肃南6种草地蝗虫雄性外生殖器比较

郑成卓， 曹 宁， 傅晓意， 安加吉才让， 刘长仲， 钱秀娟

(甘肃农业大学植物保护学院，甘肃省农作物病虫害生物防治工程实验室， 甘肃 兰州 730070)

草原是中国最大的陆地生态系统，是畜牧业发展的重要物质基础，也是农牧民生存的基本生产和生活资料[1]。近年来，由于草原蝗虫持续偏重发生，草原退化、沙化加剧，严重影响着草原畜牧业的可持续发展，同时对生态安全和农牧民的生存发展构成威胁[2]。肃南县是以天然草场放牧为主的纯牧业县，属甘肃省的7大牧业县之一。肃南是甘肃省蝗虫重发区，每10年左右发生1次，每次延续2～3年[3]。长期以来，由于气候干旱等自然因素和人为因素的共同影响，天然草地生态环境呈现不同程度的恶化，蝗虫种群数量急剧增加，蝗灾频频发生[4]。经鉴定全县现有蝗虫27属55种[5]。每年草地蝗虫发生面积达300万～400万亩，成灾面积达250 万亩左右。平虫口密度83头·m-2，最高点达308头·m-2，牧草损失率达50%～80%，给防治工作带来困难[6]。在蝗虫防治过程中蝗虫种类识别是基层工作难点之一，所以本文开展了形态学研究，为识别蝗虫种类、做好监测预警提供支撑。

雄性外生殖器结构具有种的稳定性和特异性，因此在蝗虫分类上具有重要的参考价值[7]，其包括阳具基背片和阳具复合体，阳具基背片覆盖在阳具复合体上，位于肛上板下，其形状多变，是分类上的重要依据[8]。Randell对蝗虫进行鉴定时提到雄性外生殖器可以作为蝗虫的分类依据[9]，随后Whitman提出鉴定亲缘关系相近的物种时，雄性外生殖器可以作为一种稳定的鉴定依据[10]。杨国辉对斑腿蝗科卵翅蝗属[11]、云南特有的3种蝗虫进行了比较[12]；陈阿兰对斑翅蝗科[7]、网翅蝗科蝗虫进行了比较[13]；娄延霞观测了东亚飞蝗的显微构造[14]；冯丽霞对斑腿蝗科蝗虫进行了比较[15]；任金龙对两种星翅蝗进行了比较[16]。相关图书有刘举鹏编著的《中国蝗虫鉴定图册》[17]，郑哲民编著的《蝗虫分类学》[18]，甘肃省蝗虫调查协作组编著的《甘肃蝗虫图志》[19]等，但就甘肃草原蝗虫的外生殖器形态特征的报道甚少，常见蝗虫雄性外生殖器原色照片缺乏。

为了科学地比较蝗虫雄性外生殖器，简化变量，本文应用的统计分析方法是将原始指标降维，提取到几个主成分，其中每个主成分都能反映原始变量的大部分信息，从而可以全面权衡每个性状在某个品种中所处的位置和分量的主成分分析(principal component analysis，PCA)[20]。目前，应用主成分分析研究蝗虫雄性外生殖器特征的报道较少，仅张丽丽引入主成分分析对同地理种群青脊竹蝗和大青脊竹蝗的阳具基背片进行比较[21]以及白静就新疆蝗虫雄性外生殖器进行了主成分分析[22]。对于蝗虫的分类主要利用的是蝗虫外部形态特征，而雄性外生殖器的形态特征缺乏具体、系统的描述，因此本研究综合比较前人的研究结果，聚焦于蝗虫雄性外生殖器阳具基背片的7项形态指标对6种蝗虫进行主成分分析，旨在为肃南县草地蝗虫鉴定、综合防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试虫源：青海痂蝗Bryodemamiramaemiramae、红翅皱膝蝗Angaracrisrhodopa、鼓翅皱膝蝗Angaracrisbarabensis、黑翅皱膝蝗Angaracrisnigroptera、宽翅曲背蝗Pararcypteramicropterameridionalis、短星翅蝗Calliptamusabbreviaticus共6种供试蝗虫于2020年8-10月间采自甘肃省肃南县，均浸泡在75%的乙醇溶液备用。

1.2 方法

1.2.1解剖方法 将吸干后的蝗虫放在体式显微镜下，用解剖针从肛上板、肛下板间取出雄性外生殖器，放入装有2%的KOH溶液的小试管中浸泡，对标本和对应的生殖器进行标记。将装有雄性外生殖器的指形管放人沸水中加热30～60 s，待附着的肌肉溶解后，用清水冲洗数次，在解剖镜下分离出阳具基背片和阳具复合体，再放入75%的酒精中备用[12]，分别置于体式镜下拍照，利用SZX16+EP50数字成像系统对其拍照，每种蝗虫选择20头雄性成虫用于解剖和测定。

1.2.2雄性外生殖器测量与描述 数据测量：将处理好的每种蝗虫的雄性外生殖器置于数据体式镜下进行拍照同时测其两锚状突间距Ll、锚状突内测间距L2、锚状突外侧间距L3、桥宽L4、锚状突高L5、后突内侧间距L6、后突外侧间距L7

图1 蝗虫雄性外生殖器形态测量标准

形态描述：阳具基背片→桥(B)→锚状突(An)→前突(Ant)→侧板(LP)→后突(PP)→冠突(L);阳具复合体→阳茎基瓣(Bp)→阳茎端瓣(Ap)→色带连片(Zy)→色带瓣(CV)[16]。

1.2.3主成分分析 本试验主成分分析围绕阳具基背片展开，将全部蝗虫阳具基背片的两锚状突间距Ll、锚状突内测间距L2、锚状突外侧间距L3、桥宽L4、锚状突高L5、后突内侧间距L6、后突外侧间距L7以上7项指标进行测量，步骤如下：(1)适宜性检验：对试验验数据进行KMO检验和Bartlett球形检验，KMO值大于0.6则数据结构适宜，Bartlett球形检验所得相伴概率P值小于显著性水平0.05，因此拒绝Bartlett球形检验的零假设，认为变量之间存在较强的相关性，适合主成分分析；(2)对数据进行标准化处理后，再进行主成分分析，计算主成分特征值及方差贡献率和累计贡献率。利用SPSS 25.0软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 蝗虫雄性外生殖器形态描述

2.1.1红翅皱膝蝗 阳具基背片桥状；桥长90.68 μm，中央向内凹陷，呈半圆形；锚状突似牛角，外侧间距和高分别为 334.48 μm和 117.33 μm；前突向上弯曲，顶钝圆；侧板边缘弧形内凹；后突长锥形突起；冠突似手指，顶端收缩。阳具复合体长宽比约为1.24；阳茎基瓣宽，分为两片向外弯曲，中间不相连；阳茎端瓣细小；色带连片似“V”形；色带瓣表面平缓(图2a)。

2.1.2鼓翅皱膝蝗 阳具基背片外形桥状；桥长291.81 μm，中央向内凹陷，呈半椭圆形；锚状突似牛角，外侧间距和高分别为424.38 μm和 138.68 μm；前突向上弯曲，顶钝圆；侧板边缘弧形内凹；后突长锥形突起；冠突似鼓槌，顶端膨大。阳具复合体长宽比约为1.39；阳茎基瓣宽,分为两片向外弯曲，中间不相连；阳茎端瓣细小；色带连片似“V”形；色带瓣表面平缓，顶端锥形突起(图2b)。

2.1.3黑翅皱膝蝗 阳具基背片桥状；桥长90.67 μm，中央向内凹陷，呈半圆形；锚状突似牛角，外侧间距和高分别为320.00 μm和 130.29 μm；前突向上弯曲，顶钝圆，侧板边缘弧形内凹；后突长锥形突起；冠突似鼓槌，顶端膨大。阳具复合体长宽比约为1.39；阳茎基瓣宽，分为两片向外弯曲，中间不相连；阳茎端瓣细小，色带连片似“V”形，色带瓣顶端突起(图2c)。

2.1.4短星翅蝗 阳具基背片桥状；桥长137.14 μm，中央略微向内凹陷；锚状突似牛角，外侧间距和高分别为401.52 μm和140.20 μm；前突向上弯曲，近似直角，侧板边缘略内凹；后突长锥形突起；冠突似鼓槌，顶端膨大。阳具复合体长宽比约为1.39；阳茎基瓣宽，分为两片略微向外弯曲，中间不相连；阳茎端瓣细小，色带连片似“U”形，色带瓣顶端似锥(图2d)。

2.1.5青海痂蝗 阳具基背片桥状；桥长109.71 μm，中央向内凹陷，呈半圆形；锚状突似牛角，外侧间距和高分别为 309.34 μm和 108.20 μm；前突向上弯曲，顶尖锐；侧板平直无凹陷；后突长锥形突起；冠突似珠，表面圆滑。阳具复合体长宽比约为1.5；阳茎基瓣宽，分为两片向外弯曲，中间不相连；阳茎端瓣细小；色带连片似“V”形；色带瓣表面平直(图2e)。

2.1.6宽翅曲背蝗 阳具基背片桥状；桥长108.95 μm，中央向内凹陷，近似圆形；锚状突似牛角，外侧间距和高分别为240.00 μm和 110.48 μm；前突向上弯曲，近似直角；侧板边缘平直无凹陷；后突长锥形突起；冠突似鼓槌，顶端膨大。阳具复合体长宽比约为1.59；阳茎基瓣宽，分为两片向外弯曲，中间不相连；阳茎端瓣细小；色带连片似“U”形(图2f)。

图2 6种雄性外生殖器形态图

2.2 蝗虫雄性外生殖器形态特征比较

6种蝗虫雄性外生殖器形态特征比较，详见表1。

表1 6种蝗虫雄性外生殖器形态特征比较

红翅皱膝蝗的主要特征：阳具基背片的锚状突尖锐、弯曲，冠突棒状首尾密布刻点，侧板外缘内凹，后突三角状，阳茎基瓣呈宽圆形，色带瓣平缓。

鼓翅皱膝蝗的主要特征：阳具基背片冠突棒状，两端密布刻点，阳茎基瓣为宽圆形，色带连片超过阳茎基瓣 1/4。

黑翅皱膝蝗的主要特征：阳具基背片的锚状突为尖锐牛角状，冠突分为两叶，首尾密布刻点，外冠突呈棒状；阳具复合体的阳茎基瓣为宽圆形，色带连片达阳茎基瓣底部。

短星翅蝗的主要特征；阳具基背片的锚状突尖锐且弯曲，冠突分为两叶，首尾密布刻点，外冠突呈棒状；阳具复合体的阳茎基瓣为宽圆形，色带连片超过阳茎基瓣 1/2。

青海痂蝗的主要特征：阳具基背片的冠突尖锐且弯曲，首尾密布刻点，外突呈棒状，阳具复合体的阳茎基瓣为宽圆形，色带连片达阳茎基瓣底部。

曲背蝗属主要特征：阳具基本片冠突为两叶似牛角，顶端收缩密布刻点，阳茎基瓣马蹄状，色带连片超过阳茎基瓣 1/3；阳茎端瓣钩状。斑翅蝗科雄性外生殖器的共有特征为阳具基背片桥状，锚状突尖锐，阳茎基瓣宽圆形。

2.3 蝗虫雄性外生殖器7项指标主成分分析

2.3.1主成分分析的适宜性检验 根据6种蝗虫雄性外生殖器7个指标主成分分析，KMO和巴特利特检验结果如下，KMO取样适切性量数为0.683(>0.6)，巴特利特球形度检验所得P值为0(P<0.05)，因此拒绝Bartlett球形检验的零假设，认为变量间存在较强的相关性，适合做主成分分析。

2.3.2主成分因子的选择 此试验对6种蝗虫雄性外生殖器的7项指标利用主成分分析法进行分析，利用spss25.0软件对试验数据处理后，得到主成分特征值及贡献率。共提取到2个主成分因子(特征值>1)，分别为λ1=5.213，λ2=1.233，累计方差贡献率达92.082%，符合主成分分析要求，即这2个主成分代表6种蝗虫的7项性状信息，因此可以选取这2个主成分作为蝗虫的鉴定指标。

2.3.3主成分分析相关系数矩阵特征值 将7项指标压缩为2个主成分因子构建主成分二维平面图，将样本变量进行降维，以观察各项指标对样本分布的贡献大小，结果见表4。第一主成分主要包括两锚状突间距(L1)、后突外侧间距(L7)、锚状突高(L5)、锚状突外侧间距(L3)、锚状突内测间距(L2)、冠突内侧间距(L6)，相对应的特征值分别为0.973，0.956，0.950，0.946，0.933，0.775，集中反映锚状突、后突、冠突的相对位置；第二主成分主要为桥宽(L4)，特征值为0.923，即第二主成分可以概括为阳具基背片桥宽。

表2 主成分因子矩阵

3 结论与讨论

本研究发现，宽翅曲背蝗阳具基背片形似长方形，不同于其他5种蝗虫：冠突顶端之间无连接的部分、阳茎基瓣似马蹄，阳茎端瓣钩状；青海痂蝗与陈阿兰[7]对青海痂蝗B.miramae描述基本一致：冠突为棒状、桥中间均有向上凸起的部分，结合白静[23]对朱腿痂蝗和蒙古痂蝗的描述，说明痂蝗属阳具背基片的冠突为棒状，此分析与白静研究结果一致。皱膝蝗属与斑腿蝗科的其他属，如杨国辉[12]研究的凹背蝗属、拟裸蝗属以及冯丽霞[15]研究的卵翅蝗属和腹露蝗属的阳具基背片形状相同，均为桥状。

本研究在前人研究的基础上，缩小范围聚焦于阳具基背片的7个指标进行主成分分析，结果显示所测指标可归纳为2个主要成分，第一主成分主要包括两锚状突间距(L1)、后突外侧间距(L7)、锚状突高(L5)、锚状突外侧间距(L3)、锚状突内测间距(L2)、冠突内侧间距(L6)，该结果与白静[23]分析的第一主成分有一定出入，原因可能有以下几点：(1)所测指标不同，白静加入了阳具复合体长宽比，而本研究主要聚焦于阳具基背片；(2)用于分析的蝗虫种类也存在差异，前者所测物种有12种，本研究中为6种；(3)生境差异也是影响因子之一，前者供试虫源来自新疆而本研究中样本来自甘肃。第二主成分主要为桥宽(L4)，与张丽丽对两种蝗虫主成分分析的第三成分相一致[21]，因此次桥宽可以作为蝗虫鉴别的特征之一。

综上所述，加强蝗虫雄性外生殖器形态的研究和建立规范的描述体系，对探讨蝗虫的分类和系统发育都具有重要意义。