长足大竹象呼吸系统的超微结构研究

邓福相，郭庆，龙文聪，杨海波，杨瑶君*

1. 雷波县林业和草原局，四川 凉山 616550；

2. 乐山师范学院生命科学学院，竹类病虫防控与资源开发四川省重点实验室，四川 乐山 614000

长足大竹象（Cyrtotrachelus buquetiGuer）属鞘翅目象甲科弯颈象属，又名竹横锥大象，毁灭性危害慈竹、水竹、绿竹等，在国内广泛分布于广东、广西、贵州、重庆、四川等地，一年发生一代，老熟幼虫8、9月入土，在地下经历老熟幼虫-蛹-成虫3 个发育阶段于次年6、7月成虫出土，寡食丛生竹笋，在笋梢部取食、交配、产卵[1-2]。其幼虫生长在隐蔽的笋尖，蛹生活在地表以下，成虫全身坚硬，前期生活在地表以下，出土后生活在林间，既能飞行，又能爬行，其生存能力极强。在长足大竹象的研究方面，主要集中在其生物学特性、害虫防治、行为学如交配、产卵行为等方面[2-6]。形态学上，梁爽[7]、汪淑芳等[8]解剖研究了长足大竹象雌雄虫生殖系统的构造，杨瑶君等[9]应用电镜扫描分析了该虫成虫触角的超微结构，梁梓等[10]利用扫描电镜观察了长足大竹象成虫前胸背板和鞘翅的超微结构，刘阳[11]等研究了长足大竹象幼虫、成虫消化道的形态结构特征。呼吸代谢是昆虫维持生命和繁衍种群的基础[12-13]，有关长足大竹象呼吸系统形态结构的研究尚未见报道。

本文应用解剖和扫描电镜技术，主要研究以下2 个问题：1）观察长足大竹象幼虫、蛹、成虫呼吸系统的形态结构，分析不同发育阶段呼吸系统的差异；2）研究幼虫、蛹、成虫呼吸系统的结构特点，探索该结构如何适应生命活动与生活习性。以期为研究长足大竹象的生物学特性及系统分类提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试虫为长足大竹象成虫、幼虫活体，采自四川省乐山市沐川县大楠镇。选择健壮活性强的幼虫、雌雄成虫，参照杨瑶君等[9]方法，在温度25 ℃、相对湿度75%、光周期12L∶12D 下用新鲜慈竹笋室内饲养，每2 d 更换1 次竹笋，待实验备用；幼虫一部分用于活体解剖，一部分让其自由钻孔入土化蛹备用。

1.2 仪器和试剂

1.2.1 仪器

Gressington108 离子溅射仪（英国Gressington 公司生产）、Inspect F50 扫描电镜（美国FEI 公司生产）、Leica EZ4 HD 体视镜（德国徕卡公司生产）等。

1.2.2 试剂

2.5%的戊二醛溶液、0.2M pH7.2 的磷酸缓冲液，无水乙醇、乙酸异戊酯等试剂均为分析纯，购自成都市科龙化工试剂厂。

1.3 成虫及幼虫呼吸系统的解剖观察

将长足大竹象成、幼虫用75%酒精处死，剪去成虫的触角、足、翅膀等部分，从土壤从挖出蛹室，取出蛹，分别将成虫、幼虫、蛹置于体视解剖镜下找到其体表气门，将气门剪下，剥去多余组织，于体视镜下观察其形态特征并拍照；观察气管系统时，将成虫、蛹沿背部中线剪开、幼虫延背部或腹部中线剪开，用昆虫针固定在蜡盘中，剥去多余组织，用0.2M 的磷酸缓冲液（pH 值7.2）冲洗数次后置于体视镜下观察其气管系统并拍照。

1.4 扫描电镜观察

分别取气管、气门迅速放入2.5%戊二醛溶液中，固定过夜后，倒掉固定液，用0.2M 的磷酸缓冲液（pH 值7.2）漂洗样品3 次，每次15 min；然后用不同浓度梯度的乙醇（30%—50%—70%—90%—100%）对样品进行逐级脱水处理，每种浓度处理15 min；脱水后的样品用乙酸异戊酯置换1～2 h 后于自然条件下干燥[14]；将干燥好的样品观察面向上粘台，用Cressington108 离子溅射仪真空喷金后，置于Inspect F50 扫描电镜下观察并拍照。

2 结果与分析

2.1 气门结构

在体视解剖镜下观察到长足大竹象的气门结构如图1、2、3。可知长足大竹象成虫共有9 对气门，分别位于前胸与中胸的节间膜上、中胸与后胸的节间膜上、腹部1～6 节两侧的侧膜上以及腹部末节的背板前端两侧各一对，结构分布图示如图1。每对气门均为有效气门，属多气门型。根据控制气门开闭的部位，长足大竹象成虫的前胸、腹部气门属于内闭式气门，外观呈不规则椭圆形（见图2A，C，D）；而中胸气门与其余气门差异较大，外观呈闭合弓形（见图2B），属外闭式气门。各部位的气门大小不一，分别测量各气门的长短轴，结果见表1。中胸气门最大，气门直径3 041.82±84.64 μm，其次是前胸气门，长轴直径2 200.74±257.65 μm，短轴直径821.81±65.55 μm，明显较腹部气门大，腹部1～7 节气门大小呈递减趋势。

图1 成虫气门示意图Fig.1 Diagram of adult’s spiracles

前胸气门具有围气门片，表面光滑，无疏水性毛状物（见图2A、图3A）；气门腔口呈椭圆形，内壁略向外突起。胸部2 对气门及第7 腹节气门周围均无疏水性毛状物（见图2A、B、D）。腹部1～6 节气门，分布于每一体节两侧的侧膜上，气门周围均有疏水性毛状物（见图2B、图3B），形态上无明显差异。

气门腔内壁表皮质突形成棘状的过滤机构，又称筛板[15]，外观呈二唇形（见图3）。长足大竹象成虫气门的筛板呈3 种形态：一种呈刺状覆盖在内壁表面，末端分支较少且长（见图4a）；一种呈鳞片状覆盖，末端分支多且短，呈梳状，层次分明（见图4b）；另一种呈嵴状排列，突起顶端有锯齿状的缺刻（见图4c）。前两种位于气门腔口的唇形活瓣上，后者位于气门腔内。这些筛板具有防止水分、灰尘和微生物等外物侵入的功能。长足大竹象不同部位气门的筛板数量有差异，胸部气门内的筛板数量多于腹部气门，与气门大小的排序相对应，呈递减趋势。

图2 成虫前胸（A）、中胸（B）、腹部1-6 节（C）、第7 腹节（D）气门的解剖形态Fig.2 Anatomy form of prothorax (A)，mesothorax (B)，1-6th abdominal segment(C)，7th abdominal segment (D) spiracles of adult

图3 成虫前胸（A）、腹部1-6 节（B）、第7 腹节（C）气门的电镜扫描图Fig.3 SEM of prothorax (A)，1-6th abdominal segment (B)，7th abdominal segment (C) spiracles of adult

表1 成虫不同部位气门大小Tab.1 Size of spiracles on different parts of adult

长足大竹象幼虫体表无明显的气门结构，扫描电镜下观察到气管口（见图5A）。幼虫体表着生大量芽状的棘刺，密度约为16 842 个/mm2（见图5C），而气管口附近有直径约为200-500 μm 光滑无棘刺的圆形区域（见图5A、B），中心处基部着生有一根毛状物，长度约为30～800 μm，有的气管口周围表皮有小的刺状齿突（见如图5A-a）。气管口结构的数量较多，大小不一，在体表其余部位多为单生（见图5A-b），分布无规律，仅在虫体两侧及尾部成对分布（见图5A-c、A-d）。幼虫尾部体表结构呈小盾片，端部突起为尖锐的针芒状，与体节棘刺有明显差异，排列更紧密，密度约为17 466 个/mm2（见图5D）。

图4 成虫气门腔内壁刺状（a）、鳞片状（b）、嵴状（c）过滤机构的电镜扫描图Fig.4 SEM of spiny (a)，scaly (b)，lirellate (c) filtrate mechanism on spiracular atrium wall of adult

图5 幼虫体表（A-a，A-b，B）、体侧（A-c）、尾部（A-d）气管口和体节棘刺（C）、尾部棘刺（D）的电镜扫描图Fig.5 SEM of body surface (A-a，A-b，B)，body sides (A-c)，rump (A-d) tracheal orifice，and calthrops on body surface(C)，rump surface of larva

2.2 气管系统

气管是由虫体壁内陷形成的管道系统，向内分出许多分支。长足大竹象的气管为淡黄色或白色透明，主气管分布于体内两侧，连接各气门气管；气管的最前端与口器相连，二级气管分出三级气管及微气管伸入各组织器官。主气管下分为3 条主要支气管：伸向背面的背气管，分支分布至背肌；伸向腹面的腹气管，分支至腹肌及腹神经索；伸向中部的分支分布至消化道、脂肪体、生殖系统等的内脏气管。总的来说，成虫主气管较粗，支气管较细而短，气囊丰富，胸部、尾部气门气管间形成腹气管连锁；幼虫气管发达，主气管较细，支气管数量多且较成虫粗而密集，无气囊。

2.2.1 幼虫的气管系统

幼虫气管对称分布于虫体内两侧，整体呈白色透明，有两条明显的侧纵干（见图6A），直径约为815 μm，侧纵干与体壁有10 个紧密连结的结点，无气门气管，结点处呈淡黄色，分支出3 条气管分支（见图6B），分别为背气管、腹气管、内脏气管，未发现横向的气管连锁。二级气管长度为8 800～14 200 μm，直径为475～645 μm，不断分支形成微气管伸向背部及腹部的组织处。幼虫主气管较细，但气管分支发达，分支明显较粗且密集，且无气囊结构。

图6 幼虫气管分布（A）及气管分支（B）Fig.6 Tracheation (A) and trachea branches (B) of larva

2.2.2 蛹的气管系统

蛹的气管系统兼具幼虫和成虫的一些特点。两条侧纵干对称分布于虫体两侧，直径约为1 025 μm，每条侧纵干与体壁共10 个结点，气门气管不明显；结点处有许多较细的气管分支，尚未完全分化形成气囊或背腹气管，微气管发达；前胸、中胸及尾部结点处各发出1 条支气管与另一侧纵干相连通，构成横向的气管连锁（见图7A）。蛹的气管较幼虫少，主气管较粗，分布与排列与成虫气管系统相似，但分支气管均很细，且无气囊结构。蛹气管系统充分显示出蛹期的组织解离和重组的过程。

图7 蛹气管分布（A）及尾部气管分支（B）Fig.7 Tracheation (A) and rump trachea branches (B) of pupa

2.2.3 成虫的气管系统

成虫气管最前端与口器相连，体壁的气门延伸出一小段气门气管与主气管连通（见图8A、B），成虫体内每一气门都具有独立的气门气管；主气管较粗，直径约为1 175～1 495 μm。成虫主气管及各气管分支上着生丰富的白色囊状结构，即气囊（如图8B、C），该结构大小不一，直径为305～940 μm；气囊是气管局部膨大形成的，在充盈状态下呈梭形结构，它的主要作用是容纳较多的空气在体腔，以减轻身体的重量，增加飞行时浮力，并协助气管交换气体。气囊结构与成虫飞行、捕食、繁殖等生活习性相适应。

2.2.4 气管内壁

气管内壁以内褶或局部加厚的方式形成螺旋盘绕状的内脊，称为螺旋丝（见图9）。成虫螺旋丝直径约3.46 μm，幼虫约4.12 μm。扫描电镜下可见气管内壁有皮质突起形成的网状结构，幼虫气管内膜的网状结构上零星地散布着很多直径0.1～0.25 μm 的圆形颗粒。

图8 成虫气管（A）、气管分支（B）及气囊（C）Fig.8 Tracheal (A)，branches (B) and air sacs (C) of adult

图9 成虫（A）、幼虫（B）气管内壁结构的电镜扫描Fig.9 SEM of trachea inner wall of adult (A)，larva (B)

3 结论与讨论

本文研究了长足大竹象不同发育时期呼吸系统的形态及结构，发现长足大竹象幼虫、蛹及成虫具有发达、完整、严密的四级气管系统，并且气管内壁富有弹力并有抵抗压力能力的螺旋丝形成网状结构，成虫具有气囊和明显的气门结构；幼虫和蛹无气囊和气门，但在幼虫体表发现疑似气管口的结构，该结构与从幼虫体内观察到的气管与体壁结点的位置对应；成虫体表共9 对气门，胸部2 对，腹部7 对，成虫气门从胸部到腹部显著变小。

长足大竹象呼吸系统结构与功能紧密相关。成虫胸部两对气门最大，此两对气门间既有爬行用的两对足，又有飞行的两对翅，耗氧能最大，此两对大气门可满足两对足、两对翅对氧气的需要[13]；成虫主气管及各气管分支上着生丰富的气囊，此结构与成虫的飞行功能相适应[16]；气管内壁以内褶或局部加厚的方式形成有弹力并有抵抗压力的能力的螺旋丝与气管的伸缩功能相适应；成虫气门越大，气门腔内具有防止杂质、细菌和雨水等功能的筛板数量越多，此结构与严密的保护功能相适应。

长足大竹象3 个时期虫态的呼吸系统结构的差异是与其生活环境相适应。成虫气管系统更发达，气管分支多，且气囊丰富；幼虫气管分支多，微气管发达，但主气管较细；蛹气管不发达，分支相对较少且细，但主气管较幼虫粗。气管发达程度与供氧功能密切相关。成虫生活空间开放，加之飞翔、觅食、繁殖等活动需要消耗大量的氧气，故气门发达，气管分支较多，气囊丰富[17]。相反，幼虫生活在竹笋内部，取食竹笋，生长发育迅速，但活动量少，其气管系统发达，气管分支较粗且数量多，无气囊结构；而蛹生活在土壤中，生活空间密闭，处于休眠状态，需消耗氧气相对较少，气管系统处于解离重组的过程[18]，分支多但细。

本文通过扫描电镜观察发现，幼虫与成虫气管内壁亦存在差异，两者气管内壁均有皮质突起形成的网状结构，而幼虫气管内膜的网状结构上零星地散布着很多直径0.1～0.25 μm 的圆形颗粒。王荫长等[19]对小地老虎（Adgrotis ypsilonRottember）气管内膜进行研究时也曾发现过类似颗粒物，Webster等[20]在研究美洲蟑螂（Periplaneta americana）的气管结构时发现了位于气管螺旋丝内表面的一种小乳头状突起，与本文发现的网状结构相似，但均未对该结构的功能作详细论述，尚待进一步研究。本研究发现长足大竹象成虫体表共9 对气门，其中胸部2 对，腹部7 对，张福仁[21]、张春玲[22]、张克斌等[15]、Ritcher[23-24]对其他鞘翅目成虫气门的研究表明其气门数量多为9 对，其中胸部1 对，腹部8 对，本文研究结果与张春玲、张克斌等的研究有所不同，气门数量相同，但分布不同，且本研究还发现，长足大竹象仅中胸1 对气门为外闭式，其余气门均为内闭式气门。

本研究对深入研究长足大竹象等象甲昆虫的呼吸行为以及呼吸结构与生长发育和生活习性的关系具有重要意义，同时丰富了长足大竹象形态学和系统分类学的内容，为象甲科昆虫系统分类提供理论依据。