黑广肩步甲触角感器的扫描电镜观察

于庭洪王林美谭吉众李喜升宋 策陈增良

(1.辽宁省蚕业科学研究所，辽宁 凤城 118100； 2.辽宁省海洋水产科学研究院，辽宁 大连 116023； 3.庄河市农业发展服务中心，辽宁 庄河 116400)

黑广肩步甲CalosomamaximovicziMorawitz，又名大星步甲，属鞘翅目Coleoptera，步甲科Carabidae，星步甲属Carabidae，捕食性极强，是柞蚕的重要捕食性害虫之一[1]。 近年来受全球气候变暖因素影响，危害面积不断扩大，呈现由南向北扩散趋势，辽宁及河南等柞蚕主产区均受其害。

昆虫的头部既是神经中枢，也是感受中心，其上面着生着不同类型的感受器，受栖息环境影响差异很大，感受器大致可分为感触器、听觉器、感化器和视觉器。 昆虫的感器大多由表皮特化形成，是昆虫接受各种外界信息的主要门户。 触角是昆虫感觉器官，触角上着生有许多不同种类的感受器，具有感受气味、气流、湿度、温度、机械振动等功能，在寻觅食物、种内及种间信息交流、躲避危险、寻找配偶、感受环境、等一系列适应行为过程中发挥重要作用[2]。 研究昆虫触角感器，探究触角感器的种类、数量、分布和功能，可以为确定昆虫触角感器与昆虫行为反应的关系，了解这些感器在昆虫寻觅食物、躲避危险和交配繁殖等方面所起的作用，探明昆虫的行为学机制奠定基础[3]。

近年来，国内外学者先后对CarabusProdigus[2]、CarabusfiduciariussaishutoicusCsiki[4]、Platynusassimilis(Paykul1)[5]、Platynusdorsalis(Pontoppidan)[6]、BembidionlamprosHbst[7]、BembidionproperansSteph[8]、Paussus favieri[9]以及Typhlocharis属[10]等步甲科昆虫的触角感器进行了描述，并结合电生理试验对主要感器的功能进行了探讨[2，5，9]。 本文通过扫描电镜技术，研究黑广肩步甲成虫触角感器的类型、数量和分布规律，比较雌、雄两性间的差异，本研究通过对黑广肩步甲触角感器进行扫描电镜观察，研究其触角上各种感器在种类、分布和微观形态特点，观察其成虫触角上各种感器类型和分布规律，为进一步的开展黑广肩步甲的触角电位(EAG)反应以及黑广肩步甲的绿色安全防控研究提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 供试昆虫

黑广肩步甲成虫采用诱芯结合陷阱诱捕器诱捕法[11]，釆集时间为2016 年8 月中下旬，每隔1 d 采集1次，黑广肩步甲采集后，带回实验室用五龄柞蚕在实验室内饲养，温度为室温条件，相对湿度为50%～80%。

供试仪器、试剂：电子解剖镜、日立SM-6360LV 型扫描电子显微镜；99%二氯甲烷、15%戊二醛、丙酮均为国产分析纯、0.1 mol/L pH 7.2 磷酸缓冲液。

1. 2 方法

1. 2. 1 雌雄的鉴别

观察黑广肩步甲成虫前足跗节基部3 节，宽大的为雄虫，细小的为雌虫。

1. 2. 2 样品的处理、制备和扫描电镜观察

取大小基本一致的雌、雄成虫各6 头，在解剖镜下用弯头镊子将触角取下，先用蒸馏水反复清洗，再用生理盐水继续超声波清洗，然后将其头部放入70%乙醇中保存备用。 测试时用15%戊二醛在冰箱中冷藏室中固定4 h，然后将保存的样本置于1%锇酸中固定2 h。 将样品依次放入30%、45%、60%、75%和90%丙酮进行梯度脱水，每个处理30 min，脱水后置于干燥器中干燥2 h，接着在解剖镜下将触角粘在样本台上，放入真空喷金仪进行喷金镀膜。 最后使用日立SM-6360LV 型扫描电子显微镜，分别对雌、雄成虫头部触角各节感器的形态和数量选择合适 视野进行拍照观察，加速电压为15kv。 利用AdobePho- toshopCS2. 0 软件对图片进行标记；使用DigitalMicrograph 软件对拍摄的触角及感器照片进行测量，测量每种感器的长度和基部直径等，最后进行统计分析。

1. 3 触角感器的命名

感器的鉴定和命名主要参照Schneider (1964)[12]与Merivee (2000)[7]的标准进行。 同时，参考国内外近年来关于步甲头部感器的研究成果。

1. 4 数据统计与分析

根据扫描电镜拍摄的照片，利用ImageJ 软件测量感器的长度和基部直径，利用Photoshop CS6. 0 软件对电镜照片进行处理。 所有数据经统计分析软件SPSS16. 0进行处理。

2 结果与分析

2. 1 黑广肩步甲触角形态特征及各节长度比较

黑广肩步甲雌、雄成虫触角均呈线状，着生于头部两侧触角窝中。 雌、雄成虫触角均分为柄节(scape)、梗节(pedicel)和鞭节(flagellum)3 部分，其中鞭节又分为9 个亚节。 通过解剖镜下照像观察，雌成虫的柄节和梗节的形态完全一致，其中鞭节第一节最长，柄节第二，其余鞭节差异不明显，梗节最短，呈圆珠状。 雄虫触角总长度及各节长度均长于雌虫触角，其中雌虫触角长度12. 67±0.49 mm，雄虫触角长度14.63±0.46 mm(见表1)，雌、雄虫的触角长度差异极显著(p＜0.01)。 触角鞭节各节长度，均是雄虫长于雌虫，其中鞭节第一节最长，雌虫1.91±0.10 mm，雄虫2. 19±0.14 mm，其余各鞭节相差不明显，靠近基部各节稍长，端部各节稍短(见表2)。

2. 2 黑广肩步甲触角感器类型

黑广肩步甲雌、雄成虫触角的感器类型完全相同，通过扫描电镜观察均为7 类、14 种感器类型，包括2 种毛形感器(Sensilla trichodea，St)、3 种刺形感器(Sensill achaetica，Sch)、5 种锥形感器(Sensilla basiconca，Sb)、1 种腔形感器(Sensilla cavity，Sca)、1 种腔锥形感器(Sensilla coeloconica，Sco)、1 种钟形感器(Sensilla campaniformia，Scam)和1 种栓锥形感器Sensilla styloconica，Ss)(表3)。

表 1 黑广肩步甲成虫触角各节长度比较 (mm)

表 2 黑广肩步甲成虫触角鞭节各节长度比较 (mm)

表 3 黑广肩步甲感器的形态特征 (单位：μm)(n=10)

2. 2. 1 毛形感器(Sensilla trichodea,St)

毛形感器(St)是触角上数量最多的一类感器，毛状，长短不一。 顶端尖或钝，整体直立或微弯，基部窝宽或窄。 分布在大部分鞭节的背面和腹面中，柄节和梗节则无此感器。 可以分为两个亚型：St. 1 和St. 2。 其中，St. 1主要分布在鞭节的3 ～9 节。 St. 2 也分布在鞭节的3 ～9节。

St.1，长度为80. 73±8. 06 μm，基部直径为8. 35±1.72 μm。 从基部向顶端逐渐弯曲并变细变尖，感器壁上有凸起的纵脊显得粗糙，整体形似镰刀状，弯曲程度或大或小，基部窝较窄，端部较尖细(见图1：A)。

St.2，长度为175. 50±36. 08 μm，基部直径为12. 08±1.69 μm。 端部钝或尖，感器壁光滑无纵脊，整体笔直，基部窝较宽，端部稍钝圆(见图1：B)。

2. 2. 2 刺形感器(Sensilla chaetica,Sch)

刺形感器是黑广肩步甲分布最广的感器之一，鞭节的1 ～9 节都有分布，根据其着生位置、顶端的尖钝程度、表面的光滑程度、直立或弯曲状态以及基部窝的宽窄，可以分为3 种亚型： Sch.1，Sch.2 和Sch.3。

Sch.1，成簇分布于鞭节的5 ～9 节，长度为20. 42±3.14 μm，基部直径为4.49±0.39 μm。 顶部钝尖，成簇分布于各鞭节靠近基部位置，且垂直于触角表面，刚直如刺，基部略粗，且有略微突起的臼状窝(见图1：C)。

Sch. 2，分布于鞭节的3 ～9 节，长度为38. 08 ±6.96 μm，基部直径为6. 67±0. 79 μm。 零星分布于鞭节的5 ～9 节，顶端钝尖，基部垂直于触角表面，端部向触角基部弯曲呈镰刀形，基部窝较窄(见图1：D)。

Sch.3，分布于1 ～9 节靠近端部的位置，长度为186.20±18.71 μm，基部直径为20. 67±3.49 μm。 是刺形感器中最长的一种，顶端钝尖，表面光滑，直立于触角靠近端部位置，基部窝较大(见图1：E)。

2. 2. 3 锥形感器(Sensilla basiconica Sb)

直立，形似锥子，生长于圆形穴上或穴内，有或无基部窝，感器长度较其它感器短。 根据中间柱状主体是否着生在基部窝内或基部窝上、锥体长度、基部直径、顶端尖或钝或整体直立微弯情况，可以分为5 种亚型： Sb. 1、Sb.2、Sb.3、Sb.4 和Sb.5。

Sb.1，感器长度为1.38±0.40 μm，基部直径为2.42±0.34 μm。 顶端呈圆球状，感器壁光滑，直立于基部窝之内，基部窝较宽，锥体短小、粗壮(见图1：F)。

Sb.2，感器长度为4.68±1.01 μm，基部直径为2.66±0.47 μm。 顶端钝圆，表面光滑，与触角表面呈一定角度夹角，基部窝较窄(见图1： G)。

Sb.3，感器长度为4.61±1.29 μm，基部直径为2.62±0.29 μm。 顶端钝圆，表面光滑，与触角表面垂直，基部窝不明显，锥体短小、粗壮(见图1：H)。

Sb.4，感器长度为6.33±0.29 μm，基部直径为2.59±0.50 μm。 顶端钝圆，表面光滑，与触角表面呈一定角度夹角，生长在突出的锥台上，基部窝明显，锥体较细长(见图1：I)。

Sb.5，感器长度为14.77±1.55 μm，基部直径为4. 06±0.35 μm。 顶端尖圆，靠近基部锥体具脊状突起，表面光滑，中上部稍弯曲，基部窝较浅(见图1：J)。

2. 2. 4 腔锥形感器(Sensilla coeloconica,Sco)

外形呈圆盘状，基部直径为18. 07±2. 14 μm，腔口直径0.81±0.20 μm，表皮凹陷，锥体镶嵌于中心空腔之中，透过表面小孔可以看见内部的锥体(见图1： K)。

2. 2. 5 腔形感器(Coeloconicasensilla,Sca)

空腔直径2. 33±0. 37 μm。 表皮内陷形成的空腔，内部无锥体，触角表面呈耳窝状深陷。 (见图1：L)

2. 2. 6 钟形感器(Sensilla campaniformia,Scam)

外形呈球面状突起，边缘较厚，基部直径为11. 80±0.59 μm，中间乳状突起直径1. 45±0.33 μm。 (见图1：M)

2. 2. 7 栓锥形感器(Sensilla styloconica,Ss)

感器直立，形似锥子，顶端钝圆，与锥形感器无太大区别，但着生于圆形栓体上，锥体及栓体基部窝均较深。锥体长 度4. 53 ± 0. 73 μm，栓体基部直径为7. 11 ±0.44 μm。 (见图1： N)

2. 3 触角感器的分布与数量

黑广肩步甲柄节和梗节的感器数量较少，仅发现有Sch.3 的分布。 鞭节上感器的数量和种类较多，包括毛形感器、刺形感器、锥形感器、腔锥形感器、腔形感器、钟形感器和栓锥型感器等。 触角感器在触角上的分布极不一致，整体情况是从基节、柄节到鞭节，感器的种类与数量是呈直线上升的，基节最少，端部鞭节最多。 因此，在统计感器数量时，用Photoshop CS 6.0 软件在其着生位置选取具有代表性的部位进行统计，计数后估算分布的实际密度，即每mm2所包含感器的数量。 毛形感器(St)在触角上分布较广，在鞭节的3 ～9 节均有分布，基节、柄节和鞭节的1 ～2 节则无此感器。 主要存在两个亚型：St. 1和St.2。 其中，St.1、St. 2 分布密度大约400 个/mm2。 刺形感器(Sch)是触角中分布最广的一类感器，在鞭节的1～9 节均有分布，甚至基节、柄节也偶有分布。 其中，Sch.1成簇分布在鞭节的4 ～9 节，分布密度大约7 000 个/mm2，其余各节则无此感器。 Sch.2 零星分布在鞭节的3 ～9 节，其余各节则无此感器。 Sch.3 是毛型感器中最长的亚型，分布密度1 ～10 根不等，在基节也有分布最少，且仅有1根，长度甚至超过1 mm。 锥形感器(Sb)的种类较多，分布较广，主要分布在鞭节的4 ～9 节，但基节、柄节和鞭节的1 ～3 节没有分布。 Sb.1 数量最少，仅在第9 节有分布，200/mm2左 右； Sb. 2 数 量 较 少， 分 布 密 度 大 约200 个/mm2； Sb. 3 数 量 较 多， 分 布 密 度 大 约5 000 个/mm2；Sb.4 数量稍少一些，分布密度大约2 000个/mm2；Sb. 5 数量较多，分布密度大约9 000 个/mm2。腔锥形感器(Sco)，分布于鞭节的3 ～9 节，鞭节的1 ～2节、柄节和梗节无此感器，分布密度大约500 个/mm2。 腔形感器(Sca)，分布在鞭节的3 ～9 节，其它各节则无此感器，分布密度大约500 个/mm2。 钟形感器(Scam)，分布在鞭节的5 ～9 节，分布密度大约400 个/mm2。 栓锥形感器(Ss)，分布在鞭节的3 ～9 节，其它各节则无此感器，分布密度大约3 000 个/mm2。

3 结论与讨论

本研究发现7 类、14 种黑广肩步甲触角感器，包括2种毛形感器、3 种刺形感器、5 种锥形感器、1 种腔锥形感器、1 种腔形感器、1 种钟形感器和1 种栓锥形感器。 黑广肩步甲所有感器亦曾在其他步甲属昆虫触角上被观察到过[6 ～7]。

刺形感器(Sch)是触角分布最广泛的感器，通过对生长位置、生长角度、顶端的尖钝程度、直立或弯曲的状态，将刺形感器分为3 种亚型：Sch. 1，SCh. 2 和SCh. 3[7]。 本文的Sch. 1 有文献将其归为锥形感器，分布于5 ～11节[13]，而黑广肩步甲Sch. 1 成簇分布在鞭节的4 ～9 节，且垂直于触角表面，顶端稍尖；刘桂清等认为的Sch. 2 与本文Sch.2 扫描电铲观察的形状、位置、角度等完成一致，并分散生长在鞭节的3 ～9 节；刘桂清等认为的Sch. 3 仅在柄节有1 个分布，但本文观察通过Sch. 3 生长位置、长度及基窝深浅，本文认为应将其与生长在各鞭节中垂直于触角表面，并大多生长在各鞭节端部的均归为一类，即Sch.3。 从功能上看，步甲刺形感器多被认为是典型的机械感器，可感触气流或物体震动[14]。 在昆虫各类感器的研究中，机械感器存在着相对统一的特征：毛状或刺状，体壁无孔，表面光滑或具表皮刻纹，端部尖细[6]。 Hallberg等报道欧洲玉米螟的刺形感器基于其结构行使接触性化学受体的功能[15]。 本研究结果显示黑广肩步甲步甲的刺形感器外部形态符合机械感器的特征，推测具有鞭节间机械感受的功能[16]，有助于控制触角的弯曲程度。

毛形感器(St)是触角中数量最多，分布最广的感受器之一。 主要特点是呈毛状，基部具窝或突起，其形态特征也存在着差异，根据长短、粗细、弯曲程度等特征可分为多种亚型。 本文发现有两个亚型：St. 1 和St. 2。 通过观察比对发现奇步甲的St. 1 与本文的St. 1 在形状上相似，其分布于5 ～11 节，而黑广肩步甲则分布于3 ～9 节；Kim 等认为St.2 分布于5 ～11 节[17]，本文观察St. 2 广泛分布于3 ～9 节。 St. 1 一般认为，其类似于Sch. 1，Le RU等曾报道St.1 受单个枝状晶体神经细胞支配，具有典型的机械受体超微结构特征[8]，具有机械感受功能[7]。 通常认为St.2 在蛾类中具有性信息素感受功能，例如，欧洲玉米螟触角的3 种毛形感器都包含有受体细胞，可对性信息素起反应[9]；而对步甲而言，一般认为St.2 具有聚集信息素感受功能的原因[15]。 黑广肩步甲已被证明存在聚集信息素[18]，因此，推测St. 2 是该虫的聚集信息素感受器。

锥形感器(Sb)形似锥子或短钉形，着生长于表皮或基窝内，顶端圆钝，基部窝有或无，较其它感器短。 锥形感器(Sb)一般散生于触角上，常直立或沿触角轴微弯曲，臼状窝明显或不明显，端部较钝圆。 锥形感器种类较多，包含多种亚型，拉步甲Carabus lafossei 有2 种 亚 型[19]。本文将此类感器分为Sb.1、Sb.2、Sb.3、Sb.4 和Sb.5 种亚型。 锥形感器其壁很薄，里面有丰富的神经细胞，感觉细胞为模式双极感觉神经细胞，端突末梢形成微细胞树状突分支分布至表皮四壁的微孔或微管内。 由微管具选择通透性，因而具有识别气味的能力，为一种嗅觉感器，对植物气味刺激有感受作用。 腔锥形感器(Sco)是一种圆形钮扣状感器，感觉锥位于中心表皮凹陷中的感受器中央生有1 ～2 根感觉锥，表皮凹陷边缘无缘毛或缘刺[20]。腔锥形感器为微小的凹陷结构，其中腔锥形感器的凹陷内具锥形结构或无，外有一圈环绕的表皮，具有感受水蒸气、二氧化碳、湿度变化、植物气味等作用[21]。 在鳞翅目螟蛾科的一些昆虫中，腔锥形感器被认为含有嗅觉受体细胞，可能被用来感受植物挥发物，而且Ochieng 等研究发现沙漠蝗虫腔锥形感器主要用于感受植物气味。 前期野外试验证明柞蚕取食诱导的柞树挥发物对黑广肩步甲具有较强的引诱活性[11]，亦为锥形感器(Sb)与腔锥形感器(Sco)感受植物气味提供了证据。

腔形感器是在卡氏步甲中数量最多的一种感器[22]，为表皮上的凹陷结构，似火山口，描述相同的感器在蓟马科Thripidae 中也有发现，为湿度感受器的功能[23]。

钟形感器(Scam)表面呈球面状突起[24]，中心有1 个锥状感觉锥。 钟形感器分布于鞭节上且数量少，已被证实可以敏锐感知温度[25]，黑广肩步甲依靠钟形感器可以对栖息地进行选择，避免过热或过冷的情况出现，这在其他步甲上也有所描述，如通缘步甲Pterostichusaethiops[26]。

栓锥形感器(Ss)栓体具基部窝，顶部的臼状窝内生1锥状感器[27]。 栓锥形感器内部含有丰富的神经细胞，具有感受湿度、味觉和嗅觉功能。 被认为在鳞翅目夜蛾科和卷蛾科昆虫的研究发现其充当化学受体功能，但是在螟蛾科中行使温度或湿度受体功能。

Böhm 氏鬃毛也是一种常见感器，大多垂直于触角表面，主要分布在柄节和梗节的节间周围，均成簇分布，鞭节上无此感器，它比刺形感器短而尖，表皮凹陷又比锥形感器细[28]，但本文未发现其中有Böhm 氏鬃毛，可能是因为褪化或拍摄角度问题。

本研究利电镜扫描技术，对黑广肩步甲触角感器的超微结构进行形态观察，对感器的种类、数量、分布规律等进行了探讨，初步判断了各感器的功能特征，研究结果可为今后进一步开展黑广肩步甲科昆虫的行为学、电生理学和绿色安全防控等研究提供理论基础，并对将黑广肩步甲作为天敌昆虫开展人工助迁生物防治利用提供参考依据。 近年来，利用触角电位仪(EAG)和单细胞记录仪(SCR)等电生理仪器已明确了多种昆虫各类感器的功能。 然而，由于生物本身在不同年份、不同气候条件下，具有差异性，本研究推测归纳的黑广肩步甲各类感器的功能仅为部分样品的研究结果，具体功能还有待于今后结合透射电镜和电生理学方法来研究证实，为进一步明确黑广肩步甲的触角感器功能、行为机制提供更充实的依据。