油茶蓝翅天牛触角感器扫描电镜观察

罗 鹏, 吴家展, 王广利

(江西农业大学农学院, 南昌 330045)

触角是昆虫感知外界信息物质的重要器官,具有嗅觉、触觉与听觉等作用,在配偶识别、寄主定位、产卵场所选择、逃避天敌等生命活动中具有重要作用[1-2]。触角上着生的各类型感受器是昆虫感知内外环境的基本结构单元,也是昆虫进行化学通讯的主要接受体,对外界环境及刺激起着重要的感知作用[3]。目前已发现并命名的感受器大致可分为毛形感器(sensilla trichodea, ST)、刺形感器(sensilla chaetica, SCH)、锥形感器(sensilla basiconica, SB)、耳形感器(sensilla auricillica, SAU)、Böhm氏鬃毛(Böhm bristles, BB)等十几种[3-4]。触角感器在属、种及两性之间的功能存在较大分化,不同种类昆虫或同一种类不同性别的昆虫在触角感器类型、形态、数量分布等也存在极大差异[5]。不同感受器结构高度特化、功能专一,在昆虫寻找寄主、取食产卵、寻找配偶、交尾以及感受环境刺激等正常生命活动中发挥着重要作用[3],如雄性棉铃虫Helicoverpaarmigera触角上的毛形感器可以识别雌性性信息素从而引发性行为[6],油茶象Curculiochinensis触角上的刺形感器能感受机械刺激从而选择求偶环境和产卵场所等[7]。

油茶蓝翅天牛Bacchisaatritarsis,又名黑跗眼天牛,属鞘翅目天牛科,是油茶重要蛀干害虫,在我国江西、湖南、广东等多地都有严重危害,为害株率可高达100%,严重影响我国油茶产业的发展[8-10]。天牛科昆虫触角感器研究已有不少报道,如松褐天牛Monochamusalternatus[11]、白点墨天牛Monochamusscutellatus[12]、粗角梯天牛Pharsaliaantennata[13]、管纹艳虎天牛Rhaphumahorsfieldi[14]、云斑天牛Batocerahorsfieldi[15]、曲纹花天牛Lepturaarcuata和橡黑花天牛Lepturaaethiops[16]、红缘天牛Asiashalodendri[17]等,但对油茶蓝翅天牛的研究大多局限于分类地位、形态特征及生物学特性等基础研究[9-10, 18-21],对其成虫触角感器的研究还未见报道。鉴于油茶对我国有着重要的经济和生态价值,以及近年来全国油茶新造林面积在不断增加,大面积的油茶幼龄林以及当前的纯林结构使油茶幼龄林及新造林面临着蓝翅天牛的严重威胁,且由于天牛科昆虫自身的隐蔽性和耐受性,尚无高效环保的防控措施。本研究通过体视显微镜和扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)对蓝翅天牛雌、雄成虫的触角形态特征及其感器类型、形态特征和分布特点等进行了初步观察与统计,并对雌雄个体间感器差异作了比较分析,旨在为后续基于嗅觉和味觉的相关研究及其绿色防控技术的探索等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试虫源

供试油茶蓝翅天牛于2021年4月下旬至5月下旬采自江西省永丰县龙岗乡普通油茶林,置于长22 cm,宽15 cm,高12 cm的方形透明饲养盒,于室内自然光照下饲养,盒盖上有不规则小孔若干以供空气流通,每日更换新鲜油茶枝条,并放置一个蘸有蒸馏水的脱脂棉球以保持湿度,饲养室温度(25±1)℃,为避免天牛间打斗而产生损伤,每盒只饲养一头天牛。

1.2 触角形态观察

挑选未受损伤、状态良好的蓝翅天牛成虫,根据腹末特征区分雌雄[22],冷冻致死后用解剖剪将触角从柄节处齐根剪下,浸入PBS磷酸缓冲液中,PS-D30超声清洗仪清洗10 min,待自然干燥后在Nikon SMZ800N体视显微镜下进行特征观察及数据测量,雌雄各观察20根触角。

1.3 SEM样品制备及观察

取油茶蓝翅天牛雌雄成虫各4头,用解剖剪分别从柄节处将整个触角剪下,分别浸入PBS磷酸缓冲液中,用PS-D30超声清洗仪(20℃,100 Hz)清洗3次,每次2 min,然后用75%、85%、95%和100%不同浓度梯度乙醇逐级脱水各10 min,自然干燥后,用双面导电胶将触角固定在样品台上,经离子溅射喷金后,在Gemini SEM300扫描电镜(德国ZEISS)下进行观察并拍照,加速电压5.00 kV。

1.4 数据处理

触角感器的鉴定和命名参考Schneider[4]和Crook等[23]的命名系统。根据扫描电镜图片对不同类型感器进行观察和鉴定,每种感器选取30个样本测量。雌雄成虫触角各部位长度及各感器长度和基部直径采用Photoshop CS6软件进行测量,所得数据通过IBM SPSS Statistics 22软件分别运用配对样本t测验和Tukey检验进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 油茶蓝翅天牛触角的基本形态

油茶蓝翅天牛雌雄成虫触角共11节,鞭状,长约(10.02±0.13)mm,由柄节(scape,Sc)、梗节(pedicel,Pe)和鞭节(flagellum,F1～F9)组成,通体被黑色刚毛,柄节膨大,稍长,平均长度(1.35±0.04)mm,表面密布刻点,基部黄褐色,端部黑色;梗节短小,平均长度(0.55±0.02)mm,除与柄节连接处少许黄色外,通体黑色;鞭节细长,分为9个亚节,F1～F8平均长度渐短,分别为(1.58±0.03)(1.19±0.04)(1.00±0.01)(0.87±0.02)(0.78±0.02)(0.68±0.01)(0.55±0.02)(0.51±0.02)mm,F9稍长,为(0.74±0.03)mm,其中,F1～F4基部黄色至暗黄色,端部深棕色至黑色,且F1～F2黄色约占该节1/3～2/3,F3黄色占该节约1/4～1/2,F4～F5黄色约占该节1/5～1/3,F5～F9除连接点处少许黄色外基本全黑(图1、表1)。

表征测量及观察结果显示,蓝翅天牛雌虫触角(10.54±0.13)mm,整体长度较长于雄虫的(9.49±0.13)mm,各小节长度也与雄虫有所不同,其中柄节、梗节及鞭节F1～F5较雄虫长,但鞭节F6～F9却明显短于雄虫,且雌虫鞭节F1～F4基部黄色范围大于雄虫(图1、表1)。

图1 蓝翅天牛雌雄成虫触角背面及腹面观

表1 蓝翅天牛雌雄成虫触角各部位长度1)

2.2 油茶蓝翅天牛触角感器的形态及分布

共发现蓝翅天牛成虫触角感受器7类12种(图2),分别为毛形感器、刺形感器、锥形感器、Böhm氏鬃毛、栓锥形感器、耳形感器、钩形感器。其中毛形感器和锥形感器分别有3种亚型,刺形感器有2种亚型。

2.2.1毛形感器(sensilla trichodea, STⅠ～STⅢ)

毛形感器是蓝翅天牛成虫触角上数量最多、分布最广的感器类型,着生于表皮凹陷的基窝内,由基部向端部均匀变细,柔软似毛发状,直立于表皮或弯曲指向端部,感受器壁具深纵纹,根据其长度、形状的不同分为3种亚型:弯毛形感器(STⅠ)、直毛形感器(STⅡ)和极长毛形感器(STⅢ)。STⅠ弯曲或平行于表皮指向端部,长(73.66±2.47)μm,基部直径(3.05±1.88)μm,密布于触角各节,是数量最多的亚型(图2a,表2);STⅡ直立于表皮,长(69.15±1.89)μm,基部直径(2.89±0.84)μm,数量比STⅠ型少,成簇分布在鞭节的STⅠ之间,柄节和梗节的基部、端部亦有零星分布(图2b,表2);STⅢ是3种亚型种中最长的,长(470.45±29.34)μm,基部直径(2.89±0.84)μm,主要分布于柄节和梗节,鞭节F1～F3亦有零散分布,每节侧面分布多于腹面,腹面多于背面(图2c和d,表2)。3种毛形感器在雌、雄成虫触角的数量与分布上相似。

2.2.2刺形感器(sensilla chaetica, SCH Ⅰ～SCH Ⅱ)

刺形感器数量较毛形感器少,常与毛形感器交错而生,着生于表皮隆起的圆台座上,细长挺直或略向表面倾斜,表面光滑,由基部向端部逐渐尖细,刚硬如刺,根据其基部分叉情况可分为两种亚型:单刺形感器(SCHⅠ)和分叉刺形感器(SCHⅡ)。SCHⅠ在雌、雄成虫触角上的数量与分布基本相似,其直立于表皮圆台座上,基部钝圆较粗,不分叉,长(46.85±2.81)μm,基部直径(2.59±0.90)μm,成簇或零散分布于鞭节各亚节毛形感器之间,且侧面居多,在柄节、梗节的两端侧面亦有少量呈均匀间隔分布(图2e,表2)。SCHⅡ在靠近基部处分为二叉,长(33.31±0.65)μm,基部直径(3.01±0.49)μm,仅见于雄性触角鞭节(图2e,表2)。

图2 蓝翅天牛成虫触角感器形态特征

2.2.3锥形感器(sensilla basiconica, SB Ⅰ～SB Ⅲ)

锥形感器在雌、雄成虫触角上的数量与分布相似,始见于第4节,数量较多,仅次于毛形感器,常成簇、成排或散布于毛形感器和刺形感器之间。该感器直立于表皮隆起的圆台形底座,端部与基部略窄或明显更窄,多呈尖锥状或圆锥状,长度较毛形感器和刺形感器短,表面光滑无纵纹,根据其形态、长度可分为尖锥形感器(SB Ⅰ)、圆锥形感器(SB Ⅱ)和短锥形感器(SB Ⅲ)3种亚型。SB Ⅰ较细长,由基部向端部逐渐窄细,长(12.40±0.23)μm,基部直径(1.69±1.01)μm(图2f,表2);SB Ⅱ较粗壮,感器上下几乎等宽,端部钝尖或钝圆,长(16.45±1.81)μm,基部直径(2.07±0.63)μm,是数量最多的锥形感器(图2e,表2);SB Ⅲ 较SB Ⅰ、SB Ⅱ短小,似表皮小凸起,长(3.63±0.30)μm,基部直径(2.43±0.16)μm,数量极少,零散分布于其他感器之间(图2h,表2)。

四川竹编产品普遍存在制作周期长、产品更新速度慢等问题，在工业化潮流的冲击下慢慢失去市场竞争力，也很难招到愿意潜心学习的年轻学员，竹编技术面临技艺传承断层的困境。因此，政府应大力扶持竹编艺术家，帮助拓宽竹编艺术的发展空间，多组织一些关于竹编工艺及特色竹编制品的宣传活动[8]，唤醒人们对竹编行业的重视，让竹编艺术顺应新时代潮流，逐步融入现代社会。同时，竹编行业亟需加强市场管理，严厉打击劣质低等、假冒伪劣的竹编产品，维护四川竹编的行业信誉。

2.2.4Böhm氏鬃毛(Böhm bristles, BB)

Böhm氏鬃毛在雌、雄成虫触角上的数量与分布相似,其长(59.56±5.94)μm,基部宽(2.63±1.54)μm,表面光滑,直立于表皮凹陷的深基窝内,由基部向端部均匀变细,外形似刺形感器,但较刺形感器更尖更长。该感器成簇分布于柄节和梗节及其节间周围,主要集中于侧面和腹面基部、端部两侧,中间分布相对较少(图2i,表2)。

2.2.5栓锥形感器(sensilla styloconica, SS)

着生于触角表面隆起的圆台形底座凹窝内,长(7.25±0.29)μm,基部宽(2.22±1.00)μm,短锥状,下半部较宽,表面光滑无纵纹,上半部锥状,表面具纵纹。该感器主要零散分布于触角第4～11节的锥形感器之间,数量较锥形感器少,且雄性数量略多于雌性(图2j,表2)。

2.2.6耳形感器(sensilla auricillica, SAU)

着生于触角表面隆起的圆台形底座凹窝内,长(10.49±0.19)μm,基部宽(2.54±0.92)μm,形似禾本科植物叶片状或扁耳状,基部直立或弯曲成折,表面光滑无纵纹。耳形感器同栓锥形感器一样,零散分布于触角第4～11节的锥形感器之间,但数量较栓锥形感器多,且腹面多于背面,在雌、雄成虫触角的数量与分布上相似(图2k,表2)。

2.2.7钩形感器(sensilla hook,SH)

着生于表面隆起的圆台上,长(23.72±3.46)μm,基部宽(1.88±0.09)μm,外形似钩,表面光滑,零散分布于触角第6～10节的锥形感器之间,数量较少,在雌、雄成虫触角的数量与分布上相似(图2l,表2)。

表2 蓝翅天牛成虫触角感器形态特征

3 讨论

昆虫依赖感受器感知振动、压力、化学物质、温湿度、CO2等,以保证定位寄主、取食、交配、防御、繁殖等生命活动的正常进行,这些感器主要分布在触角、下颚须和下唇须上[3, 24-25]。本文通过扫描电镜在蓝翅天牛雌雄成虫触角上共观察并鉴别出感器7类12种,在数量上,毛形感器>锥形感器>刺形感器>耳形感器>栓锥形感器>钩形感器;在分布上,雌雄成虫触角第1～3节仅着生毛形感器、刺形感器和Böhm氏鬃毛,第4～5节具零星锥形感器、耳形感器和栓锥形感器,第6节出现钩形感器。总体上,第5～11节感器种类和数量相对更为丰富。

毛形感器是天牛类昆虫触角上最常见感器之一,可接受机械物理刺激和感受环境中化学物质,具嗅觉和味觉或触觉功能[3, 26],在大部分昆虫上还具有接收性信息素功能[4, 27]。蓝翅天牛触角上共观察到毛形感器3种,其中弯毛形感器(STⅠ)与锈色粒肩天牛Aprionaswainsoni的毛形感器Ⅰ[28]、粗角梯天牛的毛形感器Ⅱ[13]、云斑天牛的毛形感器[15]和松褐天牛的毛形感器Ⅱ[29]相似;而直毛形感器(STⅡ)与桑天牛Aprionagermari毛形感器[30]、青杨楔天牛Saperdapopulnea和锈斑楔天牛Saperdabalsamifera的毛形感器[31]、咖啡灭字虎天牛Xylotrechusquadripes的长钝刺形感器[32]、光肩星天牛Anoplophoraglabripennis的毛形感器Ⅱ[33]以及松褐天牛的毛形感器[11]相似;极长毛形感器(STⅢ)与褐点墨天牛Monochamusnotatus的长刺形感器[12]、松褐天牛的毛形感器Ⅰ型[29]相似,3种毛形感器表面均具深纵纹,为典型的沟纹型多孔化学感器[34],且较其他感器长,能够率先接触到外界环境,推测为感受机械刺激和嗅觉功能。

刺形感器直立于触角表面,数量较多,被认为具有感受机械刺激和物化刺激以及选择行为环境的功能[32, 35]。蓝翅天牛触角上共观察到刺形感器2种,其中单刺形感器(SCHⅠ)与锈色粒肩天牛的刺形感器Ⅰ[28]、Nebriabrevicollis的毛形感器Ⅱ[36]、栗山天牛Massicusraddei的毛形感器Ⅱ[37]相似,应与感受机械物理刺激和物化刺激有关。但分叉刺形感器(SCHⅡ)为蓝翅天牛雄成虫特有,与青杨脊虎天牛Xylotrechusrusticus的OK锥形感器[38]及栗山天牛的锥形感器Ⅵ[39]极为相似,可能在寻找配偶或求偶交配行为等过程中发挥主导作用。

锥形感器是典型的嗅觉感器,在蓝翅天牛触角上共观察到3种,其中尖锥形感器(SBⅠ)与青杨脊虎天牛的细锥形感器(b2)[38]、桉嗜木天牛Phoracanthasemipunctata的锥形感器Ⅱ(typeⅡ)[40]、咖啡灭字虎天牛的尖锥形感器(Ⅰ型)[32]、青杨楔天牛的锥形感器Ⅱ(SBⅡ)[31]、虎天牛族昆虫的锥形感器Ⅱ[41]相似;圆锥形感器(SBⅡ)与青杨脊虎天牛的普锥形感器(b1)[38]、黄星天牛Psacotheahilaris的锥形感器Ⅱ(type-Ⅱ)[42]、桉嗜木天牛的锥形感器Ⅰ(typeⅠ)[40]、锈斑楔天牛的锥形感器Ⅱ[31]、咖啡灭字虎天牛的钝锥形感器(Ⅱ型)[32]、云斑天牛的指锥形感器(BⅣ)[15]、孙飞等报道的松褐天牛锥形感器[11]、桑天牛的细尖锥形感器(B Ⅱ)[30]以及管纹艳虎天牛的锥形感器Ⅱ[14]相似;短锥形感器(SBⅢ)与青杨脊虎天牛的短锥形感器(b4)[38]、青杨楔天牛和锈斑楔天牛的锥形感器Ⅰ[31]、红缘天牛的锥形感器Ⅰ[17]相似。观察发现,3种锥形感器多成簇或成排分布在毛形与刺形感器之间,该种排列方式已被证实能够让昆虫更高效地识别气味分子,提高嗅觉功能[43-44]。栓锥形感器(SS)与青杨脊虎天牛的凹槽钉形感器[38]、青杨楔天牛和锈斑楔天牛的锥形感器Ⅲ[31]、黄星天牛触角上锥形感器Ⅲ(type-Ⅲ)[42]、咖啡灭字虎天牛的凹槽钉形感器(SGP)[32]、栗山天牛的锥形感器Ⅲ(sb3)[37]、孙飞等报道的松褐天牛的栓锥形感器[11]相似。该感器被证实其超微结构内部具丰富神经细胞[26],且根据Zacharuk[34]对感器结构与功能的描述,栓锥形感器上部分感器壁表面的深沟纵纹是化感器的典型特征,可能与识别化学物质、感受环境温湿度有关。

Böhm氏鬃毛的命名与分布较为统一,也有部分学者将其列入刺形感器中[30, 33, 37],其表面光滑,数量较多,是一种重要的机械重力感器。耳形感器(SAU)在前人对松褐天牛触角感器的研究上已有过报道,根据其对耳形感器超微结构的观察,该感器壁薄,表面密布的小孔内连孔道,具树突神经及微管,具有嗅觉感器功能[11, 45]。钩形感器较为特殊,目前仅在青杨脊虎天牛触角上有发现[38],但相关功能研究还未见报道。

感受器是昆虫与外界环境联系的重要纽带,触角上感受器的外部形态和内部构造的不同,影响和决定着感器的作用与功能[35, 46]。但由于目前感器类型的鉴定尚未有严格统一的标准,因此同类或不同类型感器在命名时常存在一定的差异或重合[32]。本研究运用扫描电镜技术初步鉴定了蓝翅天牛雌雄成虫各类型触角感器及其分布特征,并通过与其他天牛科昆虫触角感器的研究结果进行比较,对蓝翅天牛触角感器的功能进行了推测,研究结果将有助于探索蓝翅天牛寄主选择行为机制,继而为该虫化学生态综合防控技术研究和应用提供理论依据。但有关其更深层次的感器内部超微结构及其在蓝翅天牛成虫化学通讯过程中的作用,仍需综合透射电镜技术与行为学试验做进一步功能验证。