美棘蓟马复眼的外部形态及内部超微结构

郭付振，张文婷，冯纪年

(西北农林科技大学 植物保护学院 植保资源与病虫害治理教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

复眼是昆虫的重要视觉器官，由多个中心是六边形，边缘是四边形、五边形或椭圆形的小眼组成。由于视觉器官结构高度复杂、进化保守，常作为形态学、特征进化、分子遗传学以及系统发育学研究的重要材料[1-6]。目前，以蜻蜓、蝗虫、蜚蠊、蝇、蝴蝶、蛾、蜜蜂、蝎蛉、甲虫等为试验材料，在复眼外部形态和超微结构、视觉感知、视觉记忆等领域进行了广泛研究[7-17]。缨翅目(Thysanoptera)为过渐变态类昆虫，是全变态类昆虫和半变态类昆虫的中间类群，也是连接两者之间的重要纽带，在昆虫纲(Insecta)系统发育中具有特殊地位。因此深入研究缨翅目昆虫复眼的结构，将有助于从视觉器官的角度探讨渐变态类昆虫在全变态类昆虫与半变态类昆虫进化起源中的作用。

美棘蓟马(EchinothripsamericanusMorgan)属缨翅目(Thysanoptera)锯尾亚目(Terebrantia)蓟马科(Thripidae)蓟马亚科(Thripinae)棘蓟马属(Echinothrips)。美棘蓟马(E.americanas)在世界范围内分布，其生活隐秘，繁殖迅速，危害多种农作物、园艺花卉及观赏植物[18-21]。目前，已报道的美棘蓟马寄主涵盖 31科约 90 种植物，绝大部分为观赏植物，大田作物或蔬菜均集中于禾本科、豆科及茄科，其中在辣椒上分布的报道仅见于温室[22-24]。美棘蓟马主要取食植物的叶片，很少进入花器；卵、若虫、预蛹、蛹及成虫各虫态都在植物体上发育。美棘蓟马取食后植物叶片上可见明显的褪绿斑，严重时叶片发黄并扭曲变形，导致植物叶片净光合效率降低[25]；美棘蓟马同时还损害观赏植物的外观，降低其经济价值。复眼作为昆虫视觉系统的主要组成部分，其外部形态及内部结构特征决定了视觉功能特性，并进一步影响觅食、求偶、避敌、感光、导航等行为，而且为昆虫分类鉴定提供了相关的理论依据[26-27]。因此对昆虫复眼形态学的研究是进一步探索其视觉行为及其与生存环境关系等的理论基础[28-29]。本研究应用扫描与透射电子显微镜，对美棘蓟马成虫复眼的外部形态和内部超微结构进行观察，为进一步探究缨翅目成虫复眼与渐变态及其他完全变态昆虫成虫复眼之间的进化关系提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试标本

美棘蓟马成虫(实验室饲养5～10代)，由西北农林科技大学植物保护学院实验室提供。成虫用盆栽的苜蓿或玉米幼苗在人工气候箱((25±1) ℃，L∶D=14∶10，相对湿度(75±5)%)中饲养。

1.2 试验方法

1.2.1 复眼外部形态观察 将美棘蓟马成虫雌雄各20头直接放到预冷的体积分数2.5%戊二醛溶液中，4 ℃下避光固定4 h。固定后的样品用0.1 mol/L磷酸缓冲液(pH 7.2)漂洗 6 次，不同梯度乙醇溶液(体积分数10%，30%，50%，70%，80%，90%，95%，100%)脱水后，用叔丁醇-乙醇梯度溶液(V(叔丁醇)∶V(无水乙醇)= 1∶3，1∶1，3∶1)和 100% 叔丁醇置换。将样品冷冻干燥2.5 h 后，用双面导电胶带粘到扫描电镜样品台上，放入真空喷涂仪中喷金，在 Hitachi S-3400N 型扫描电子显微镜(加速电压 3～15 kV)下观察并拍照。

1.2.2 复眼超微结构观察 将美棘蓟马成虫雌雄各10头直接放到预冷的2.5% 戊二醛溶液中，在 Nikon SMZ1500光学显微镜下迅速将带有完整复眼的头部切下，并立即放入预冷的体积分数2.5%戊二醛溶液中，4 ℃下避光固定24 h。固定后的样品经磷酸缓冲液漂洗6次，用0.1 mol/L四氧化锇(OsO4)固定液(pH 7.2)固定1 h，再用磷酸缓冲液漂洗6次后，经不同梯度乙醇溶液(体积分数10%，30%，50%，70%，80%，90%，95%，100%) 脱水。样品依次经过不同体积分数的乙醇-伦敦白胶混合物(V(乙醇)∶V(伦敦白胶)= 3∶1，1∶1，1∶3)与纯伦敦白胶渗透后包埋。将包埋后的样品放入烘箱中60 ℃聚合48 h。聚合后的样品块在Leica EM UC7切片机上用钻石刀切成厚度约70 nm的超薄切片，依次用2%醋酸双氧铀染色10 min，4%柠檬酸铅染色8 min，最后在JEOL JEM-1230透射电子显微镜(加速电压80 kV)下观察并拍照。

2 结果与分析

2.1 美棘蓟马复眼的外部形态

美棘蓟马成虫有1对复眼，分别位于头部两侧的触角基部(图 1-A)。雌、雄成虫每个复眼分别有70～76和68～75个小眼(图 1-A-F)。小眼呈椭圆形，其直径大小不一，表面光滑、外凸，各小眼之间排列疏松，有感觉毛，感觉毛长11.07～13.24 μm。单眼鬃3对，位于单眼三角连线外缘(图1-A)，复眼内缘后具2对长鬃(图1-A、E)。

A～D.雌虫:A、C.头部背面观;B.头部腹面观；D.头部侧面观;E～F.雄虫:E.头部背面观；F头部腹面观。ant.触角;do.背单眼;CE.复眼;om.小眼;dor.背面；ven.腹面；ioh.感觉毛;Ant.前侧;pos.后侧A-D.Female:A,C.Head,dorsal view;B.Head,ventral view；D.Head,lateral view;E-F.Male:E.Head,dorsal view；F.Head,ventral view.ant.Antenna;do.Dorsal ocelli；CE.Compound eye;om.Ommatidium；dor.Dorsal；ven.Ventral；ioh.Interommatidial hair;Ant.Anterior;pos.Posterior 图1 美棘蓟马复眼外部形态扫描电镜观察Fig.1 Compound eyes of adult and nymph of Echinothrips americanus under scanning electron microscope

2.2 美棘蓟马复眼的内部超微结构

美棘蓟马成虫复眼的每个小眼由1个叠层的角膜(a laminated cornea)、1个真晶锥体(a eucone crystalline cone)、8个视网膜细胞(eight retinula cells)、1对初级色素细胞(a pair of primary pigment cells)、数个次级色素细胞(several secondary pigment cells)和基膜(basal membrane)组成，晶体周围、视网膜色素细胞内和基膜处均含有丰富的色素颗粒。基膜在感杆的最下面，主要由多个相连的基细胞组成，将小眼与内部视叶隔离开。

2.2.1 角 膜 角膜位于小眼的最外层，由外表皮层(exocuticular)和内表皮层(endocuticular)构成，其表面光滑，呈圆弧状，角膜透镜平凸(图2-A)，横截面的薄层呈螺旋状排列。角膜厚度2.72～3.59 μm(图2-A)。角膜圆形边长29.83～44.59 μm，直径长9.50～14.20 μm，正圆形面积为70.85～158.29 μm2(图1-A)。

2.2.2 晶 锥 角膜下方是圆锥状的晶体，晶体高5.53～5.64 μm，最远端宽3.95～6.29 μm(图2-B)，向近端逐渐变细。从晶锥细胞的横切面可以看到晶锥由4个晶锥细胞(cone cells)形成，其周围被2个初级色素细胞包围，有色素颗粒和屏蔽色素颗粒分布，初级色素细胞的细胞核位于色素颗粒中(图3-A-B)，这些色素颗粒不随外界光暗条件变化发生位移。色素颗粒大小和电子致密度均不一，初级色素细胞中的色素颗粒大小和电子致密度均大于次级色素细胞。纵切面上可见晶锥细胞核位于晶体的最远端，呈帽状，无其他细胞器(图2-B-C)。晶锥和视网膜细胞之间未发现有明显的透明带，4 个晶锥细胞直接接触视网膜细胞(图2-B)，表明其晶体为真晶体型，复眼类型属于并列像眼。

A.角膜和晶锥远端的核;B.小眼远端部分,示初级色素细胞和次级色素细胞的分界(粗尾箭头);C.复眼近端部分,示基膜;D.一个视杆由无数微绒毛排列整齐;E.视网膜细胞提供视小杆形成视杆，箭头示桥粒;F.视杆近端，示近端的第8个视网膜。BM.基膜;Co.角膜;CC.晶体;Des.桥粒(细尾箭头所示);Mt.线粒体;N.细胞核;PPC.初级色素细胞;Pg.色素颗粒;Rh.视杆;SPC.次级色素细胞A.The cornea and distal part of an ommatidium with nucleus of crystalline cone;B.Distal part of an ommatidium,noting the boundary (shown with thick arrow) between primary and secondary pigment cells;C.Proximal part of the compound eye,shown basal membrane;D.A rhabdom consists of numerous microvilli arranged regularly；E.Retinula cells contribute their rhabdomeres to form a rhabdome,slender arrows indicate the desmosome;F.Proximal part of rhabdomeres,noting the proximal retinula cell 8.BM.Basal membrane;Co.Cornea;CC.Crystalline cone;Des.Desmosome (shown with arrows);Mt.Mitochondrion;N.Nucleus;PPC.Primary pigment cell; Pg.Pigment granule;Rh.Rhabdom;SPC.Secondary pigment cell

2.2.3 视网膜细胞和视杆 纵切面显示视网膜细胞在晶体下方集合成束，中央形成感杆束(rhabdom)，视杆长13.16～13.68 μm，其最远端晶体基部接触，近端终止于由多个相连的基细胞构成的基膜上方(图 2-C)。视小杆由视网膜边缘特化的微绒毛(microvilli)聚合形成(图 2-B-F)，这些微绒毛整齐、紧密地排在一起形成视小杆，感杆束边缘的膜下储泡囊多，呈狭长的囊状或指状。微绒毛大多与细胞长轴垂直。相邻视网膜细胞之间通过桥粒联系(图2-B、E) 。横切面上显示8个视觉细胞构成小网膜，感杆束的横切面不很规则，边缘参差不齐，内部又分成不同方向的微绒毛区域，区域间存在较明显的分界(图3-A-D)。

2.2.4 基 膜 基膜位于小眼的最底层，由多个相连的基细胞组成栅栏状，并将复眼的感光区与内部视叶隔开，基膜两侧有分布密集、颜色较深的色素颗粒(图2-C)。在基膜处，所有视网膜细胞均转化成神经轴突( axons) ，神经轴突通过基膜上的小孔进入视神经区域。

A.部分复眼的横切面；B～D.示感杆束横切面不很规则，内部又分成不同方向的微绒毛区域。C.角膜;CC.晶体;Mt.线粒体;MB.多泡体;Rh.视杆;Pg.色素颗粒;PPC.初级色素细胞;SPC.次级色素细胞A.Part of the transverse section of eye;B-D.Showing rhabdoms cross-sections are not very regular,microvilli areas divided into different directions of the internal.C.Cornea;CC.Crystalline cone;Mt.Mitochondrion;MB.Multivescular body;Rh.Rhabdom;Pg.Pigment granule;PPC.Primary pigment cell;SPC.Secondary pigment cell

3 讨 论

复眼是昆虫与外界环境交流的重要光感受器官。复眼的结构特点反映了昆虫为适应周围环境而保留下来的生活习性、行为方式及其系统发育特点。有些种类的昆虫，其复眼的外部形态不但在种间存在差异，而且也会在种内的不同性别之间存在一些差异。小眼数量不同，雌性常多于雄性，例如华山松大小蠹(Dendroctonusarmandi)小眼数量雌性多于雄性[30]，聚油粉蝶(Eucheirasocialis)不仅雌蝶小眼的数量多于雄蝶，而且雌蝶复眼表面积也明显大于雄蝶[31]；而红火蚁(Solenopsisinvicta)小眼数量是雄性多于雌性，雌性又多于工蚁，此外雄、雌蚁复眼及视力较发达，工蚁则较弱[32-33]。小眼形状呈现多态性，有些种类复眼中心区域小眼呈正六边形，边缘区域的小眼为不规则的四边形、五边形或六边形；有些种类的小眼是椭圆形，如红火蚁(Solenopsisinvicta)工蚁复眼圆形、略外凸，雌蚁复眼长椭圆形、外凸，雄蚁复眼近半球形，工蚁、雌蚁和雄蚁复眼小眼面积大小依次为工蚁>雌蚁>雄蚁[34-35]。复眼上的覆盖物不同，例如有些种类复眼外部覆盖着一层厚厚的圆形凸起，推测该结构可能利于减少光的反射，从而增强光的吸收能力[32]；有的小眼间隙着生有角膜乳突[30]；还有一些是复眼表面均匀覆盖着很多圆形凸起小颗粒，小眼中央有一个凹凸与纹褶组成的特殊结构，该特殊结构存在于大多数蝶类中，并且在各科之间存在明显差异[26]；有些种类在小眼之间着生有感觉毛；还有一些种类的雄虫在额叶背侧区具有一个高分辨率的“敏感区”，用于定位和配偶跟踪[33]。昆虫复眼的外部形态结构不仅在种类和性别之间存在差异，而且也受生活习性和生活环境的影响。史留功等[36]研究发现，生活在不同环境中昆虫的小眼表面结构及小眼密度有显著差异，一般情况下夜出型昆虫小眼表面外凸，日出型昆虫微凹或略平坦。生活在不同环境中，昆虫小眼内部超微结构也有所不同。夜出型、日出型与日夜兼出型昆虫之间有明显的区别，同种两性昆虫之间并没有明显区别。不同类型的昆虫可以通过调节晶锥的长短、晶锥周围色素颗粒的多少、感杆束的微绒毛方向、感杆束直径大小、感杆束周围色素颗粒的上下移动等来适应外界光强度变化[37-39]。例如夜间活动的夜蛾、萤火虫和蟑螂比白天活动的昆虫有较大的小眼或较宽的“透明带”[14,40-41]；昼间活动的蜜蜂、蝴蝶视杆与晶锥直接接触，其复眼为并列像眼，而夜间活动的萤火虫和夜蛾，小眼延长，视杆远离晶锥，为重叠像眼[42]。

美棘蓟马个体小，数量多，繁殖力强，世代重叠严重，主要在寄主植物的嫩叶、芽和花中进行取食、交配、产卵等一系列活动，生活隐蔽，飞翔能力微弱。昆虫的复眼视力受复眼大小、空间位置、取食、交配行为等诸多因素影响，其中复眼小眼数目为主要影响因素之一[14]。美棘蓟马成虫每个复眼仅由 68～76个小眼组成，其小眼的数目少可能与其视力、飞翔能力、昼夜活动等习性有关。

基于美棘蓟马成虫复眼的外部形态和超微结构观察发现，美棘蓟马雌、雄成虫复眼外部形态及内部结构并无差异，复眼属于并列像眼；小眼由 1 个角膜、1 个真晶锥体、8 个视网膜细胞、1 对初级色素细胞、数个次级色素细胞和基膜组成，与昆虫典型复眼的小眼结构基本一致[42]。美棘蓟马成虫视网膜细胞形成的视杆呈棒状，从晶锥连接处逐渐向基膜变细，视杆基本上直接与晶体的末端相连，并不包裹晶体的近端部分。

本研究仅从形态学和组织解剖学角度对美棘蓟马雌雄成虫复眼形态、小眼数量、感觉毛、角膜、晶锥、视网膜细胞及其感杆、感杆微绒毛的排列方向、色素颗粒分布等显微结构做了初步观察，对于影响其复眼视觉的其他因素，如小眼形状，小眼长度和直径及其上段、中段、下段的面积，感杆占视网膜细胞面积的比率，各部分的超微结构和功能，微绒毛排列方式、多泡体、线粒体等的变化，昼夜节律和光暗条件对其结构的影响等均未考虑，还有待进一步深入研究。

志谢：感谢西北农林科技大学植物保护学院张晓晨在美棘蓟马采集与饲养过程中的帮助，以及西北农林科技大学电镜实验平台何晓华在电镜操作上的支持。