榛实象成虫触角感器类型、分布及超微结构1)

马晓乾 马玲 王琪 高宇 尚尔雨 申国涛

(黑龙江省林业科学院森林保护研究所,哈尔滨,150040)(东北林业大学)(黑龙江省林业科学院森林保护研究所)

嗅觉在昆虫生命活动过程中起着重要的作用,触角是昆虫的主要嗅觉器官,分布着各种类型的感器,不同类型的感器具有不同的功能[1-2]。尽管感器遍布昆虫全身,但位于触角上的感器发挥着最重要的作用,因此触角成为大多数昆虫的主要外围的嗅觉系统[3-5]。昆虫在整个生活史中,根据这些感器的不同功能来完成与外界环境信息的交流,以帮助昆虫适地适时的完成特定的生物学行为,如栖息地的选择、寄主识别与定位、求偶、产卵等[6-11]。不同昆虫或同一物种不同性别的触角在形态、长度、总体数量、单个节段数量大小方面存在着不同程度的差异,而且触角感器的大小、密度、类型、分布及其功能等方面,在不同物种间也存在很大的差异[12-15]。触角感器的这些显著差异对于昆虫分类学、生态学以及昆虫行为研究具有许多潜在的价值[15-18]。

榛实象(CurculiodieckamanniFaust.)属鞘翅目(Coleoptera)、象甲科(Curculionidae),是一种危害经济树种榛子(CorylusheterophyllaFisch.ex Trautv.)的种实害虫,成虫通常产卵于幼果上,幼虫孵化后取食榛果,造成经济损失[19]。关于榛实象的研究较少,仅在生物学特性及防治方面展开了一些研究[20-22],而在榛实象触角感器方面的研究,尚未见到相关报道。为弄清榛实象成虫在外界环境下对寄主识别、求偶、产卵等生物学行为中,触角感器所发挥的作用,本项研究利用扫描电镜对榛实象成虫触角感器的类型、形态、数量、分布及超微结构进行观察研究,同时为进一步开展榛实象的行为及生理功能的研究提供理论依据。

1 材料与方法

榛实象成虫于6月上旬采自黑龙江省东京城林业局三道林场榛子园内(地理中心坐标为东经129°39′2″、北纬44°7′4″),带回室内置于养虫瓶,喂食新鲜的榛叶,每天换一次树叶。雌雄成虫分别放入70%酒精的指型管中于冰箱内4 ℃保存,待扫描电镜观察。

选取榛实象雌、雄成虫各5头,通过光学显微镜观察,在1滴体积分数为70%的酒精中摘取触角,然后用超声波清洗器在体积分数为70%的酒精中仔细清洗样品5次。随后分别用体积分数为80%、85%、90%、95%、100%这5个梯度的酒精脱水(每个脱水15 min,100%酒精重复3次),再转移至体积分数为100%的叔丁醇中浸泡30 min后,置于冷冻干燥机内干燥5 h。将干燥的样品分别用导电胶粘于扫描电镜的样品观察台上,喷金镀膜,而后用扫描电子显微镜(JEM-7500F,日本)观察、测量并拍照。

用ImageJ软件测量雌、雄触角长度;每种类型的感器直径、长度采用SPSS 19.0进行数据分析;利用独立样本分组t检验比较同一节内雌雄间不同类型感器的数量、长度、基部直径(孔径)差异显著性;利用单因素方差邓肯(Duncan)方法分析不同节间及雌雄间不同类型感器的数量、长度、基部直径(孔径)差异显著性。感器分类依据其外部形态、长度、分布特征,借鉴Altner[23]、Chi et al.[24]提出的命名法。

2 结果与分析

2.1 榛实象触角的结构特征

榛实象雌、雄成虫的触角均呈膝状。雌成虫的触角着生于喙管距离头部近1/3处,雄成虫的触角着生于喙管距离头部近1/2处(图1)。雌、雄成虫触角均有9节,其中柄节(Sca)1节、梗节(Pe)1节、鞭节7节。鞭节包含6个索节(f1～f6),1个棒节(f7,图2)。雌、雄成虫触角总长度分别为5 872.30、5 068.87 μm,差异显著(P<0.05),触角的总长度略小于体长1～2 mm(从头部到腹部末端的距离)。榛实象成虫触角柄节、梗节及鞭节的f1～f7节,每节的长度在雌雄间差异显著(P<0.05)。榛实象成虫触角各节的长度间及雌雄间差异显著(P<0.05),雌成虫触角总长及各节长度均明显长于雄成虫(表1)。

(a)为雌虫;(b)为雄虫;Pr为喙;An为触角。

(a)为触角整个形态(柄节、梗节、鞭节的f1～f7亚节);(b)为雄虫棒节(f7);(c)为雌虫棒节(f7)。

表1 榛实象触角的总长度及各节长度

2.2 榛实象触角感器的类型、分布及结构特征

通过对榛实象雌、雄成虫触角感器的观察,共发现10种类型感器(图3,图4,表2),分别为锥形感器(Sb)的 2个亚型(Sb1、Sb2)、毛形感器(St)的3个亚型(St1、St2、St3)、刺形感器(Sc)的6个亚型(Sc1、Sc2、Sc3、Sc4、Sc5、Sc6)、栓锥形感器(Ss)的3个亚型(Ss1、Ss2、Ss3)、镰刀形感器(Sf)的2个亚型(Sf1、Sf2)、表皮孔(Cp)的2个亚型(Cp1、Cp2)、鳞形感器(Sq)、孢子囊形感器(Ssp)、腔锥形感器(Sco)、Böhm氏鬃毛(Bb)。雌雄触角上的感器具有明显的差异,雌性榛实象触角感器类型、数目多于雄性。毛形感器St3、镰刀型感器Sf1、栓锥形感器Ss3、孢子囊形感器Ssp只存在于雌性成虫中,腔锥形感器Sco、表皮孔Cp2只存在于在雄性成虫中(表2,表3)。

a为锥形感器Sb1亚型分布在棒节f7节;b为毛形感器St1、刺形感器Sc1、刺形感器Sc2亚型分布在棒节f7节;c为刺形感器Sc3亚型分布在棒节f7节;d为表皮孔Cp1亚型分布在棒节f7节;e为栓锥形感器Ss1亚型、毛形感器St2、St3亚型分布在棒节f7节;f为锥形感器Sb2亚型分布在棒节f7节。

a为刺形感器Sc4亚型分布在梗节、鞭节亚节f1～f6节;b为孢子囊形感器Ssp、Ss2、Ss3亚型分布在棒节f7节;c为Böhm氏鬃毛分布在f4节;d为刺形感器Sc5亚型分布在f1～f7节;e为刺形感器Sc6亚型分布在梗节、鞭节亚节f1～f6节;f为镰刀形感器Sf1、Sf2亚型分布在棒节f7节;g为鳞形感器Sq分布在柄节;h为腔锥形感器Sco分布在f5、f6节;i为表皮孔Cp2亚型分布在棒节f7节。

表2 榛实象成虫触角各节感器类型及数量分布

表3 榛实象各种感器形态特征

雌雄成虫触角上分布的各类感器分别为2 392、2 131个,雌成虫触角分布的各类感器总数比雄成虫多254个,榛实象成虫触角10种感器总数的雌雄间及每种感器总数的雌雄间差异显著(P<0.05,表4)。感器数量在各节雌雄间也表现出一定的差异,在柄节、梗节及鞭节的索节f1、f2、f4、f5、f6和棒节f7节,感器数量在对应的节内雌雄间差异显著(P<0.05);在f3节,感器数量在雌雄间差异不显著;感器数量在各节间、雌雄间差异显著(P<0.05,表2,表5)。

表4 榛实象触角的各种感器数量

表5 榛实象触角各节感器数量

2.2.1 锥形感器

锥形感器(Sb)是榛实象触角上分布数目较少的一类感器,较短、基部或离基部近端较粗,然后急剧变细,末梢部较钝。根据长度和有无纵裂纹分为2个亚型(Sb1、Sb2)。

Sb1亚型锥形感器基部着生于臼状窝内,直立、表面光滑、尖端钝。主要分布于雌、雄成虫触角棒节f7末梢处(图3a, f)。该感器在雌成虫触角上分布数量为9个,在雄成虫触角上分布数量为7个,分布数量在雌雄间差异显著(P<0.05,表2)。该感器在雌成虫中长度为6.05 μm,基部直径为3.07 μm;在雄成虫中长度为5.33 μm,基部直径为2.59 μm。感器长度和基部直径在雌雄间差异显著(P<0.05,表3)。

Sb2亚型锥形感器基部与触角表面紧密连接,略弯曲,表面有纵裂纹,尖端钝(图3f)。该感器分布于雌、雄成虫触角棒节f7末梢处,在雌雄成虫触角分布数量均为5个,分布数量在雌雄间差异不显著(表2)。该感器在雌成虫中长度为11.86 μm,基部直径为4.28 μm;在雄成虫中长度为8.92 μm,基部直径为3.91 μm;感器长度和基部直径在雌雄间差异显著(P<0.05,表3)。

2.2.2 毛形感器

毛形感器(St)是一种细而长、径直或略有弯曲,从基部到末梢逐步变细。根据有无臼状感器窝、有无弯曲或分叉分为3个亚型。在雌成虫触角上发现了St1、St2、St3亚型,在雄成虫触角上发现St1、St2亚型,分布在雌、雄鞭节的棒节f7上。

St1亚型毛形感器较长,沿基部至感器梢部逐渐变细,感器径直四壁光滑,末梢端圆钝(图3b)。该感器在雌成虫触角上分布数量231个,在雄成虫触角分布数量230个,分布数量在雌雄间差异不显著(表2)。该感器在雌成虫中长度为25.64 μm,基部直径为2.51 μm;在雄成虫中长度为22.82 μm,基部直径为2.39 μm;感器长度在雌雄间差异显著(P<0.05),基部直径在雌雄间差异不显著(表3)。

St2亚型毛形感器基部紧密的着生于触角表面,无臼状感器窝,基部较粗,沿基部至感器梢部逐渐变细,感器弯曲四壁光滑,末梢端圆钝(图3e)。该感器在雌成虫触角上分布数量198个,在雄成虫触角上分布数量208个,数量分布在雌雄间差异不显著(表2)。该感器在雌成虫中长度为20.07 μm,基部直径为2.66 μm;在雄成虫中长度为25.30 μm,基部直径为2.55 μm;该感器长度在雌雄间差异显著(P<0.05),基部直径在雌雄间差异不显著(表3)。

St3亚型毛形感器基部紧密的着生于触角表面,无臼状感器窝,基部较粗,沿基部至感器梢部逐渐变细,在近1/2处分叉,一侧较长近感器总长的1/2,一侧极短,近感器总长的1/15,感器略弯曲四壁光滑,末梢端圆钝(图3e)。该感器仅在雌成虫触角鞭节的棒节f7上发现,分布数量80个(表2)。感器长22.40 μm,基部直径2.51 μm(表3)。

2.2.3 刺形感器

刺形感器(Sc)是榛实象触角上分布数目最多的一类感器,末端尖锐呈刺状,根据长度、是否着生于臼状感器窝、有无纵裂纹、有无弯曲、是否从基部到末梢逐步变细,分为6个亚型。

Sc1亚型刺形感器基部着生于臼状感器窝,基部较粗,沿基部至感器梢部逐渐变细,表面分布有纵裂纹,略弯曲(图3b)。该感器分布于触角鞭节的索节f6和棒节f7上,数量在f6、f7节内雌雄间差异不显著;在f6、f7节间及雌雄间差异显著(P<0.05,表2)。该感器在雌成虫中长度为48.38 μm,基部直径为2.97 μm;在雄成虫中长度为40.83 μm,基部直径为3.22 μm;该感器长度在雌雄间差异显著(P<0.05),基部直径在雌雄间差异不显著(表3)。

Sc2亚型刺形感器基部着生于臼状感器窝,基部较粗,沿基部至感器梢部逐渐变细,表面光滑,略弯曲(图3b)。该感器分布于触角鞭节的棒节f7,在雌成虫触角上分布数量209个,在雄成虫触角上分布数量212个,分布数量在雌雄间差异不显著(表2)。该感器在雌成虫中长度为39.87 μm,基部直径为2.91 μm;在雄成虫中长度为41.00 μm,基部直径为2.91 μm;该感器长度和基部直径在雌雄间差异不显著(表3)。

Sc3亚型刺形感器基部着生于臼状感器窝,沿基部至感器梢部逐渐变细,表面分布有纵裂纹,径直或末梢略弯曲,分布于触角鞭节的f7上(图3c)。该感器在雌成虫触角上分布数量22个,在雄成虫触角上分布数量24个,分布数量在雌雄间差异不显著(表2)。该感器雌成虫中长度为84.78 μm,基部直径为3.96 μm;在雄成虫中长度为82.03 μm,基部直径为4.01 μm;感器长度和基部直径在雌雄间差异不显著(表3)。

Sc4亚型刺形感器基部着生于臼状感器窝,从基部至1/3处径直,而后略变粗至2/3处粗细均匀,后至末梢端略弯曲且逐渐变细,表面分布有纵裂纹(图4a)。该感器分布于触角梗节、鞭节的索节f1～f6上,该感器数量在梗节、索节(f1、f2、f5、f6节)内雌雄间差异显著(P<0.05),在f3、f4节内雌雄间差异不显著;该感器数量在分布的各节间及雌雄间差异显著(P<0.05,表2)。该感器在雌成虫中长度为72.80 μm,基部直径为3.42 μm;在雄成虫中长度为73.36 μm,基部直径为3.40 μm;该感器的长度和基部直径在雌雄间差异不显著(表3)。

Sc5亚型刺形感器基部着生于臼状感器窝,从基部至2/3处径直且粗细均匀,而后至末梢端略弯曲逐渐变细,表面分布有纵裂纹(图4d)。该感器分布于雌、雄成虫触角鞭节的索节f1～f6和棒节f7上,该感器数量在f1、f2、f3、f5、f6节内雌雄间差异显著(P<0.05),在f4、f7节内雌雄间差异不显著;该感器在分布的各节间及雌雄间差异显著(P<0.05,表2)。该感器在雌成虫中长度为64.67 μm,基部直径为4.48 μm;在雄成虫中长度为63.3 μm,基部直径为4.35 μm;该感器的长度和基部直径在雌雄间差异不显著(表3)。

Sc6亚型刺形感器基部着生于臼状感器窝,从基部至末梢端逐渐变细,径直,表面分布有纵裂纹(图4e)。该感器分布于雌、雄成虫触角梗节、鞭节的索节f1～f6上,该感器数量在梗节、索节(f1～f6节)内雌雄间差异不显著;该感器数量在分布的各节间及雌雄间差异显著(P<0.05,表2)。该感器在雌成虫中长度为196.92 μm,基部直径为10.03 μm;在雄成虫中长度为194.53 μm,基部直径为9.99 μm;该感器的长度和基部直径在雌雄间差异不显著(表3)。

2.2.4 栓锥形感器

栓锥形感器(Ss)是一类表面光滑的锥形,底座呈半球形,根据长短、末梢形状、底座位置分为3个亚型。Ss1、Ss2亚型在雌雄成虫触角上均有发现,Ss3亚型仅在雌成虫触角上发现。

Ss1亚型栓锥形感器基部半球形底座,着生于触角表面,锥形部分乳突状,末端圆钝,表面光滑(图3e)。该感器分布于雌雄成虫触角鞭节的棒节f7上,在雌雄成虫触角上分布数量均为49个,该感器数量在雌雄间差异不显著(表2)。该感器在雌成虫中长度为3.14 μm,基部底座直径为6.14 μm;在雄成虫中长度为3.80 μm,基部底座直径为6.46 μm;该感器的长度在雌雄间差异显著(P<0.05),基部底座直径在雌雄间的差异不显著(表3)。

Ss2亚型栓锥形感器基部半球形底座,着生于触角表面,锥形部分较长,略弯曲,底座衔接处较粗至末端逐渐变细,末梢端圆钝,表面光滑(图4b)。该感器分布于雌、雄触角鞭节的棒节f7上,在雌成虫触角上分布数量为36个,在雄成虫触角上分布数量为33个,该感器数量在雌雄间差异不显著(表2)。该感器在雌成虫中长度为8.41 μm,基部底座直径为3.64 μm;在雄成虫中长度为8.58 μm,基部底座直径为3.32 μm;该感器的长度和基部底座直径在雌雄间差异不显著(表3)。

Ss3亚型栓锥形感器基部着生于臼状感器窝内,半球形底座位于基部和末梢端之间近基部,上下均呈锥形,半球形底座较粗,向基部和末梢端均逐渐变细,基部到底座部分径直,半球形底座到末梢端略弯曲,末梢端圆钝,表面光滑(图4b)。该感器仅分布于雌成虫触角鞭节的棒节f7上,分布数量为13个,感器长度为9.99 μm,基部底座直径为1.38 μm(表2,表3)。

2.2.5 镰刀型感器

镰刀形感器(Sf),呈镰刀形,基部较粗,感器顶端急剧变细,根据其表面是否存在波浪形分为2个亚型(Sf1、Sf2),Sf1亚型仅在雌成虫触角上发现,而Sf2亚型在雌雄成虫触角上均有发现。

Sf1亚型镰刀型感器着生于触角表面或臼状感器窝内,从基部到顶端急剧变细过程中呈波浪状,表面具有纵裂纹,亦呈波浪形,顶端细而尖(图4f)。该感器仅分布于雌性成虫触角鞭节的棒节f7上,分布数量为35个,长度为25.04 μm,基部直径为4.58 μm(表2,表3)。

Sf2亚型镰刀形感器着生于臼状感器窝内,从基部到顶端急剧变细,表面具有纵裂纹,顶端细而尖(图4f)。该感器分布于雌、雄成虫触角鞭节的棒节f7节上,在雌成虫触角上分布数量为45个,在雄成虫触角上分布数量为43个,分布数量在雌雄间差异不显著(表2)。该感器在雌成虫中长度为13.86 μm,基部直径为3.37 μm;在雄成虫中长度为15.06 μm,基部直径为3.53 μm;该感器的长度和基部直径在雌雄间差异不显著。

2.2.6 表皮孔

表皮孔(Cp)是一种分布在触角壁上的极小孔状感器,数量较少,根据其形状单孔(复孔)、大小可分为2个亚型(Cp1、Cp2)。Cp1在雌雄成虫触角上均有发现,而Cp2仅在雄成虫触角上发现。

Cp1亚型表皮孔为极小的单孔状,分布于雌、雄成虫触角鞭节f7节的表面(图3d)。该感器在雄成虫触角上分布数量为12个,在雄成虫触角上分布数量为11个,分布数量在雌雄间差异不显著(表2)。该感器在雌成虫中表孔孔径为0.78 μm,在雄成虫中表孔孔径为0.79 μm;表孔孔径在雌雄间差异不显著(表3)。

Cp2亚型表皮孔为一大一小孔洞紧紧连接在一起,呈母子孔复孔状,仅分布于雄成虫触角鞭节的棒节f7表面(图4i)。该感器分布数量为18个,复孔孔径为5.08 μm(表2,表3)。

2.2.7 孢子囊形感器

孢子囊形感器(Ssp)着生于触角表面,无臼状干起窝,基部相比较细,顶端变粗呈孢子囊形(图4b)。该感器仅分布于雌成虫触角鞭节的棒节f7上,数量为31个,长度为15.34 μm,基部直径为1.92 μm(表2,表3)。

2.2.8 鳞形感器

鳞形感器(Sq)是触角柄节(Sca)、梗节(Pe)上的一种感器,着生于臼状感器窝内,中间较粗,基部、梢部均比中间部位细,呈狭长的鳞片形,表面具有纵裂纹,略弯曲,末梢端圆钝(图4g)。该感器在雌雄成虫触角的柄节和梗节,分布数量在Pe、Sca节内雌雄间差异显著(P<0.05);在柄节、梗节节间及雌雄间差异显著(P<0.05)(表2)。该感器在雌成虫中长度为50.61 μm,基部直径为4.18 μm;在雄成虫中长度为51.22 μm,基部直径为4.25 μm;该感器的长度和基部直径在雌雄间差异不显著(表3)。

2.2.9 腔锥形感器

腔锥形感器(Sco)小臼窝状的孔腔和孔腔内中心凸起的锥形感器组成,凸起的锥形结构未伸出孔腔口,且锥形结构末端钝圆(图4h)。该感器仅在雄成虫触角鞭节的f5、f6上发现,数量较少,在f5节分布数量为14个,在f6节分布数量为15个,f5、f6节间差异不显著(表2)。该感器孔腔的孔径为3.92 μm(表3)。

2.2.10 Böhm氏鬃毛

Böhm氏鬃毛(Bb)基部着生于触角表皮,整体细而短,径直,四壁光滑,基部较粗,基部至末梢端逐渐变细,末梢端较尖(图4c)。该感器在雌雄成虫触角的Pe上近Sca处发现,在雌成虫触角上分布数量为15个,在雄成虫触角上分布数量为14个,分布数量在雌雄间差异不显著。该感器在雌成虫中长度为11.95 μm,基部直径为1.80 μm;在雄成虫中长度为11.90 μm,基部直径为1.82 μm;该感器的长度和基部直径在雌雄间差异不显著。

3 讨论与结论

昆虫的感器种类、数量与昆虫取食、栖息、繁殖及生活习性的自然环境息息相关[25-26]。本研究发现榛实象成虫触角具有10种类型感器。榛实象触角感器种类、数量较多的原因,与榛实象能够在复杂的森林环境中依赖稀少的寄主小灌木榛树取食、繁殖有关。榛实象成虫雌雄触角上感器类型从柄节—梗节—鞭节(索节f1～f6, 棒节f7)逐渐增加,触角结构、感器类型、结构与美核桃象甲(Curculiocaryae)、葡萄象甲(Naupactusxanthographus)、沟眶象(Eucryptomhynchuschinenis)等具有一定的相似,这与它们均在复杂的森林环境密不可分[27-29]。但同时,也存在一定的差异,如核桃象甲感器类型10种,云南木蠹象6种,香樟齿喙象7种,而榛实象10种;美核桃象甲、云南木蠹象、香樟齿喙象的感器总数是雌虫多于雄虫[27,30]。

在雌雄榛实象触角各类感器中,刺形感器分布数目最多,且雌性榛实象触角中显著多于雄虫。刺形感器在昆虫嗅觉中承担机械感受/化学感受功能作用[8,31]。本研究中,共发现毛形感器3个亚型,其中St1、St2亚型雌雄间差异不显著,而St3亚型仅在雌虫中发现。许多研究表明,毛形感器(St)是昆虫嗅觉功能的重要感器,主要起到接收性信息素的作用[32-35],有助于更准确的定位榛实象性信息素的来源。

锥形感器(Sb)在榛实象触角上数量少,由于分布触角最末端,所以具有接触性感器功能[36-37],一些研究表明,其发挥嗅觉功能[38-39]。腔锥形感器(Sco)被认为能够感受温度、湿度、二氧化碳和化学信息物质及位置信息物质有关[40-41],该类感器仅在雌虫触角中发现,主要分布于索节f5、f6,推断其在接收性信息素和产卵场所气味中发挥作用。在一些研究中,镰刀形感器(Sf)被认为具有味觉、嗅觉感受的功能[13,42],该类感器在雌雄触角中均有分布,在雌虫中有2个亚型、雄性中1个亚型。表皮孔(Cp)参与触角表皮层物质的分泌或接收气味分子的通道及排泄物的排放通道[13,42],共发现两种表皮孔,雌雄中共有Cp1,Cp2仅在雌虫中发现,发挥的功能作用需进一步研究。栓锥形感器(Ss)是一种分布于昆虫触角、口器上的感器,参与味觉、产卵场所定位的嗅觉功能作用[43-44]。我们在榛实象触角上发现了鳞形感器(Sq)、Böhm氏鬃毛感器,研究表明,它们属于非嗅觉性的,具有能够感受机械或风速功能[45-46]。

本研究对榛实象雌雄成虫触角感器类型、数量、分布及形态特征进行了研究,也揭示了榛实象成虫触角感器在雌雄间存在的差异,并根据其它昆虫感器的功能作用对其功能进行了推断。这些结果为进一步开展榛实象行为及触角感器生理功能的研究奠定了基础。