R A, GORB S N. Brochosomal coats turn leafhopper (Insecta, Hemiptera, Cicadellidae) integument to superhydrophobic state[J]. Proc R Soc B, 2013,280:1 752.

(责任编辑:杨郁霞)

Comparison on the hydrophobic behaviors and pretarsus morphology of three small Hemiptera species

LIN Meizhen1,2,3, YANG Guang1,2,3, YOU Minsheng1,2,3

(1.Institute of Applied Ecology, Fujian Agriculture and Forestry University; 2.Fujian-Taiwan Joint Innovation Center for Ecological Control of Crop Pests, Fujian Agriculture and Forestry University; 3.Key Laboratory of Integrated Pest Management of Fujian and Taiwan, China Ministry of Agriculture, Fuzhou, Fujian 350002, China)

Three small Hemiptera species of agricultural pests, tea green leafhopperEmpoascaonukiiMatsuda, tea aphidToxopteraaurantiiBoyer, and white back planthopperSogatellafurcifera(Horváth), were chosen to study their hydrophobic behaviors on water surface and pretarsus morphology. The results showed that both adult and nymphS.furciferawere able to stand on water surface and skip freely, indicating a high hydrophobility of the pretarsus ofS.furcifera. AdultE.onukiiwas able to stand on water surface while five legs of its nymph dipped into water, which meant a higher hydrophobic pretarsus of the adult than the nymph. All legs ofT.aurantiidipped into water, regardless of adult or nymph, indicating no hydrophobility of their pretarsi, but they grouped and drifted on water surface. Nevertheless, all species drown on oil surface. The shape of pretarsi was flatter in adultE.onukiithan the nymph under scanning electron microscope, with more brochosomes on the pretarsus surface of the adult. Pretarsi of adult and nymphT.aurantiihad the same structure, including a pair of claws and two stick-like arolium setas. Pretarsi of adult and nymphS.furciferaboth had a big shallow, cup-like arolium which might have vacuuming function.

Hemiptera; pretarsus; hydrophobic behavior; scanning electron microscope

2016-05-30

2016-07-01

科技部国际合作项目(2010DFB33030)；农业部“948”项目(2011-Z60)；国家青年科学基金项目(31501650)；福建省自然科学基金面上项目(2015J01610).

林美珍(1982-),女,博士研究生.研究方向:昆虫生态学.Email:meizhenlin@163.com.通讯作者尤民生(1954-),男，教授，博士生导师.研究方向：农业昆虫防治与综合治理.Email:msyou@iae.fjau.edu.cn.

Q964

A

1671-5470(2017)02-0135-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.02.003