云杉大墨天牛成虫触角感器的扫描电镜观察1)

李德斌 李志鹏 王伟韬 吴昊 王家庆 何姗 姜生伟

(沈阳工学院,沈阳,113122)(沈阳农业大学)(辽宁省林业发展服务中心)(东北林草危险性有害生物防控国家林业和草原局重点实验室(沈阳工学院)) (辽宁省危险性有害生物防控重点实验室(沈阳工学院))(辽宁省林业和草原局)

云杉大墨天牛(Monochamusurussovi)隶属于鞘翅目(Coleoptera)天牛科(Cerambycidae)墨天牛属(Monochamus),是东北地区松树的主要害虫之一。云杉大墨天牛幼虫为蛀干害虫,其可取食到树干髓心部位,成虫取食松树嫩枝,造成木材损失。昆虫在长期进化过程中,为应对复杂的环境因素和完成觅食、寻偶、交配、产卵、迁飞等多种生命活动,形成了一系列适合自身特点和生活方式的感觉器官。昆虫的感觉器官与神经系统及分泌系统共同调控昆虫的生理和行为[1-2]。昆虫的感器由体壁表皮特化形成,是昆虫识别挥发性化学信号的基本结构,也是其感受外界信息最基本的结构单元。对感器形态学及结构的观察是昆虫功能研究的基础。触角是昆虫接受外部刺激的重要感觉器官之一,触角上的感器数量和种类均比较丰富,在调节昆虫行为方面有着重要作用。

近年来,国内外学者先后报道了黄星天牛(Psacotheahilaris)[3]、松墨天牛(Monochamusalternatus)[4-6]、云斑天牛(Batocerahorsfieldi)[7]、青杨脊虎天牛(XylotrechusrusticusL)[8]等天牛触角感器的超微结构,并对其感器功能进行推断,但鲜见有关于云杉大墨天牛感器结构特征和功能推断的报道。对云杉大墨天牛触角感器类型、数量、分布规律的探究可为其行为学和电生理学研究等提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

在吉林省延边朝鲜族自治州安图县采集云杉大墨天牛雌、雄虫触角各5对。主要仪器有超声波清洗仪(SB-5200DT)、真空冷冻干燥机(VFD-30)、离子镀膜机(MC1000)、扫描电子显微镜(JSM-7500F)。主要试剂有磷酸缓冲液(PBS)、无水乙醇溶液(分析纯)、叔丁醇溶液(分析纯)。

1.2 样品处理

用体积分数为75%的酒精在超声波清洗仪中对云杉大墨天牛触角进行震荡清洗180 S。用磷酸缓冲液对样品进行漂洗15 min,共重复3次。利用不同梯度乙醇溶液对其进行脱水,乙醇溶液体积分数分别为50%、70%、80%、90%、100%,每个梯度脱水15 min,其中体积分数为100%的乙醇溶液脱水3次,其余体积分数的脱水1次。然后再利用不同体积分数的叔丁醇对其进一步脱水,叔丁醇溶液体积分数分别为50%、75%、90%、100%,每次干燥10 min,将脱水处理完的样品放置冰箱4 ℃保存待用。

1.3 样品观察

脱水后的样品用VFD-30真空冷冻干燥机干燥约3 h。干燥后,将样品用导电胶粘贴在样品台上,然后在MC1000离子镀膜机上喷金3 min,在1 kV下用扫描电子显微镜对触角上的感器进行观察。

1.4 数据处理

天牛触角上感器种类繁多,依据其外部形态、表面痕迹、大小等特征进行分类。选取每种类型的天牛触角感器3～10个,进行长度和基部直径测量,对每个部位着生的各类感器的数量和分布情况进行统计。所有测量数据运用SPSS22.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 触角的基本特征

云杉大墨天牛雌虫和雄虫的触角均由柄节、梗节、9节鞭节组成,共11节(图1)。雄虫触角较长,平均长度为(82.41±4.76)mm,雌虫较短,平均为(44.46±2.25)mm。触角基部为黑褐色,从第3节开始逐渐呈棕红色,雌性触角每节基部均被有灰白色毛。雌虫及雄虫的触角均以第1节鞭节最长,雄性的为(12.91±0.80)mm,雌性的为(8.25±0.66)mm;第8鞭节最短,雄虫第8鞭节平均为(6.33±0.40)mm,雌虫平均为(2.79±0.13)mm。

F1～F9分别为第1鞭节～第9鞭节。

2.2 云杉大墨天牛触角感器类型

云杉大墨天牛触角上的感器类型共有6种,分别为锥形感器、刺形感器、毛形感器、具沟端弯感器、水滴形感器和波氏鬃毛(图2)。雌虫触角上的感器种类有5种,分别为锥形感器、刺形感器、毛形感器、具沟端弯感器、波氏鬃毛,雄虫触角上则6种感器均有分布。在雌、雄天牛触角上均是毛形感器数量最多,其次为锥形感器,波氏鬃毛和刺形感器数量较少。各感器形态特征及度量值详见表1。

表1 云杉大墨天牛触角感器的形态特征

图2 云杉大墨天牛触角感器类型图

2.3 触角感器的数量

雌、雄触角感器数量比约为3∶1,雌性天牛触角上的感器数量高于雄性天牛。雌性与雄性天牛触角上的各感器数量顺序基本一致,由多到少依次为毛形感器、锥形感器、具沟端弯感器、波氏鬃毛、刺形感器。雄性天牛触角上的水滴形感器数量较多,与锥形感器的数量相近。

2.3.1 雄性天牛触角感器数量和分布

雄性天牛触角感器数量和分布见表2。

表2 云杉大墨天牛雄虫触角不同感器数量

雄虫的触角中,锥形感器分布在第4～9鞭节中,在第9鞭节分布最多。第9鞭节距离昆虫头部最远,可最先感受外界的化学信息如气味等。依据过往对昆虫感器的研究,锥形感器为嗅觉感器,与搜寻寄主和食物有关,推测其在取食阶段发挥作用。

毛形感器在雄虫触角的各节中均有分布,数量上以第4鞭节为节点,自第4鞭节开始显著增多并呈上升趋势,其中,第9鞭节毛形感器数量最多。毛形感器为嗅觉感器,其与信息素和寄主挥发物的接收有关,推测毛形感器在搜寻配偶方面发挥作用。

刺形感器在除梗节外的其余各节均有分布,其中,柄节上数量最多。各鞭节刺形感器数量相当,均分布在各节端部,但总体数量远小于其他感器。刺形感器长度最长,可最先接收外界的信息,感受机械刺激和化学信息。

具沟端弯感器在除柄节外的其余各节均有分布。梗节及第1～6鞭节的具沟端弯感器数量相近,从第7～8鞭节开始,具沟端弯感器数量开始增加,第9鞭节的数量最多,大约为前部的10倍左右。目前,具沟端弯感器功能尚未明确,其垂直于触角表面,与外界接触面积最大,推测其作用可能与感受空气中的温湿度有关。

水滴形感器在除柄节外的其余各节均有分布,其呈现两端多,中间少的分布特征。水滴形感器只在雄性天牛触角中有分布。水滴型感器的功能目前还未见报道,有待进一步确定,推测其可能与接收信息素及识别配偶有关,在交配阶段发挥作用。

波氏鬃毛只在梗节上有分布,且数量较少。该感器为机械感器,用于感受重力,推测其作用为云杉大墨天牛摔落时保持平衡、调整自身姿态及飞行时感受方向。

云杉大墨天牛雄性触角感器共有6种,波氏鬃毛只分布在梗节,刺形感器在各节数量相近,其余感器在数量上都呈后部多于前部的,且通常第9鞭节的数量最多。柄节在感器数量和类型上均为最少,只分布有毛形感器和刺形感器。梗节除无锥形感器和刺形感器外,其余感器均有分布,且波氏鬃毛为此节独有。后6节鞭节在感器总量和类型上均远高于前部,尤其是第9鞭节,只要有感器分布其数量就会多于其他各节。推测原因为第9鞭节离昆虫本体较远,能最先接受到外界信息并传回控制中心,使昆虫提前做好应急反应。

2.3.2 雌性天牛触角感器数量和分布

雌性天牛触角感器数量和分布见表3。

表3 云杉大墨天牛雌虫触角不同感器数量

锥形感器只在第2～9鞭节中发现,其中,第9鞭节上数量最多,第5～9鞭节锥形感器数量高于第3、4鞭节,且远高于第2鞭节,第2～9鞭节锥形感器数量总体呈逐渐上升趋势。过往研究表明,锥形感器为嗅觉感器,推测其功能与产卵和取食有关。

除梗节外,毛形感器在其余各节中均有分布,第1～9鞭节数量远高于柄节,且除第6鞭节外,其余鞭节毛形感器数量均呈递增态势。雌性毛形感器的功能可能与雄性相似,即搜寻配偶和寻找产卵场地。

刺形感器在除第1鞭节及第9鞭节外的其余各节均有分布,其中,梗节上分布数量最多,远高于其他各节。各鞭节刺形感器数量相对均匀。刺形感器总体数量远小于锥形感器和毛形感器,略高于具沟端弯感器,推测雌性刺形感器功能与雄性的相似。

除柄节和梗节外,具沟端弯感器在其余各节均有分布,其中,第3～8鞭节的分布数量相近,略高于另外的3个鞭节。具沟端弯感器作用可能为感受空气中的温湿度。

波氏鬃毛在雌虫触角上也只在梗节有分布,且数量较少,推测其功能与雄虫一致。

云杉大墨天牛雌性触角感器主要集中在鞭节,除波氏鬃毛外,其余4种类型的感器在第2～8节鞭节均有分布。第9鞭节除未分布刺形感器外,剩余3种感器均有分布。梗节只分布有刺形感器和波氏鬃毛,且波氏鬃毛为此节独有。柄节的感器数量最少,只分布有毛形感器和刺形感器。鞭节在感器总量和类型上均远高于柄节及梗节,与雄虫相似,原因推测与雄虫一致。

与雄性天牛触角相比,雌性天牛触角的感器类型少于雄性,但感器数量多于雄性,约为雄性的3倍。雌性天牛触角感器数量多于雄性可能是雌性天牛具有更多的行为,如取食、交配、产卵等,需要提供更多的信息,而雄性天牛仅有交配行为。

3 讨论

目前,人们发现的昆虫触角感器类型有61种[9]。每种感器类型的功能不尽相同,各感器可帮助昆虫完成取食、信息传递、求偶、繁殖、寻找寄主的行为[10]。

云杉大墨天牛成虫触角上共有6种感器类型,即锥形感器、毛形感器、刺形感器、具沟端弯感器、水滴形感器、波氏鬃毛。不同感器在天牛触角各节上的分布存在差异。云杉大墨天牛触角具有搜寻寄主、寻找产卵地、识别配偶、感受温湿度、飞行定位的功能。

松墨天牛触角上有6种感器,分别为机械感器、锥形感器、毛形感器、耳形感器、刺形感器和栓锥形感器[5]。云杉花墨天牛(Monochamussaltuariu)触角上有4种感器,分别为毛形感器、锥形感器、刺形感器、腔锥形感器[11]。云杉大墨天牛、云杉花墨天牛、松墨天牛的触角都有毛形感器、锥形感器、刺形感器分布,且毛形感器和锥形感器的形状结构相似,据此推测这两种感器与信息素的接收有关[12-13]。刺形感器主要存在于云杉大墨天牛触角上的柄节、梗节及各鞭节的连接处,其形态和分布特点与栎丽虎天牛(Plagionotuspulcher)的刺形感器相似[14]。有研究表明,刺形感器直立着生于触角表面且显著长于其他感器,可最先接触物体,感受刺激,具有感受机械刺激的功能[15]。但也有学者在对松梢象(Pissodesnitidus)的研究中发现,刺形感器能够传递化学信息,执行嗅觉功能[16],这表明其在雌虫寻找产卵地点及感受寄主植物挥发性物质阶段发挥作用。波氏鬃毛被认为是一种感受重力的机械感器,当遇到机械刺激时,能够缓冲重力的作用力,从而控制触角,减缓下降速度[17]。

本研究还发现,在雌雄虫第4～9鞭节的端部有一特殊感器区域(图3),为凹窝状,呈勺形。凹窝内着生大量锥形感器,这与青杨脊虎天牛的特殊区域相似[8],但目前并不知晓具体功能作用。因该区域分布着大量锥形感器,而锥形感器为嗅觉感器,因此推测其与嗅觉有关。

图3 雌虫触角第5鞭节

以往研究中,水滴形感器只在等翅目昆虫中发现,具沟端弯感器只在膜翅目昆虫中发现[9],而本研究为首次在鞘翅目昆虫上观察到这两种感器。但由于技术受限,本研究未得到天牛触角透射电镜照片及水滴形感器和具沟端弯感器的内部结构,需进行后续研究。目前,水滴形感器及具沟端弯感器的功能未见报道,水滴形感器因其只分布在雄性天牛触角上,推测其作用为在雄性天牛搜寻配偶时接收信息素和识别雌性。

通过对云杉大墨天牛雌、雄成虫触角感器类型及分布进行观察研究,对比分析了雌、雄成虫触角感器的差异,并对部分感器功能进行了推测,为鞘翅目昆虫触角感器的研究做了补充。由于时间和技术有限,未对各类感器的功能和嗅觉识别机制进行探究,今后还需利用触角电位等技术进行深入细致的研究。