角蝉触角及其感器的扫描电镜观察

孙咏泽于瑞涛李泽晨胡 凯杨宗武袁向群

(西北农林科技大学 植物保护学院,陕西杨凌 712100)

触角作为接受外来化学信号的主要器官[1-3],在昆虫种间及种内的化学通信、声音通信和触觉通信中扮演着重要的角色[4-6],其感受功能主要通过着生于其上的多种感器实现[2,7]。感器由昆虫体壁的部分表皮特化而来,包括外部表皮结构、内部神经元以及相关连的鞘细胞和一些附属结构,可对周围环境和昆虫种群内部各种刺激做出反应,是昆虫感知机械和化学信号的基本结构和功能单位,在昆虫的雌雄交配、寄主选择和信息通讯等行为中起着关键作用[8-10],触角感器的种类、数量与分布关乎昆虫行为及对各种环境刺激因子的反馈,尤其对昆虫的寄主定位与辨认、取食与繁衍、栖息与迁徙影响甚大[11]。

1964年Schneider[4]首次对昆虫触角上不同类型感器的表面形态结构特征进行分类描述;Zacharuk[12]于1980年初次联合扫描电镜和透射电镜技术研究昆虫触角感器的超微结构,其后伴随电子显微技术的蓬勃发展,扫描电镜和透射电镜技术被很多专家学者普及到许多不同类群的昆虫触角感器研究之中。40余年来,国内学者运用扫描电镜技术围绕鳞翅目、膜翅目以及半翅目昆虫等的触角感器做了诸多研究。尹文英等[13]于国内第一次使用扫描电镜观察棉红铃虫的触角感受器;袁向群等[14-15]利用扫描电镜开展弄蝶科5种弄蝶的触角超微结构研究,描述了各种感器的形态结构及其分布,并讨论了感器的功能;黄珍富[16]将扫描电镜观察到的稻弄蝶触角感器超微结构应用于探究稻弄蝶属的系统学及其进化方式中;李虹雨等[17]使用扫描电镜观察金环胡蜂两亚种的触角感器。此外,使用扫描电镜观察半翅目叶蝉科昆虫触角感器的研究也不断有报道。高景林等[18]观察到假眼小绿叶蝉触角上仅存在一种毛形感器,且其数量、分布在雌雄二性间相近;赵立嵚等[19]观察到条沙叶蝉的触角感器类型与数量在雌雄虫间不存在差异,其触角感器仅包括毛形感器和锥形感器两种,梗节上仅有毛形感器;于凯等[20]对柳宽突叶蝉和黑纹片角叶蝉的雌、雄性成虫感器进行观察,发现两种叶蝉触角感器数量都较少,同种雌、雄虫之间也不存在明显差异。扫描电镜技术能发现各种感器表面细微结构的差异,探究其种类、数量、分布,这不仅有助于人们进一步探索昆虫触角感器与昆虫行为之间的关系,且有助于探究昆虫与自然界间的化学通信模式,并为分类学和昆虫系统发育分析提供更多新的线索与依据[13-20]。

角蝉科(Membracidae)属于半翅目(Hemiptera)角蝉总科(Membracoidea),同叶蝉科(Cicadellidae)一致。中国角蝉共计281 种,均为植食性,部分种类是重要的经济植物害虫,目前已知寄主植物的角蝉共80 种,已明确的寄主植物达116种,主要为双子叶植物。角蝉对植物的危害方式与大部分叶蝉科害虫相似,主要体现在:①刺吸植物根、茎、叶或果实的汁液,使植物萎蔫、失绿,影响植株的生长;②取食同时分泌蜜露,污染植株叶面,影响植株呼吸作用和光合作用;③传播植物病毒病;④产卵过程中刺伤植物组织,导致枝条易折。褐三刺角蝉Tricentrus brunneusFunkhouser和黑圆角蝉Gargara genistae(Fabricius)均属角蝉科露盾角蝉亚科(Centrotinae),二者均为中国角蝉常见种。其中,褐三刺角蝉主要分布于中国陕西、甘肃、山东、广西、贵州等6 个省(区),寄主植物为构树、刺槐和胡颓子,成、若虫散居;而黑圆角蝉广布于除青海以外的中国各省,目前已传入美国一些州,寄主植物多达17种,分属茄科、豆科、桑科、芸季科与菊科等10个科[21]。

自2002年至今,国内关于叶蝉科昆虫触角感器的研究时有报道;但国内外对角蝉的研究却始终以系统学、行为学、生物学和生态学为主,其次为形态学,罕有关于其触角及感器的报道。因此,本研究观察比较中国两种常见角蝉褐三刺角蝉T.brunneus和黑圆角蝉G.genistae成虫雌雄二性的触角及其感器形态、数量与分布,以期为角蝉科昆虫后续系统发生学、行为生物学、化学生态学和电生理学等研究,以及对角蝉的生物学防治措施提供触角及感器方面的新线索与新依据。

1 材料与方法

1.1 供试昆虫

所用褐三刺角蝉和黑圆角蝉成虫标本均为西北农林科技大学昆虫博物馆馆藏干标本。分别取雌、雄成虫若干头作为供试标本。

1.2 扫描电镜样品制备及观察

步骤为:①将黑圆角蝉和褐三刺角蝉分别在解剖镜下随机选取触角完整的雌、雄个体各5头;②向试虫容器中倒入丙酮,用超声波清洗仪振动清洗3 min,更换丙酮后再次清洗,重复3次;③清洗后将试虫在70%酒精中浸泡15 min,再在解剖镜下将触角连头一起取下;④待酒精挥发后将这些连头触角分不同面粘于载物台上,将粘好的载物台放入抽真空干燥器中干燥,备用;⑤用离子溅射仪(日立E-1045)喷金镀膜3 min;⑥置于电子扫描仪(日立S-4800)中于20 k V 加速电压下进行观察并拍照。

2 结果与分析

2.1 褐三刺角蝉触角的一般特征

2.1.1 触角外部形态及结构组成 对褐三刺角蝉雌、雄性成虫的触角进行观测发现,在外部形态方面,褐三刺角蝉雌、雄虫的触角无明显差异,均为刚毛状;在结构组成方面,雌、雄成虫的触角均包含柄节(scape)、梗节(pedicel)和鞭节(flagellum)3部分,整体长度约771.96μm(图1-A)。

柄节近似倒钟状,最短,较粗壮,长度约64.36μm,基部包被于膜质的触角窝内,其上有点粒状突起,这些点状突起大部分大小均匀,部分点状突起合并形成较大的不规则突起(图1-B)。梗节连接于柄节端部洼陷的窝内,形似凤梨,长度约92.60μm,两端较细而中部较粗,基部较端部稍粗,中部着生锥形感器和毛形感器,其表面遍布鳞片状的突起(图2-B)。鞭节形态细长,基部略呈纺锤形,且分为许多亚节,长度约615.00μm,远长于柄节与梗节,约占触角总长的80%。前8个亚节相对较膨大,其后各亚节趋于变细。第1亚节基部缢缩,同梗节顶端凹陷处相连接,端部膨大;感器集中分布于第3、4、5、6、7亚节,其余各节均无感器(图2-E)。

图1 褐三刺角蝉成虫触角的扫描电镜观察Fig.1 SEM of adult T.brunneus antennae

2.1.2 感器的种类、形态和分布 褐三刺角蝉的触角感器仅存在毛形感器和锥形感器2种,数量较少,且雌雄成虫间的触角结构及感器分布基本相同,无明显差异。

毛形感器(Sensilla trichodea,St):整体形态呈纤毛状,端部较为尖细,略有弯曲,着生于梗节中部,其基部位于表皮上隆起的圆形火山状凹窝中。梗节上的毛形感器长28.77～34.50μm,端部与触角表面的夹角小于30°(图2-B～2-D)。

锥形感器(Sensilla basiconica,Sb):整体形态呈圆锥状,其较毛形感器稍短稍粗,端部较为圆钝,不弯曲,在梗节和鞭节上都有分布。梗节上的锥形感器长约25.94μm,端部与触角表面的夹角不足30°,鞭节上的锥形感器长12.76～16.47 μm,端部与触角表面的夹角为25°～50°,位于梗节上的锥形感器较鞭节上的更长,鞭节上的锥形感器集中在鞭节的一侧,自表皮隆起的圆形火山状凹陷中发生(图2-B～2-G)。

图2 褐三刺角蝉成虫触角感器的扫描电镜观察Fig.2 SEM of adult T.brunneus antennal sensilla

2.2 黑圆角蝉触角的一般特征

2.2.1 触角外部形态及结构组成 对黑圆角蝉雌、雄性成虫的触角进行观察发现,雌、雄虫的触角形态上无差异,均呈刚毛状;在结构组成方面,雌、雄成虫的触角均包含柄节,梗节和鞭节3 部分,长度约660.4μm(图3-A)。柄节近似钟形,最短,较粗壮,长度约89.5μm,基部包被于膜质的触角窝内,其上具点粒状和刺状突起,其中点状突起大部分大小相近,部分刺状突起由2个突起合并而成。梗节连接于柄节端部洼陷的窝内,呈较为规则的凤梨状,长度约100.0μm,两端较细,近基部较粗,中部着生有锥形感器和毛形感器,其表面似洋蓟花蕾,遍布鳞片状的突起(图4-B)。鞭节形态细长,基部似纺锤形,长度约为470.9 μm,远长于柄节与梗节长度之和,且分为许多亚节。基部10 个亚节较膨大,其后各亚节逐渐变细。第1亚节基部缢缩,同梗节顶端凹陷处相连接,端部膨大;感器集中分布于第7、8、9、10亚节,其余各节均无感器(图4-F)。

图3 黑圆角蝉成虫触角的扫描电镜观察Fig.3 SEM of adult G.genistae antennae

2.2.2 感器的种类、形态和分布 黑圆角蝉的触角感器仅存在毛形感器和锥形感器2种,数量较少,而且雌雄成虫间的触角结构及感器分布基本相同,无明显差异。

毛形感器(Sensilla trichodea,St):整体形态呈纤毛状,端部较为尖细且存在不同程度的弯曲,长度也存在差异,仅观测到在梗节各面分布,主要着生于梗节中部。毛形感器基部位于表皮上隆起的圆形火山状凹窝处,长24.19～35.80μm(图4-C,4-E)。

锥形感器(Sensilla basiconica,Sb):整体形态呈圆锥状,其较毛形感器稍短稍粗,端部较为圆钝,几乎不弯曲,其在梗节和鞭节上均有分布,鞭节上仅有锥形感器分布且偏向集中在鞭节的一侧,着生于表皮隆起的圆形火山状凹窝中。其中梗节表面的锥形感器长约30.22μm,鞭节表面的锥形感器长19.41～33.06μm(图4-D、4-G、4-H和4-I)。

图4 黑圆角蝉成虫触角感器的扫描电镜观察Fig.4 SEM of adult G.genistae antennal sensilla

3 讨论

本研究对角蝉科褐三刺角蝉和黑圆角蝉的触角超微结构进行了扫描电镜观察。结果表明,两种角蝉触角形态相似,均为典型的刚毛状触角,包括柄节、梗节、鞭节3部分,在梗节中部的一周各面均着生有少量毛形感器和锥形感器,鞭节的前10个亚节部分侧面上着生有部分锥形感器,与已报道的同为角蝉总科下部分叶蝉科昆虫的触角形态和分节及感器类型和分布有一定相似之处[20,22-25]。另外,黑圆角蝉和褐三刺角蝉雌雄成虫的触角感器差异不明显,这点也同之前对叶蝉科昆虫的研究结论一致[10]。该发现可能表明在未来对角蝉触角的研究中,可对目前报道更多的叶蝉触角的研究方法进行一定程度的借鉴。褐三刺角蝉和黑圆角蝉触角柄节上有许多刺突状突起,梗节上均有鳞片(耳)状突起,这在其他半翅目头喙亚目的昆虫中也有发现[23,26],与山打根拟颖蜡蝉[27]和条沙叶蝉[23]等昆虫相比较,黑圆角蝉和褐三刺角蝉的多种突起同样缺少感觉臼形窝这一构造,这表明这些突起并不是感觉器,而应为表皮突起特化而成的特殊构造。

黑圆角蝉和褐三刺角蝉的梗节上均有毛形感器分布。毛形感器是昆虫触角上分布最为广泛、数目最多的感器,其毛发长度变化很大,而且可以自由活动,在本试验所得的扫描电镜图中也可见不同程度的弯曲,且这些差异在所有已报道的昆虫触角上均有发现[28-31]。相关研究表明,毛形感器在功能上可以是机械性的、接触性的、热敏感的或嗅觉的,是昆虫感受性信息素的重要器官[12,32],其中表面无孔的一般被认为是机械感器[33],表面分布有纳米微孔的被认为是嗅觉感器,这些纳米孔由生物膜形成,孔径为1～100 nm,起到过滤气味分子的作用[34],目前已有在半翅目异翅亚目昆虫口器的毛形感器上发现纳米孔的报道。本研究中黑圆角蝉梗节的毛形感器上可见部分点状凹陷,可能意味着这种毛形感器具嗅觉感器的特点,未来也可对其进一步探究。结合本研究结果,黑圆角蝉和褐三刺角蝉的梗节上均有毛形感器分布,考虑到毛形感器的功能,这可能意味着其在此两种角蝉雄虫搜寻雌虫的过程中起重要作用。

与毛形感器不同,锥形感器是由一个到多个神经元支配的短毛(小钉)或锥体,表面多孔且树突分支丰富,功能上主要起机械(接触)和化学感器作用,与嗅觉刺激传导密切相关,气味结合蛋白在其中表达,保证其嗅觉受体的作用得以发挥[35]。另外,锥形感器对植物气味刺激存在特殊的感受作用,对昆虫在寄主的寻找与选择等方面提供帮助[36]。两种角蝉鞭节上仅观测到锥形感器分布,且锥形感器均分布于鞭节膨大弧度较大的一侧,这种特殊的分布方式可能有利于其功能的表达。

角蝉科与叶蝉科同属角蝉总科,目前的分子系统发育研究证据也表明二者亲缘关系较近,二者的触角形态和感器类型与分布表现出相当的相似性,触角感器可能具有作为这两个类群间系统分类方面形态学依据的潜力。褐三刺角蝉和黑圆角蝉的触角感器数量较少,类型单一,毛形感器均仅分布于触角梗节,而锥形感器在二者触角梗节和鞭节均有分布,且锥形感器仅分布于鞭节基部膨大弧度较大的一侧,这种分布方式的成因及其特定功能暂不明确。为了探明这两种角蝉触角感器的内部结构、功能及其特异性分布的原因,为生物学防治和系统发育等相关研究提供参考,未来需要结合透射电镜进一步观察,并结合行为学、生理学以及分子生物学等学科,进行更加深入的观察和探索。