小花尺蛾触角感器扫描电镜观察

王京枫, 庄宇彤, 罗雨昕, 迟德富, 宇 佳

(东北林业大学林学院, 哈尔滨 150040)

小花尺蛾EupitheciaabietariadebrunneataStaudinger隶属鳞翅目Lepidoptera尺蛾科Geometridae,卢孟通过COⅠ发现为害东北红松Pinuskoraiensis和樟子松Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv的尺蛾隶属于球果尺蛾属Eupithecia[1],与Piao等[2]对小花尺蛾幼虫毛序形态的描述相同,目前已知分布于我国黑龙江、吉林,韩国、德国瑞士、日本等地,为害红松、云杉Piceaasperata、樟子松、白冷杉Abiesconcolor、瑞士五叶松Pinuscembra、欧洲赤松P.sylvestris、卵果鱼鳞云杉Piceajezoensis等的球果[3-6],近年来已经陆续有该蛾发生为害的报道。

触角作为调节昆虫行为的感觉器官,其表面着生大量特异分化形成的感受器[7-9],可接受环境中的化学信号和物理信号,在昆虫觅食、求偶、生殖中发挥着不可替代的作用。目前对于小花尺蛾的研究停留在形态、生活史、为害及防治方面,对于感器的研究在国内外尚未见报道。

本研究通过小花尺蛾雌雄成虫触角的超微结构,了解其雌雄触角感器类型、数量和分布,是了解其嗅觉感器功能及感受机制的基础,为进一步研究其化学通讯机制,实现利用信息素和挥发物进行监测和防治提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料

小花尺蛾蛹由鹤岗市林业局的顺达庄园和七台河市红旗林场提供,在东北林业大学用养虫盒饲养。饲养条件为:温度(26±1)℃,光周期L∥D=14 h∥10 h,光期06:00～20:00,相对湿度75%～80%。成虫于10月末羽化,羽化后雌雄分装于不同养虫盒中以10%的蜂蜜水饲喂(图1)。

图1 小花尺蛾成虫及其触角Fig.1 Electron micrograph of Eupithecia abietaria debrunneata antennae

1.2 触角处理

取羽化2～4 d未交配的雌雄成虫各6头,用手术刀和昆虫针在解剖镜下将触角和头分离,先在pH为7.4的2.5%戊二醛溶液中浸泡24 h,然后用0.1mol/L磷酸缓冲液冲洗超声5 min,重复3次,依次在50%、60%、70%、80%、90%、100%乙醇溶液中脱水15 min,脱水后放在乙酸异戊酯中置换3 h,在色谱进样瓶里室温干燥24 h,将干燥样品的背面、腹面粘在有导电胶带的样品台上,然后置于KYKY SBC-12小型离子溅射仪中对其表面喷金,喷金时间为300 s,将喷金后样品放入Apero C热场发射扫描电子显微镜中在20 kV电压下观察。

1.3 感器鉴定

触角感器参照Schneider(1964)[15]的方法,并结合前人研究结果[10-15,17-19,22-23]进行鉴别和命名。

1.4 数据测量

借助Digimizer测量触角各节和感器的长度、直径和基部宽度,各节测量7次,感器测量10～150次,感器数量测量依据柄节、梗节和鞭节各节分别计数,重复测量3次,用独立样本t测验检验雌雄成虫差异。

2 结果与分析

2.1 小花尺蛾触角的形态特征

小花尺蛾雌雄成虫触角呈丝状,由柄节(scape, Sc)、梗节(pedicel, Pe)和鞭节(flagellum, F)组成,雌蛾触角长7.588～8.492 mm,雄蛾触角长6.413～7.369 mm。触角柄节近似钟形,长157.54～294.76 μm,直径为163.91～235.69 μm;梗节呈圆柱形,连接在柄节端部凹陷的窝内,长47.93～145.74 μm,直径为125.93～163.12 μm;鞭节较长,雄蛾有50～60个亚节,雌蛾有54～64个亚节,其中雌雄成虫梗节直径、鞭节长度和总长度有显著差异(表1, 图1c,d)。

表1 小花尺蛾触角长度和直径统计1)

2.2 小花尺蛾触角形态结构

小花尺蛾雌、雄成虫触角上共发现10类17种感器,Böhm氏鬃毛(Ⅰ～Ⅱ)和叉形感器仅在触角柄节、梗节上分布,其余感器主要在鞭亚节的腹面和两侧分布,各类感器的分布如图2所示,感器局部特征如图3、图4所示。

图2 小花尺蛾触角感器的分布Fig.2 Distribution of antennal sensilla in Eupithecia abietaria debrunneata

图3 小花尺蛾触角物理型感器和部分化学型感器Fig.3 Physical sensor and some chemical sensors on antennae of Eupithecia abietaria debrunneata

图4 小花尺蛾触角部分化学型感器Fig.4 Some chemical sensors on antennae of Eupithecia abietaria debrunneata

2.2.1Böhm氏鬃毛(Böhm bristles, Bb)

比刺形感器短而尖,比锥形感器细,外壁无孔,常成簇分布在柄节和梗节基部,鞭节无此感器,雌雄Böhm氏鬃毛约有158～384个。根据长度、弯曲程度和基部着生形式分为2种类型。

BbⅠ基部直立,顶端尖细,外壁光滑,常集中在柄节背面、两侧以及梗节腹面凹陷处的圆形腔内,感器长5.84～35.60 μm,基部直径1.30～2.41 μm(图3a)。

BbⅡ呈不规则“S”形弯曲,外壁具有轻微环形褶皱,位于柄节基部与支角突的连接处。感器长3.00～13.47 μm,基部直径0.82～1.32 μm(图3c)。

2.2.2叉形感器(Sensillum furcateum, Sf)

表面光滑且具有多条明显纵棱纹(图3b),基部粗大,顶部分叉,只在雌雄蛾柄节基部少量发现,雌蛾Sf显著长于雄蛾。长14.29～25.79 μm,基部直径为1.79～2.33 μm,分叉角度15°～35°,分叉部分长约1.33～5.21 μm(图3a)。

2.2.3鳞形感器(Sensillum squamiformium, Ssq)

形似剑鞘,与普通鳞片相似,表面具有3～5条纵脊,基部位于臼状窝内,端部尖锐,在触角各节的侧面和背面均见有分布,一般每节1～4个。雌雄Ssq无显著差异,长度为24.71～60.39 μm,中部宽1.91～4.54 μm,基部直径为1.03～2.36 μm(图3d)。

2.2.4毛形感器(Sensillum trichodeum, St)

表皮具斜环纹或横纹(图3f),环纹上分布有微孔,端部尖细到钝圆,基窝微陷较窄,分布在触角鞭亚节的侧面和腹面,每鞭亚节有毛形感器3～97个。根据长度、弯曲程度、纹理差异将其分为3种亚型。

StⅠ整体细长,呈“S”形或“L”形弯曲,底部粗壮至顶端逐渐变得尖利,外壁有斜环纹,着生在鞭亚节的腹面。雄蛾主要以StⅠ为主,雄蛾StⅠ的长度、基部直径显著大于雌蛾,数量多于雌蛾,感器长42.09～61.68 μm,基部直径1.32～3.45 μm(图3e)。

StⅡ整体呈钩形,中上部外壁具有横环纹,近基部外壁光滑,顶端钝圆,StⅡ着生于雌雄蛾鞭亚节腹面和侧面之间。雌蛾主要以StⅡ为主,雄蛾StⅡ基部直径显著大于雌蛾,感器长31.03～38.98 μm,基部直径1.71～3.45 μm(图3g)。

StⅢ长度较短,呈镰刀状,基部粗大,外壁有横环纹,顶端较尖,位于鞭亚节除末节的侧面。雄蛾StⅢ的基部直径显著大于雌蛾,数量显著多于雌蛾,感器长10.92～30.84 μm,基部直径1.74～3.45 μm(图3e)。

2.2.5刺形感器(Sensillum chaeticum, Sch)

感器外壁有龟裂状纹(图3h),基部有一向上突起的臼状窝,表皮厚且无孔,呈现直立形或“S”形,顶部钝圆,比其他感器明显粗长,触角鞭亚节每节侧面、背面和腹面的中部都有分布,一般每节着生1～6个,末端鞭亚节分布10～18个,雌蛾Sch的数量显著多于雄蛾,基部直径小于雄蛾,感器长25.24～71.74 μm,基部直径2.09～4.20 μm(图3g)。

2.2.6锥形感器(Sensillum basiconicum, Sb)

基部着生在触角表面内陷腔内,中上部表面具有多条纵纹(图4d),纵纹内有微孔,外壁很薄,长度和数量均低于St。Sb成簇分布于鞭亚节除末节的腹面和侧面,每鞭亚节约有2～16个,根据外壁纵纹是否线形分为2种。

SbⅠ外壁有线形纵纹(图4d),无凹陷,顶端圆钝,雌蛾SbⅠ长度显著大于雄蛾,感器长6.01～31.56 μm,基部直径1.41～2.07 μm,基节窝3.24～5.47 μm(图4a)。

SbⅡ外壁有凹陷和无规则纵纹,感器基部收缩呈细径,顶端较尖,雌雄SbⅡ无显著差异,感器长11.74～32.95 μm,直径1.36～3.09 μm,基节窝3.54～6.51 μm(图4c)。

2.2.7耳形感器(Sensillum auricillicum, Sau)

外壁有多条纵纹或光滑,纵纹内有少量微孔,有臼状窝,主要分布在雌雄蛾鞭亚节除末节外侧腹面的中部和端部,每节约有1～6个,根据其表面纹理分为3种。

SauⅠ呈兔耳形或卷叶形,外壁凹陷且具有明显纵纹,中部宽幅与基部直径相差不大,每鞭亚节除末节外的中部和末端可观察到1～4个SauⅠ。雄蛾SauⅠ显著长于雌蛾,数量无显著差异,感器长14.05～23.68 μm,中间宽1.56～3.98 μm,基部直径1.32～3.00 μm,基节窝4.31～7.05 μm(图4e)。

SauⅡ几乎不向内弯曲,外壁凹陷较浅且具轻微纵纹或光滑(图4f),常分布在鞭亚节除末节末端的侧面,数量少于SauⅠ。雌雄之间无差异,感器长14.08～24.48μm,中间宽4.37～8.97 μm,基部直径1.62～3.46 μm,基节窝5.18～7.37 μm(图4g)。

Sau Ⅲ,形似杨桃状,外壁光滑,感器中部有1凸出纵棱贯穿基部和端部,雌雄均有少量分布,一般在触角末尾某鞭亚节端部的侧面。雌雄之间无差异,Sau Ⅲ长16.61～17.34 μm,中部宽2.47～3.35 μm,基部直径1.95～3.30 μm,基节窝5.83～6.81 μm(图4g)。

2.2.8腔形感器(Sensillum cavity,Sca)

形似臼状窝,主要分布在柄节、梗节和鞭节的表面,每鞭亚节约有腔形感器2～116个,雄蛾Sca基部直径大于雌蛾,基部直径3.71～5.21 μm、高0.90～1.37 μm(图3a, 4e)。

2.2.9腔锥形感器(Sensillum coeloconicum, Sco)

根据感器外部有无缘毛将其分为2个类型,即具缘毛腔锥形感器(ScoⅠ)和无缘毛腔锥形感器(ScoⅡ)。

ScoⅠ在触角表面的内陷腔内生长,中间有1根指状锥形突,附近缘毛向中心弯曲聚拢呈菊花状,ScoⅠ主要分布在雌雄鞭亚节侧面和腹面,约有1～8个,雌蛾ScoⅠ长度显著大于雄蛾,基部直径小于雄蛾,ScoⅠ的感觉锥长2.68～5.00 μm,腔穴直径约7.95～12.87 μm(图4a)。

ScoⅡ在臼状窝内生长,窝内有1根光滑的锥形突,锥形突顶端光滑或有2个小乳突,雌雄均有分布,每节最多3个,雌雄之间无显著差异。ScoⅡ感觉锥长1.55～2.82 μm,基部直径1.48～2.27 μm,腔穴直径3.24～5.78 μm(图4b)。

2.2.10栓锥状感器(Sensillum styloconicum, Sst)

着生在微陷狭窄的窝内,宽扁形,感器表面有纵脊纹,顶端一般具有1～2个锥状突起,末端栓锥形感器具有3～5个锥状突起,锥状突起外壁光滑,主要分布在第10鞭亚节及之后各节腹面的节间处,每节最多1个,雌雄之间无显著差异。SSt长17.29～24.54 μm,宽4.08～8.36 μm,锥形突直径1.05～2.09 μm,锥形突高1.38～3.99 μm(图4h)。

2.3 小花尺蛾雌雄成虫及感器比较

小花尺蛾雌蛾触角长度显著大于雄蛾,鞭亚节数量比雄蛾多4～10节,雌雄蛾梗节直径和鞭节长度有显著差异。雌蛾叉形感器、锥形感器Ⅰ、耳形感器Ⅰ和腔锥形感器Ⅰ的长度显著大于雌蛾,Böhm氏鬃毛Ⅱ、毛形感器Ⅰ的长度显著小于雄蛾,毛形感器(Ⅰ～Ⅲ)、刺形感器和腔锥形感器Ⅰ的直径(基宽)显著小于雄蛾,刺形感器的数量显著多于雄蛾,毛形感器Ⅰ和毛形感器Ⅲ的数量显著少于雄蛾(表2)。感器种类无差异,触角长度、感器长度和数量存在雌雄二型现象。

表2 小花尺蛾触角不同类型感器的形态特征1)

续表2 Table 2(Continued)

3 结论与讨论

本研究发现小花尺蛾成虫触角上存在10类17种感器类型,一般类型感器为尺蛾科所共有[10-14],特殊类型中的Böhm氏鬃毛Ⅰ、锥形感器Ⅱ、腔锥形感器Ⅱ、耳形感器Ⅱ、耳形感器Ⅲ在尺蛾科昆虫触角上尚属首次报道,耳形感器Ⅲ在鳞翅目昆虫触角上尚属首次报道。刺形感器、锥形感器与Böhm氏鬃毛、指形感器与栓锥形感器的区分在尺蛾科有分歧,结合近期鳞翅目其他昆虫感器来进行综合判断。

Böhm氏鬃毛表面光滑无孔,具有缓冲重力的作用[15],是一种能主动对飞行时触角的定位进行机械控制的物理感器[16]。此次研究中观察到的Böhm氏鬃毛与豆卜馍夜蛾Bomolochatristalis[17]、之美苔蛾Miltochristaziczac[18]和杨背麦蛾Anacampsispopulella[19]的Böhm氏鬃毛相似,仅存在于柄节和梗节,表面光滑无孔,推测也是具有缓冲作用的物理感器。

叉形感器表面有纵棱纹,与金银花尺蠖Heterolochajinyinhuaphaga[13]、杨小舟蛾Micromelalophatroglodyta[20]的叉形感器相似,在华山松大小蠹Dendroctonusarmandi[21]中报道能控制触角运动,小花尺蛾叉形感器表面光滑无孔,推测为控制触角运动的物理感器。

鳞形感器是感受机械刺激的感受器[9,15],小花尺蛾的鳞形感器与灰茶尺蠖Ectropisgrisescens[14]、核桃举肢蛾Atrijuglanshetaohei[22]、杨小舟蛾[20]、黏虫Mythimnaseparata[23]的相似,在雌雄之间无差异,推测也为物理感器。

刺形感器基部有1个臼状窝,常分布在鞭节[9]。一般分为2类:一类表面无孔,基部的关节窝固定,为主要起支撑保护和感受机械振动作用的物理感器[7-8],另一类末端表面有1个孔且表面有纵沟,为化学感器,如茶尺蠖Ectropisobliqua和棉铃虫Helicoverpaarmigera的刺形感器为接触性的化学感器[10,24]。小花尺蛾刺形感器表面无孔,其末端指状结构间有间隙,与金银花尺蠖[13]、核桃举肢蛾[22]、黏虫[23]和小菜蛾Plutellaxylostella[25]的刺形感器相似,推测为接触性的化学感器,雌蛾数量显著多于雄蛾,这可能便于雌蛾接触植物,感受接触刺激,从而选择求偶微环境和产卵的适宜场所。

毛形感器根据长度划分为长型毛形感器、中型毛形感器和短型毛形感器[8-9,18],该类感器在多数鳞翅目雌、雄蛾触角上具有性二型[13-14,18,20,22-23,29]。棉铃虫的毛形感器具有感受性信息素的功能[25],小菜蛾[26]的毛形感器对寄主植物挥发物敏感,因此是承担识别性信息素和寄主植物挥发物功能的化学感器[7-9],小花尺蛾的毛形感器与小菜蛾[26]、黏虫[23]、金银花尺蠖[13]、灰茶尺蠖[14]的相似。小花尺蛾雄蛾触角中毛形感器Ⅰ和毛形感器Ⅲ的数量显著大于雌蛾,推测这两种毛形感器在雄蛾识别雌蛾性信息素过程中发挥重要的作用。

锥形感器分为两类,一类是表面孔呈线性排列,如豆卜馍夜蛾[17],另一类是孔无规则排列,如花布灯蛾Camptolomainteriorata[27]。锥形感器表面具有大量的微孔,是感受寄主和天敌气味等环境因子的化学感器[7-9]。小花尺蛾的锥形感器与灰茶尺蠖[14]、豆卜馍夜蛾[17]、核桃举肢蛾[22]、黏虫[23]的相似,锥形感器数量仅次于毛形感器,推测也是主要发挥嗅觉功能的化学感器,而雌蛾锥形感器Ⅰ显著长于雄蛾,推测有利于雌蛾识别寄主植物[12]。

耳形感器表面具有微孔,是能感受微量信息素、探测植物气味和接受声波的化学感器[7-9],小花尺蛾的耳形感器Ⅰ和耳形感器Ⅱ与核桃举肢蛾[22]、小菜蛾[25]、黏虫[23]的相似,耳形感器以耳形感器Ⅰ为主,雌蛾耳形感器Ⅰ的长度显著长于雄蛾,推测与雌虫更容易接受挥发物刺激有关,有的耳形感器Ⅱ表面光滑无纹,还有新型耳形感器Ⅲ,关于其功能是否与耳形感器Ⅰ相同还未有探究。

腔形感器的腔内底部着生很小的感觉突起,小花尺蛾的腔形感器与金银花尺蠖[13]、杨小舟蛾[20]的相似,关于腔形感器的功能还未有探究,可能与腔锥形感器的功能相同。

腔锥形感器Ⅰ的环形缘毛保护着中央感觉锥,气味分子主要通过感觉锥顶端孔道进入感受器内部,如家蚕Bombyxmori腔锥形感器能感受短链脂肪酸和单萜醇类等物质[28],腔锥形感器具有感受植物气味和湿度的功能[7-9]。小花尺蛾的腔锥形感器Ⅰ与豆卜馍夜蛾[17]、杨小舟蛾[20]和小菜蛾[25]相似;腔锥形感器Ⅱ与核桃举肢蛾[22]、之美苔蛾[18]相似。推测在小花尺蛾触角中腔锥形感器发挥嗅觉感受器的作用,雌蛾腔锥形感器Ⅰ的长度显著长于雄蛾,雄蛾腔锥形感器Ⅰ的基部直径显著长于雌蛾,推测是协同进化的结果,可能都与感受湿度,从而寻找适宜栖息生境有关。

栓锥形感器是具有嗅觉、味觉、温湿度及机械感受功能感受器[7-9],鞭节末端的栓锥形感器可能承担味觉的功能[25]。小花尺蛾的栓锥形感器与灰茶尺蠖[14]、核桃举肢蛾[22]、小菜蛾[25]、花布灯蛾[27]相似,分布在雌雄蛾触角的第10鞭亚节及之后亚节腹部的节间处,在雌雄蛾之间无差异,推测其在小花尺蛾触角中主要发挥感受温度和湿度的功能。

本次对小花尺蛾触角进行超微结构观察,发现10类17种感器,新发现耳形感器Ⅲ,除鳞形感器和栓锥形感器外,其余感器的数量和大小在雌雄之间有差异。其中毛形感器(Ⅰ、Ⅲ)和刺形感器之间有显著差异,建议下一步借助先进的电生理实验技术,探讨小花尺蛾特定感器与植物挥发物的相关性及其感知化学信息的功能和分子机制。