红脂大小蠹成虫触角感器的扫描电镜观察

王 涛

(北京市门头沟区林业工作站, 北京 102300)

红脂大小蠹成虫触角感器的扫描电镜观察

王 涛

(北京市门头沟区林业工作站, 北京 102300)

红脂大小蠹DendroctonusvalensLeConte属鞘翅目Coleoptera小蠹科Scolytidae,是我国一种重要的外来入侵害虫。为探究其寄主找寻、配偶找寻和种群聚集等行为机制,本文利用扫描电镜技术,对红脂大小蠹雌雄成虫的触角进行了观察,并对感器进行了分类以及其分布规律的研究。结果表明:红脂大小蠹雌雄成虫触角上共存在包括刺形感器、毛形感器、锥形感器、腔锥形感器和Böhm氏鬃毛在内的5种感器类型,其中毛形感器又分为形态各异的3种亚型。这些感器类型大都在触角的棒节上成带状分布。通过对比其他类似的研究以及感器的外部形态特征,推测红脂大小蠹的毛形感器和锥形感器是化学感受器,是最重要的嗅觉器官;刺形感器、腔锥形感器以及Böhm氏鬃毛是机械感受器,且腔锥形感器可以感受温湿度,Böhm氏鬃毛可以感知触角的位置。研究结果为明确红脂大小蠹的生境选择、种群聚集等行为机制提供了理论基础。

红脂大小蠹; 成虫; 触角感器; 扫描电镜

红脂大小蠹DendroctonusvalensLeConte属鞘翅目Coleoptera小蠹科Scolytidae,是我国一种重要的外来入侵害虫[1]。红脂大小蠹原产于北美,20世纪80年代从美国西海岸经未处理的原木传入我国山西并暴发成灾[2],目前已扩散到陕西、河北、河南、北京等地,主要为害油松、白皮松和华山松,国内外对红脂大小蠹已经开展了一系列基础和应用性研究,涉及其形态学、入侵生物学、化学生态学以及相关防治措施等诸多方面。为探究其寄主找寻、配偶找寻和种群聚集等行为机制,本文利用扫描电子显微镜技术,对红脂大小蠹雌雄成虫的触角进行了观察,并对感器进行了分类以及其分布规律的研究,以期为红脂大小蠹的生境选择、种群聚集等行为机制提供理论基础[3-7]。

1 材料与方法

1.1 供试昆虫

供试昆虫于2012年6月采集于北京市门头沟百花山、清水及小龙门地区的油松林上,体长约7.3 mm,并固定保存于固定液中(72%磷酸氢二钠+28%磷酸二氢钠+2.5%戊二醛+0.06%吐温20)。

1.2 扫描电镜观察

首先将存放在固定液中的成虫放在45%乙醇中初步清洗,再利用超声波清洗仪将虫体在60%乙醇溶液中清洗两遍,每次3 min。然后用医用小剪刀、解剖刀等工具分别取得雌雄成虫的触角后,再分别用磷酸缓冲液和65%乙醇各清洗一遍,每次3 min。最后将样品分别在70%、80%、85%、90%、95%、100%、100%乙醇中梯度脱水,每浓度25 min,待其自然干燥24 h后,将样品用导电胶粘于样品台上,放入E-1010离子溅射仪喷金粉,置于S-3400N环境扫描电镜下观察、拍照。感器类型的形态学鉴定主要参照Schneider与Zhacharuk的分类方法[8-9]。

1.3 数据统计与分析

取红脂大小蠹成虫雌雄各3头进行扫描电镜观察、拍照以及数据统计。运用ImageJ软件(Broken Symmetry Software)对电镜扫描获得的感器图像进行处理,测量所有感器的基宽和长度,每种感器重复测量5次,取平均值,数据使用Excel(2007版)软件进行计算及分析。图表的生成使用Graphpad prism5.0 (GraphPad Software, Inc., La Jolla, CA, USA)软件。使用Photoshop cs6.0 (Adobe Systems)对图片添加了比例尺和标注。

2 结果与分析

2.1 触角的一般形态

红脂大小蠹触角为锤状触角(capitate),总体由三部分组成:伸长外凸的柄节(scape),由梗节和4节鞭节连成的索节(funicle),以及触角顶端鞭节圆形膨大形成的锤节(capitate)。在触角的锤节上,主要的感器类型或松散地上下错落,或紧密地前后相叠分别形成4条和3条明显的“感器带”(图1a)。红脂大小蠹雌成虫触角长(1.08±0.009)mm,雄成虫触角长(0.99±0.012)mm,雌雄成虫触角无明显的差异。

2.2 触角感器类型、形态特征与分布

红脂大小蠹雌、雄成虫触角上共存在包括刺形感器(sensilla chaetica)、毛形感器(sensilla trichodae)、锥形感器(sensilla basiconica)、腔锥形感器(sensilla coeloconica)和Böhm氏鬃毛(Böhm bristles)在内的5种感器类型,其中毛形感器又分为形态各异的3种亚型。各类感器的形态比较如表1所示。

表1 红脂大小蠹触角不同感器类型的形态特征1)

Table 1 Morphological types of the sensilla ofDendroctonusvalens

感器类型Typeofsensillum长度/μmLength基宽/μmWidth外壁Wall顶端Tip总体形状Shape基座Socket刺形感器 Sensillachaetica127.24±36.507.10±1.18尖刺突起孔状凹陷总体渐狭至中部弯无特殊基座毛形感器1 Sensillatrichodea134.26±4.713.16±0.42光滑钝或有孔总体渐狭至顶部弯曲微陷毛形感器2 Sensillatrichodea217.13±1.872.58±0.25光滑尖总体渐狭微陷毛形感器3 Sensillatrichodea34.67±0.971.70±0.22光滑顶孔底部弯曲深陷锥形感器 Sensillabasiconica10.21±1.482.12±0.34有孔钝或尖利直立紧密腔锥形感器 Sensillacoeloconica6.52±0.742.54±0.26光滑指状裂短小直立顶部指状裂微陷Böhm氏鬃毛 Böhm’sbristles26.61±8.643.70±0.54光滑尖直立于触角表面宽松

1) 所有感器的长度与基宽均为5个同类型感器长度和基宽的平均值±标准差。 Values are the means (±standard deviation) of lengths and widths of at least five sensilla per type.

2.2.1 刺形感器(S. ch)

刺形感器刚直粗壮,平均长度为(127.24±36.50)μm,基宽为(7.1±1.18)μm,与触角表面形成近60°夹角,并在感器中部呈微小的弧度弯曲(图1b)。其基部表皮光滑,往上约整体的2/3的部分布满尖利的刀片状或刺状突起(图1d),感器顶端凹陷呈孔状,且没有明显突出的基窝。刺形感器主要分布在柄节上,索节上的每一节上轮生有少数的此种感器,在顶端鞭节上偶有一根出现。

2.2.2 毛形感器

毛形感器呈毛发状,表皮光滑,基窝凹陷,多数具顶孔。根据红脂大小蠹上毛形感器的长度、弯曲、顶孔情况将其分为3种亚型。

毛形感器1(S. tr. 1)：直立于触角表面,表面光滑无孔,毛发状,基座微陷,底部粗壮至顶端渐狭,并从顶端向下约整体三分之一处稍稍弯曲,感器端部钝圆,或有顶孔。其长度与基宽分别为:(34.26±4.71)μm和(3.16±0.42)μm。毛形感器1均匀地分布在顶端鞭节上,与其他感器相间和上下错落形成明显的感器带(图2a,b)。

毛形感器2(S. tr. 2)：与触角表皮呈30°至60°角或紧贴表皮直立支出,无弯曲,表皮光滑,基座稍凹陷,底部粗壮至顶端逐渐变细直至尖利,顶端无孔。毛形感器2长度平均为(17.13±1.87)μm,基宽平均为(2.58±0.25)μm。其分布呈现两种类型:与触角表面呈一定角度的类型主要排列在松散的感器带上,并大量集中于顶端鞭节的最末端。与表皮紧贴类型零散分布在感器紧密带上(图2c,d)。

图1 红脂大小蠹触角的形态及其感器的分布Fig.1 Micrograph and distribution of sensilla on the antennae of Dendroctonus valens

毛形感器3(S. tr. 3)：平贴于触角表皮生长,短小,几乎整个陷在基窝内。其从底部稍稍弯曲,表皮无孔光滑,顶端钝圆有顶孔。毛形感器3平均长度和基宽为:(4.67±0.97)μm和(1.70±0.22)μm。全部零星分布在感器紧密排列的感器带的稍下方部位(图2d)。

2.2.3 锥形感器(S. b)

锥形感器为锥状直立,总体形状微扁平,服帖于表皮排列,基窝紧密,表皮具大量的表皮孔,感器顶端出现两种类型,一种尖利,一种钝圆。其长度和基宽平均为:(10.21±1.48)μm和(2.12±0.34)μm。锥形感器分布在触角顶端鞭节上,是密集感器带的主要组成部分,但在最后一条松散感器带上,也有少量该感器分布(图2e,g)。

2.2.4 腔锥形感器(S. co)

腔锥形感器底部膨大,于一微凹陷的基窝内生长出,平贴于表皮伸出,表皮光滑,顶端呈现明显的指状裂。腔锥形感器平均长度为:(6.52±0.74)μm,平均宽度为:(2.54±0.26)μm,分布在密集感器带上(图2e,f)。

2.2.5 Böhm氏鬃毛(B. b)

刺状呈直角立于触角表皮上,基窝松,感器表皮光滑,顶端尖利,无孔。平均长:(26.61±8.64)μm,平均宽:(3.70±0.54)μm。Böhm氏鬃毛特定分布在触角柄节和梗节的基部,是一种特殊的刺形感器(图1c)。

图2 红脂大小蠹触角锤节上的感器类型Fig.2 Sensilla on antenna capitate of Dendroctonus valens

红脂大小蠹的重要感器类型都分布在触角顶端的鞭节上。通过统计分析雌雄成虫的感器数量和分布,并进行了t-检验,结果如图3所示,没有发现红脂大小蠹雌、雄成虫在感器类型和分布上有明显差异。

3 讨论

3.1 红脂大小蠹触角感器类型

昆虫的触角感器类型共有10余种,但并非每类昆虫都具有如此多类型的感器,也非每类感器在昆虫的感受中都具有相同的功能。感器多分布于昆虫的触角上,且形状和大小多变。不同类型的昆虫所具有的感器各不相同,亲缘关系较近的昆虫感器类型相似,形态也相近,但对于不同昆虫而言,其分布位置和数量的变化通常较大。鞘翅目常见的触角感器类型包括毛形、锥形、刺形、板形,Böhm氏鬃毛,个别存在栓锥与腔锥形感器[8,10]。红脂大小蠹触角上共有5种感器类型,其中毛形感器分为3个亚类。相对于鞘翅目其他很多科,红脂大小蠹的触角感器类型与其他科属昆虫存在巨大的差异,造成这些差异的原因是多方面,如生活环境的巨大差异,科属之间的遗传距离等。叶甲科Chrysomelidae昆虫一般具有多种亚型的锥形感器,同时普遍具有栓锥形感器[11];天牛科Cerambycidae的很多昆虫具有相对更多的感器类型和更复杂的亚类分化,如松褐天牛MonochamusalternatusHope具有亚型多变的毛形和锥形感器,且具钟形感器(sensilla campullacea)[12-16];步甲科Cerambycidae与红脂大小蠹的感器类型也相差很多,步甲科昆虫具有独特的钟形感器(sensilla campullacea),并且具有十分丰富的锥形感器分化[17-19]。象甲科Curculionidae昆虫由于与小蠹科同属于象甲总科Curculionoidea,在感器的类型与分布上与红脂大小蠹有一定相似之处。在触角的顶端都有感器排列成带状,这些带中都包含着丰富的毛形感器和锥形感器,而不同的是,象甲科的感器带更多由形态特化成掌状的刺形感器组成[20-22]。

图3 红脂大小蠹雌雄虫触角感器数量对比Fig.3 Comparison of antennal sensillum quantity between male and female Dendroctonus valens

3.2 红脂大小蠹感器功能

昆虫感器的主要功能包括:触觉,即感受温度、湿度的变化以及机械刺激;嗅觉,感受空气中的气味,昆虫种内及种间的各类信息素等;味觉,主要与昆虫的寄主识别机制相关。同时,大量研究表明,昆虫的感受器可同时具备多种功能[8-10]。

刺形感器,包括Böhm氏鬃毛普遍被认为是一种感受机械刺激,也有研究表明其表面具有少许的细孔结构,因而可以感受空气中的气味刺激[17-18,22]。就其形态而言,一般刺形感器是昆虫触角感器中长度最长的感器之一,且直立支出触角表面,能首先接触到环境,因而推断,红脂大小蠹的刺形感器具备感受机械刺激,可能具备嗅觉的功能。而Böhm氏鬃毛,根据其特殊的分布特征,在触角柄节和梗节的根部,能接受触角的移动和位置等信息[11,18]。毛形感器的功能普遍认为是嗅觉和机械感受,但毛形感器的嗅觉功能更多地体现在接受性信息素上,在触角毛形感器的分布和特征上具备雌雄二型特征的昆虫上,可以肯定毛形感器具有接受信息素的功能,如很多蛾类昆虫。红脂大小蠹不存在触角和感器分布上的雌雄二型现象。毛形感器亚型1和3具备顶孔,是明显的嗅觉感受器,推测能接收性信息素[8,11,23-24]。毛形感器2的两种分布型都没有观察到孔的结构,推测其具备感受机械刺激的功能。锥形感器是重要的嗅觉感受器官,红脂大小蠹的锥形感器分布广,基数大,且具备细密的壁孔,遍布感器的整体,因此可以断定其为主要的嗅觉感受器官。这种多孔的薄壁感器作为主要的气味感受器,在寄主找寻,危险趋避等行为中都起到了主要作用[9,25]。腔锥形感器形态在不同的昆虫类群中存在很大的变异,其主要存在两种形态,一种如文中描述,一种为感器主体生长在深陷的腔内,只伸出感器的一部分。腔锥形感器被认为是温度和湿度的机械感受器,也有研究认为腔锥形感器利用其尖端的指状裂,增大了表皮面积,从而能更好地接收气味分子。红脂大小蠹的腔锥形感器应该是温湿度的机械感受器[23-27]。

对红脂大小蠹感器功能的描述是根据学者的研究总结对比得出。要明确感器具体的功能,需要更进一步的电生理试验和行为生理学研究来证实。

[1] 张龙娃, 鲁敏, 刘柱东,等. 红脂大小蠹入侵机制与化学生态学研究[J]. 应用昆虫学报, 2007, 44(2):171-178.

[2] Smith R H. Red turpentine beetle [M]. US Department of Agriculture, Forest Service, 1971: 9.

[3] 杨星科. 外来入侵种-强大小蠢[M]. 北京:中国林业出版社,2005:106.

[4] 赵建兴, 杨忠岐, 任晓红, 等. 红脂大小蠢的生物学特性及在我国的发生规律[J]. 林业科学, 2008, 44(2):99-104.

[5] 刘海军, 骆有庆, 温俊宝, 等. 北京地区红脂大小蠹、美国白蛾和锈色粒肩天牛风险评价[J]. 北京林业大学学报, 2005, 27(2):81-87.

[6] 潘杰, 王涛, 温俊宝, 等. 红脂大小蠹传入中国危害特性的变化[J]. 生态学报, 2011, 31(7):1970-1975.

[7] 潘杰, 王涛, 宗世祥, 等. 红脂大小蠹种群空间格局地统计学分析及抽样技术[J]. 生态学报, 2011, 31(1):195-202.

[8] Schneider D. Insect antennae [J]. Annual Review of Entomology, 1964, 9(1): 103-122.

[9] Zacharuk R Y. Ultrastructure and function of insect chemosensilla [J]. Annual Review of Entomology, 1980, 25(1): 27-47.

[10]马瑞燕,杜家纬. 昆虫的触角感器[J]. 昆虫知识, 2000, 37(3): 179-183.

[11]Bartlet E, Romani R, Williams I H, et al.Functional anatomy of sensory structures on the antennae ofPsylliodeschrysocephalaL.(Coleoptera: Chrysomelidae) [J]. International Journal of Insect Morphology and Embryology, 1999, 28(4): 291-300.

[12]胡江, 李义龙, 刘剑虹, 等. 麻点豹天牛成虫感器的扫描电镜研究[J]. 电子显微学报,2001, 20(4): 499-500.

[13]程红, 严善春, 徐波, 等. 青杨脊虎天牛触角主要感器的超微结构及其分布[J]. 昆虫知识,2008, 45(2): 223-232.

[14]孙飞, 李祥瑞, 刘小侠, 等. 松褐天牛六种类型的触角感器的超微结构[J]. 昆虫知识,2010(2): 347-354.

[15]阎雄飞, 孙月琴, 刘永华, 等. 光肩星天牛触角感受器的环境扫描电镜观察[J]. 林业科学,2010, 46(11): 104-109.

[16]Liu Xinhai, Luo Youqing, Cao Chuanjian, et al. Scanning electron microscopy of antennal sensible ofAnoplisteshalodendrihalodendriandAnoplisteshalodendriephippium(Coleoptera: Cerambycidae)[J].Microscopy Research and Technique, 2012, 75(3): 367-373.

[17]Merivee E, Ploomi A, Luik A, et al. Antennal sensilla of the ground beetlePlatynusdorsalis(Pontoppidan, 1763)(Coleoptera, Carabidae) [J]. Microscopy Research and Technique, 2002, 55(5): 339-349.

[18]Merivee E, Ploomi A, Rahi M, et al. Antennal sensilla of the ground beetleBembidionproperansSteph. (Coleoptera, Carabidae) [J]. Micron, 2002, 33(5): 429-440.

[19]刘桂清,田明义. 奇步甲触角感器电镜扫描观察和触角电位反应[J]. 华南农业大学学报,2008, 29(2): 50-55.

[20]杨贵军, 张大治, 孙晶莹. 沟眶象触角感器的扫描电镜观察[J]. 昆虫知识,2008,45(6): 926-931.

[21]杨燕, 杨茂发, 杨再华, 等. 云南木蠹象触角感器的扫描电镜观察[J]. 林业科学,2009,45(2): 72-74.

[22]Yan Shanchun, Meng Zhaojun, Peng Lu, et al. Antennal sensilla of the pine weevilPissodesnitidusRoel.(Coleoptera: Curculionidae) [J].Microscopy Research and Technique,2011,74(5):389-396.

[23]Bleeker M A, Smid H M, Aelst A C V, et al.Antennal sensilla of two parasitoid wasps: a comparative scanning electron microscopy study [J]. Microscopy Research and Technique, 2004, 63(5): 266-273.

[24]Hu Fei, Zhang Guona, Wang Jinjun. Scanning electron microscopy studies of antennal sensilla of bruchid beetles,Callosobruchuschinensis(L.) andCallosobruchusmaculatus(F.)(Coleoptera: Bruchidae) [J]. Micron, 2009, 40(3): 320-326.

[25]Chen Haibo, Zhang Zhen, Wang Hongbin, et al. Antennal morphology and sensilla ultrastructure ofDendroctonusvalensLeConte (Coleoptera: Curculionidae, Seolytinae), an invasive forest pest in China [J]. Micron, 2010, 41(7): 735-741.

[26]Chen Li, Fadamiro H Y. Antennal sensilla of the decapitating phorid fly,Pseudacteontricuspis(Diptera: Phoridae) [J]. Micron, 2008, 39(5): 517-525.

[27]Chen Huhai, Zhao Yunxian, Kang Le. Antennal sensilla of grasshoppers (Orthoptera: Acrididae) in relation to food preferences and habits [J]. Journal of Biosciences, 2003, 28(6): 743-752.

(责任编辑：田 喆)

Antennal sensilla of the red turpentine beetleDendroctonusvalensLeConte (Coleoptera: Scolytidae)

Wang Tao

(MentougouForestryStation,Beijing102300,China)

The red turpentine beetleDendroctonusvalensLeConte (Coleoptera: Scolytidae) is one of the most important invasive alien species in China. To reveal the host-finding, mating and gathering mechanisms, antennal sensilla of this species were identified, and sensillum distribution pattern was analyzed using scanning electron microscope. Five types of sensilla were found on both male and female antennae, including sensilla chaetica, sensilla trichodea (subtype 1-3), sensilla basiconica, sensilla coeloconica, and Böhm’s bristles. The majority of these sensillum types or subtypes was lined in rows on the club segment, the rest of which was located on the funicle and basal segments of antennae. Based on the morphological characters and distribution pattern of these sensilla along with similar researches concerning sensillum functions, it was concluded that sensilla trichodea and sensilla basiconica were major olfactory organs; sensilla chaetica, sensilla coeloconica and Böhm’s bristles were mechanical detectors, possibly reacting to direct touch, vibrations or change of humidity. The results formed a fundamental basis for further researches regarding the habitat selection and gathering mechanisms.

Dendroctonusvalens; adult; antennal sensilla; scanning electron microscopy

2016-05-05

2016-05-29

北京市林业有害生物天敌新技术研究与应用(2016)

S 433.5, Q964

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2017.02.018

联系方式 E-mail:45289711@qq.com