有翅型和无翅型大豆蚜卵巢和胚胎发育的差异

许向利, 仵均祥

(西北农林科技大学, 农业部西北黄土高原作物有害生物综合治理重点实验室, 植保资源与害虫治理教育部重点实验室, 陕西杨凌 712100)

自然界许多昆虫存在翅型分化多态性(Leimar, 2009)，如直翅目的蟋蟀和蝗虫,半翅目的蚜虫、叶蝉、飞虱和水黾，以及鞘翅目的一些甲虫等(朱道弘, 2009)。大量研究证明，长翅型昆虫翅肌发育完全，但存在繁殖延迟和繁殖量较低的现象，无翅型或短翅型昆虫不具飞行能力，但繁殖前期较短、繁殖量较高，研究普遍认为昆虫在飞行和繁殖之间存在权衡关系，其中长翅型个体倾向于飞行投资，而无翅型或短翅型个体倾向于繁殖投资(Zera and Harshman, 2001)。

蚜虫具有有翅型和无翅型的极不连续性(Ishikawaetal., 2008)，其中无翅蚜表现出发育速率快、产仔前期短和产仔量高的普遍特征(Braendleetal., 2006)。相比于无翅型而言，黑豆蚜Aphiscraccivora有翅型个体包含较少的卵巢小管以及较少的卵母细胞和胚胎(Elliott and McDonald, 1976)；麦长管蚜Sitobionavenae有翅型卵巢中包含较少的胚胎并表现出较慢的胚胎发育速率(Newton and Dixon, 1990)。这些均说明蚜虫翅肌的发育可能影响了繁殖潜能和卵巢发育。

大豆蚜Aphisglycines属半翅目蚜科，原产于东亚，近年先后侵入美国、加拿大和澳大利亚，成为大豆种植区的世界性害虫，研究认为大豆蚜的成功入侵与其适应长距离飞行和高繁殖力有关(苗进等, 2005; Zhangetal., 2009)。蚜虫卵巢小管及其所包含胚胎的数量和最大胚胎的大小是衡量繁殖潜能和卵巢发育程度的重要指标(Leatheretal., 1988)。本研究通过比较不同发育阶段有翅型和无翅型大豆蚜卵巢发育程度以及最大胚胎发育速率，评价不同翅型卵巢发育程度的差异，结果可为从生理生化角度研究蚜虫翅型分化发生的繁殖适应性提供依据。

1 材料与方法

1.1 试虫来源

2018年9月初，在陕西杨凌西北农林科技大学科技园(108.08°E, 34.29°N)采集带大豆蚜的大豆叶片带回室内，采用盆栽大豆苗在人工气候培养箱中饲养。具体如下：将大豆种于直径8 cm装有营养土(陕西杨凌霖科生态工程有限公司)的一次性塑料杯中，每杯1粒，每天浇水适量。待幼苗展开两片叶子后，将蚜虫接于其上，每两周更换一次豆苗。为防止蚜虫逃逸，每个塑料杯上罩8 cm×20 cm透明通气笼罩。人工气候培养箱设置为温度20℃±1℃、相对湿度65%±5%、光周期16L∶8D。继代饲养3代以上供试。

1.2 不同翅型大豆蚜成蚜的卵巢显微镜观察

将2-4日龄大豆蚜成蚜单头接于单株大豆苗上产仔12 h后剔除，仅留初产若蚜饲养，收集最后一次蜕皮24 h之内未产仔的有翅型和无翅型成蚜。将供观察的成蚜个体单头置于载玻片上，滴一滴Ringer氏溶液，在Motic SMZ-168型双目解剖镜(中国麦克奥迪实业集团有限公司)下使用解剖针和精细镊子解剖获得完整卵巢，Ringer氏溶液清洗干净，取一侧卵巢，滴一滴1%溴甲酚绿，染色30 s，清洗干净后置带有成像系统的Leica MZS0870型显微镜(莱卡公司)下照相。

1.3 不同翅型大豆蚜的卵巢发育

将2-4日龄大豆蚜成蚜单头接于单株大豆苗上产仔12 h后剔除，仅留初产若蚜继续饲养，参考李慧等(2018)方法确定大豆蚜若蚜的虫龄，收集蜕皮24 h之内的有翅型和无翅型3龄和4龄若蚜以及成蚜，分别置于载玻片上，滴一滴Ringer氏溶液，双目解剖镜下将卵巢全部拉出，清洗干净，滴一滴1%溴甲酚绿，染色30 s，清洗干净后观察并记录卵巢和卵巢小管数量、胚胎总数量和成熟胚胎(具有红色复眼)数量。同时，在带有目镜测微尺的双目解剖镜下测量各观察虫体的后足胫节长度以及每条卵巢小管中最大胚胎的长(l)和宽(b)。参考Newton和Dixon(1990)方法计算最大胚胎体积(l×b2)。不同翅型不同发育阶段各测定30头蚜虫。

1.4 不同翅型大豆蚜最大胚胎的发育速率

收集初产24 h之内的1龄若蚜，单头接于大豆苗上，每株1头，每天定时观察其发育情况。从3龄初期开始(接虫后第4天)，每天定时解剖其中有翅型和无翅型大豆蚜各30头，统计每条卵巢小管中最大胚胎的长和宽，直至发育成熟(有翅型持续到接虫后第10天，无翅型持续到接虫后第8天)。最大胚胎体积的计算方法同1.3节。

1.5 数据分析

同一发育阶段有翅型和无翅型大豆蚜的卵巢小管数量、胚胎总数量和成熟胚胎数量以及最大胚胎体积采用独立样本t检验分析。有翅型和无翅型大豆蚜不同发育阶段的卵巢发育采用方差分析(ANOVA)并进行Duncan氏多重比较。胚胎总数量、成熟胚胎数量以及最大胚胎体积和后足胫节长度的相关性采用Pearson相关系数进行分析。统计软件为SPSS16.0。

2 结果

2.1 不同翅型大豆蚜的卵巢形态

相比于有翅型，无翅型大豆蚜每条卵巢小管包含胚胎较多(图1)，而且卵巢小管中多数最大胚胎的复眼已经带有红色色素，口器、足和触角等附肢发育完全。

图1 大豆蚜有翅型(A)和无翅型(B)成蚜的卵巢Fig. 1 Ovary of alate (A) and apterous (B) adults of Aphis glycines

2.2 不同翅型大豆蚜卵巢小管数量、胚胎总数量和成熟胚胎数量以及最大胚胎体积

有翅型和无翅型大豆蚜的3龄和4龄若蚜以及成蚜均有2个卵巢/雌，大多数蚜虫每个卵巢包含4条卵巢小管，可见一个卵巢包含5条卵巢小管的现象。有翅型和无翅型个体不同发育阶段之间卵巢小管数量不存在显著差异(有翅型:F2,87=1.00,P=0.37; 无翅型:F2,87=1.02,P=0.36)；同一发育阶段不同翅型之间亦不存在显著差异(4龄若蚜:t=-1.00,df=58,P=0.32; 成蚜:t=-0.58,df=58,P=0.56)(图2: A)。

有翅型和无翅型个体卵巢中胚胎总数量随发育时间增加均显著增大(有翅型:F2,87=15.93,P<0.001; 无翅型:F2,87=43.24,P<0.001)；有翅型3龄和4龄若蚜以及成蚜的胚胎总数量分别为24.63±0.51, 26.23±0.51和28.77±0.55头/雌，显著小于无翅型的27.53±0.50， 33.10±0.66和37.70±1.05头/雌(3龄若蚜:t=-4.06,df=58,P<0.001; 4龄若蚜:t=-8.23,df=58,P<0.001; 成蚜:t=-7.53,df=58,P<0.001)(图2: B)。

不同翅型大豆蚜卵巢中成熟胚胎的数量随发育时间增加均显著增大(有翅型:F2,87=207.95,P<0.001; 无翅型:F2,87=144.56,P<0.001)；有翅型和无翅型3龄若蚜卵巢中均无具色素复眼的成熟胚胎；有翅型4龄若蚜未见成熟胚胎，但同一龄期无翅型个体成熟胚胎数量达到2.30±0.34头/雌(t=-6.58,df=58,P<0.001)；有翅型成蚜的成熟胚胎数量为2.80±0.19头/雌，显著小于无翅型的5.87±0.24头/雌(t=-9.85,df=58,P<0.001)(图2: C)。

不同翅型大豆蚜卵巢小管中最大胚胎体积随发育时间增加均显著增大(有翅型:F2,87=122.56,P<0.001; 无翅型:F2,87=139.27,P<0.001)，有翅型3龄和4龄若蚜以及成蚜最大胚胎体积分别为0.0017±0.0002, 0.0036±0.0003和0.0112±0.0007 mm3，显著小于无翅型的0.0066±0.0005，0.0160±0.0012和0.0328±0.0014 mm3(3龄若蚜:t=-9.33,df=58,P<0.001; 4龄若蚜:t=-10.19,df=58,P<0.001; 成蚜:t=-13.36,df=58,P<0.001)(图2: D)。

图2 有翅型和无翅型大豆蚜卵巢小管数量(A)、胚胎总数量(B)、成熟胚胎数量(C)以及最大胚胎体积(D)Fig. 2 Number of ovarioles (A), total number of embryos (B), number of mature embryos (C), and the volume ofthe largest embryo (D) of alate and apterous morphs of Aphis glycines图中数据为平均值±标准误;柱上双星号表示同一龄期有翅型和无翅型之间存在显著差异(P<0.01, 独立样本t检验)。Data in the figure are means±SE. Double asterisk above bars indicates significant differences between alate and apterous morphs at the same developmental stage (P<0.01, Student’s t-test).

2.3 不同翅型大豆蚜胚胎总数量、成熟胚胎数量以及最大胚胎体积与后足胫节长度的相关性

Pearson相关系数分析表明，有翅型和无翅型大豆蚜不同发育阶段卵巢中胚胎总数量与后足胫节长度均呈显著正相关关系(3龄若蚜: 有翅型,n=30,r=0.740,P<0.001; 无翅型,n=30,r=0.411,P=0.024; 4龄若蚜: 有翅型,n=30,r=0.475,P=0.008; 无翅型,r=0.491,P=0.006; 成蚜: 有翅型,r=0.717,P<0.001; 无翅型,n=30,r=0.736,P<0.001)(图3: A-C)。除不同翅型3龄若蚜和有翅型4龄若蚜卵巢中未见成熟胚胎外，有翅型和无翅型不同发育阶段卵巢中成熟胚胎数量与后足胫节长度无显著相关性(4龄若蚜: 无翅型,n=30,r=0.142,P=0.455; 成蚜: 有翅型,n=30,r=0.062,P=0.747; 无翅型,n=30,r=0.112,P=0.556)(图3: D-F)。有翅型和无翅型不同发育阶段大豆蚜卵巢小管中最大胚胎体积与后足胫节长度之间无显著相关性(3龄若蚜: 有翅型,n=30,r=0.071,P=0.708; 无翅型,n=30,r=0.231,P=0.218; 4龄若蚜: 有翅型,n=30,r=0.306,P=0.100; 无翅型,n=30,r=0.151; 成蚜: 有翅型,n=30,r=0.039,P=0.836; 无翅型,n=30,r=0.262,P=0.163)(图3: G-I)。

图3 有翅型和无翅型大豆蚜胚胎总数量、成熟胚胎数量以及最大胚胎体积与后足胫节长度的相关性Fig. 3 Relationships between the total number of embryos, number of mature embryos, and volume ofthe largest embryo and hind tibia length of alate and apterous morphs of Aphis glycinesA, B, C: 分别为3龄和4龄若蚜以及成蚜的胚胎总数量Total number of embryos of the 3rd and 4th instar nymphs and adult, respectively; D, E, F: 分别为3龄和4龄若蚜以及成蚜的成熟胚胎数量Number of mature embryos of the 3rd and 4th instar nymphs and adult, respectively; G, H, I: 分别为3龄和4龄若蚜以及成蚜的最大胚胎体积Volume of the largest embryo of the 3rd and 4th instar nymphs and adult, respectively.

2.4 不同翅型大豆蚜卵巢小管中最大胚胎的发育速率

不同翅型大豆蚜卵巢小管中最大胚胎体积随发育时间增加均显著增大(有翅型:F6,203=101.30,P<0.001; 无翅型:F4,145=119.37,P<0.001)，有翅型和无翅型的最大胚胎体积随发育均呈指数增长趋势，但有翅型个体最大胚胎体积显著小于无翅型个体(t=-11.69,df=358,P<0.001)(图4)，说明有翅蚜存在明显的卵巢发育延迟现象。

图4 有翅型和无翅型大豆蚜最大胚胎体积Fig. 4 Volume of the largest embryo of alateand apterous morphs of Aphis glycines图中数据为平均值±标准误；图柱上不同字母表示不同发育时间的最大胚胎体积经过Duncan氏多重比较差异显著(P<0.05)。有翅型和无翅型之间的差异显著性是将同一翅型不同发育时间数据放在一起进行分析(独立样本t检验)。Data in the figure are means±SE. Different letters above bars indicate significant differences in the volume of the largest embryo at different developmental periods by Duncan’s multiple range test (P<0.05). Significance of differences between alate and apterous morphs was analyzed on samples pooled across different developmental periods of the same wing morph (Student’s t-test).

3 讨论

不同翅型蚜虫卵巢发育程度存在差异(Leatheretal., 1988)。本研究中有翅型和无翅型大豆蚜的3龄和4龄若蚜以及成蚜均包含2个卵巢/雌，不同翅型绝大多数个体每个卵巢包含4条卵巢小管，可见一个卵巢包含5条卵巢小管的现象，卵巢小管数量在发育阶段和翅型间均不存在显著差异，但有翅型大豆蚜卵巢中胚胎总数量和成熟胚胎数量以及卵巢小管中最大胚胎体积均显著小于同一发育阶段的无翅型个体(图2)，该结果与有翅型黑豆蚜胚胎和卵母细胞数量小于无翅型个体(Elliott and McDonald, 1976)以及有翅型麦长管蚜最大胚胎体积小于无翅型个体的结果(Newton and Dixon, 1990)相一致，说明有翅蚜的卵巢发育程度可能显著低于同一发育阶段无翅型个体，佐证了有翅蚜产仔延迟和总产仔量较低的事实(Dixon, 1972; Wratten 1977; Xuetal., 2011)。

大豆蚜后足胫节长度在不同虫龄之间无重叠，是区分龄期的重要形态指标(李慧等, 2018)。本研究中有翅型和无翅型大豆蚜3龄和4龄若蚜以及成蚜卵巢中胚胎总数量与后足胫节长度均呈显著正相关关系(图3: A-C)，而成熟胚胎数量和卵巢小管中最大胚胎体积与后足胫节长度均无显著相关性(图3: D-I)。大豆蚜有翅型和无翅型卵巢小管中最大胚胎体积随发育时间呈指数增长趋势，但是有翅型发育显著较慢于无翅型个体(图4)，该结果与Newton和Dixon(1990)麦长管蚜的结果相一致。相比于无翅蚜而言，有翅蚜的胚胎发育延迟可能与其将较多能量投资于飞行器官的发育有关(Zera and Harshman, 2001)。

具有飞行能力是昆虫生态和进化成功的重要适应性，在带来诸如觅食、求偶和扩散等便利之时，同时存在与飞行器官发育相关的繁殖代价(Walters and Dixon, 1983; Roff, 1994; 朱道弘, 2009; Zhangetal., 2019)。有翅型大豆蚜存在翅的构建，卵巢中胚胎和成熟胚胎数量较少，卵巢中最大胚胎发育较慢；无翅型不具有飞行能力，卵巢中胚胎和成熟胚胎数量较多，卵巢中最大胚胎发育较快，在羽化后卵巢中已经包含较多的附肢完全发育的成熟胚胎，说明不同翅型蚜虫卵巢发育程度差异可能与其翅的发育程度相关，支持了昆虫飞行和繁殖之间的权衡关系。