红火蚁雄蛹的发育过程及其形态变化

高梦悦，黄昱轲，郑淇元，冯波，*

(1.温州医科大学 公共卫生与管理学院，浙江 温州 325035；2.绵阳师范学院 生命科学与技术学院，四川 绵阳 621000)

红火蚁(SolenopsisinvictaBuren)隶属于膜翅目(Hymenoptera)、蚁科(Formicidae)、火蚁属(Solenopsis)，作为一种高度分化的社会性昆虫，是全球上百种最具破坏力的入侵生物之一，原产于南美洲[1]。2004年第一次在我国台湾发现。截至2022年，红火蚁快速入侵到我国浙江、福建、江西、湖北、湖南、广东、广西、海南、重庆、四川、贵州、云南等12 个省(自治区、直辖市)的 579 个县级行政区域。

自红火蚁入侵以来对我国产生了严重的后果。首先，红火蚁作为杂食性昆虫，不仅可以取食农作物、植物等各个部位，也可以取食无脊椎动物，攻击脊椎动物[2]，使得入侵地农业大幅度减产，生态系统严重破坏[3]。其次，红火蚁的攻击性很强，一旦受到惊扰工蚁便会倾巢出动[4]。人被叮咬后，叮咬部位会产生瘙痒、疼痛感，不久后会起水泡，水泡形成脓包进而形成永久性疤痕[5]。被严重叮咬者或对红火蚁毒液过敏者，会出现荨麻疹、头晕恶心、呕吐、休克甚至死亡等情况[6-7]。最后，红火蚁的电感性很高，导致电子设备经常受到红火蚁干扰，如：变压器箱、交通信号箱等，造成电线短路、设备故障，间接导致经济损失[8-9]。

红火蚁的发育需要经过卵、幼虫、蛹、成虫4个时期，其中成虫包括蚁后、雄蚁和工蚁3个品级。卵为卵圆形或椭圆形，颜色为乳白色，发育为幼虫大概需要7～14 d。幼虫总共分为4个龄期，为乳白色至淡黄色，12～15 d后幼虫化蛹。蛹形态与成虫基本一致，并根据触角可分辨雌雄。工蚁蛹期8～13 d、繁殖雌蚁12～16 d、雄蚁11～15 d[10]。繁殖蚁羽化且发育成熟后，会在合适的环境、温湿度条件下进行婚飞交配[11]，每年的5～8月份是婚飞高峰期。交配后，雌蚁脱翅成为无翅蚁后，建立新的蚁巢[12]。虽然国内外学者对红火蚁各品级的成虫以及各时期虫态的形态特征进行了较为详细的描述[13-14]，但是这些描述并没有涉及红火蚁的化蛹、蛹发育及羽化过程。

蛹期是红火蚁从幼虫发育为成虫必须经历的一个关键时期，该时期一边分解幼虫原有的组织器官，一边形成成虫所需要的内部器官[15]，是繁殖蚁生殖系统形成的重要时期。准确掌握红火蚁化蛹、蛹发育及羽化过程，对研究红火蚁的生殖系统发育过程、性成熟等具有重要意义。本研究利用显微观察详细研究了红火蚁幼虫化蛹、雄蛹发育及雄蚁羽化的整个过程，目的在于明确红火蚁雄蛹发育的形态特征变化，为进一步研究红火蚁生殖系统发育、性成熟及基于蛹和成虫的RNA干涉等奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试虫源与饲养

红火蚁来自四川省绵阳市涪城区田间采集的多蚁后种群。将野外的红火蚁种群转移至内壁涂有滑石粉的20 L塑料桶中[16]，在实验室内放置1～2 d，再用滴水法将红火蚁蚁群与土壤分离并形成蚁阀，分离出四龄幼虫。准备30只四龄幼虫，将每只四龄幼虫与30～50只工蚁以及少量工蚁幼虫饲养于内径60 mm的培养皿中。培养皿内壁涂上滑石粉防止红火蚁逃逸，培养皿中放置约80 g田间采集的湿润土壤。用蘸有10%葡萄糖溶液的棉花团及切碎的火腿肠作为食物。每日更换新的棉花团和火腿肠。饲养条件为：温度27.0±1.0 ℃、相对湿度(70.0±5.0)%、 光照∶黑暗为14 h∶10 h[17]。

1.2 四龄幼虫和蛹的形态观察

从四龄幼虫放入培养皿饲养后，开始每天观察。具体方法如下：每天用镊子轻轻拨开湿润土壤，寻找到幼虫、蛹或新羽化的成虫后，通过药勺将虫体转移至干净的培养皿中，于SMZ-171(麦克奥迪，中国)体视显微镜下观察，记录幼虫和蛹的发育过程，并利用Moticam2506数码系统(麦克奥迪，中国)拍摄形态照片，比较四龄幼虫化蛹、雄蛹发育、成虫羽化过程中的形态变化。

2 结果与分析

2.1 红火蚁化蛹前幼虫的外部形态

即将化蛹的红火蚁幼虫体长为3.8～4.5 mm，白色或淡黄色，呈卵圆形。头部较小，表面光滑；上颚褐色，坚硬。胸部饱满，表面光滑，靠近中部有一条细微褶皱，为发育中蛹的头部和胸部分界。腹部表面有明显褶皱，从侧面看可分为8个腹节；相对于腹部中部，两侧及末端变得扁平，形成裙边一样的结构。头部和腹部端部向腹面弯曲，致使身体弯向腹面。此阶段已无法看到腹部内的消化系统和白色脂肪颗粒(图1)。

A—幼虫侧面，蓝色线条范围为幼虫头部，绿色线条范围为幼虫胸部，白色线条范围为幼虫腹部；B—幼虫腹面；图中竖线为2 mm比例尺。图1 红火蚁化蛹前幼虫Fig.1 The larvae of the red fire ants before pupation

2.2 红火蚁幼虫的化蛹过程

根据表现出来的形态差异可以将红火蚁幼虫的化蛹过程划分为4个阶段(图2)。第一阶段(图2中A和B)：四龄幼虫腹部外侧原本皱缩成“裙边”的被膜继续皱缩至紧贴幼虫腹部，虫体近似圆筒形；蛹的头部和前胸开始分化，致使幼虫胸部前端出现轻微内陷；腹部末端向头部处弯曲，从侧面看整个身体呈现弯钩形。第二阶段(图2中C和D)：蛹胸腹部及胸部附肢开始发育，胸腹连接处开始向内缢缩，致使身体中部明显变窄，腹面隐约可见足的形态。第三阶段(图2中E)：虫体尽管被被膜包裹，但已经呈现出蛹的形态；蛹的腹部分节明显；足和翅膀除基部外，其余部分明显从身体表面脱离。第四阶段(图2中F～H)：蛹通过蠕动身体依次将被膜从头部至腹部脱落；整个蜕皮过程大约持续1 h，但是头部、胸部蜕皮仅需短短数分钟即可完成蜕皮完成后，雄蛹如图。

A～B—第一阶段；C～D—第二阶段；E—第三阶段；F～H—第四阶段；I—红火蚁蛹；图B和图D为腹面观，其余图片为侧面观；图中竖线为2 mm比例尺。图2 红火蚁幼虫的化蛹过程Fig.2 Pupation of fourth instar larvae of red fire ants

2.3 红火蚁雄蛹的发育过程

根据不同发育时期红火蚁雄蛹表现出来的形态差异可以将红火蚁雄蛹的发育过程分为7个阶段(图3)。第一阶段为新化蛹(图3中A)：体为黄白色；从侧面看触角、足、翅透亮；腹部有六个体节，可见少量脂肪体；复眼为浅赭红色。第二阶段(图3中B)：体色加深为黄色；复眼和单眼整体呈黑色；翅基部周围为红棕色。第三阶段(图3中C)：腹部除结节外明显呈灰色，头部稍稍变灰，颜色深于胸部和腹结节。第四阶段(图3中D)：头部与胸部颜色加深至灰棕色，导致翅基部周围颜色与胸部颜色融合；腹部颜色继续加深至深灰色，而腹结节变为灰色。第五阶段(图3中E)：头部、胸部变为深灰色，颜色仍弱于复眼；腹部呈灰黑色；足除跗节外为灰棕色；触角端半部及翅膀仍然为透明。第六阶段(图3中F)：头部、胸部、足(跗节除外)、触角基部灰黑色，腹部呈黑色；足跗节及触角端半部浅红棕色；体壁未完全角质化。第七阶段(图3中G)：蛹除翅膀外完全黑化，体壁变硬角质化，表面紧贴透明表皮，即将羽化。

2.4 雄性红火蚁的羽化过程

根据红火蚁羽化过程中表现出来的形态差异可以将红火蚁的羽化过程分为两个阶段，身体蜕皮期和展翅期。首先蜕皮的部位是足和触角(图4中A)，接着利用足将表皮从头部到腹部逐一去除。蜕去表皮的蛹已经可以爬行，除翅膀尚未展开外，形态与雄蚁成虫一致。展翅期：蛹的翅膀从翅基部慢慢展开(图4中B)，待翅膀完全展开后，雄蚁羽化成功(图4中C)。

A—蜕皮期(侧面观)；B—展翅期(背面观)；C—雄蚁(背面观)；图中竖线为2 mm比例尺。图4 雄性红火蚁的羽化过程Fig.4 Eclosion of male red fire ants

3 讨论

本实验在自然条件下研究了红火蚁雄蚁从四龄幼虫羽化为成虫的整个过程，共涉及了四龄幼虫化蛹、雄蛹发育以及雄蚁羽化3个时期。红火蚁四龄幼虫化蛹之前，其头胸腹以及附肢、翅芽等已经分化成形，在显微镜下可直接观察到虫体形态所发生的变化，而这与拟黑多刺蚁有着极大的差异。拟黑多刺蚁的老熟幼虫在化蛹前会吐丝结成较为饱满的黄白色茧，只有通过解剖才能观察到裸蛹的形态[18]。同样螟蛉盘绒茧蜂的幼虫在化蛹也会形成纺锤状的茧，之后再完成蛹的发育。虽然三者都是膜翅目昆虫，但幼虫化蛹的过程不尽相同。

红火蚁四龄幼虫蜕皮后虫体进入蛹期。蛹期是完全变态类昆虫从幼虫向成虫转变所必须经历的一个虫态，成虫的组织器官逐渐形成，所以蛹期是成虫生殖系统发育的关键时期。本研究发现，红火蚁雄蛹体色随发育时间整体逐渐加深，与铜绿蝇[19]、大黄蜂[20]等其他完全变态类昆虫蛹体的着色变化一致。但红火蚁和大黄蜂都是从眼睛先开始着色，接着再是身体，而铜绿蝇的着色顺序则是从翅和足根部开始，接着是胸腹，最后复眼颜色才开始变红。根据红火蚁雄蛹的着色变化特征将雄蛹的发育过程分为了7个阶段，而铜绿蝇的蛹期则根据蛹体具有时间标志性的形态变化可划分为8个阶段，在显头期其头、胸、腹才分化出来，同时出现翅、足和复眼轮廓。这可能是因为铜绿蝇与红火蚁不属于同一目昆虫。

蛹发育完全后，蜕去最后一层表皮成为成虫的过程为羽化。红火蚁雄蛹羽化时，先将身体表面的表皮蜕掉，再从翅基部开始舒展翅膀，直到翅膀完全展开。尽管海南亚春蜓属于不完全变态昆虫，但其羽化过程和红火蚁相似，也是虫体先出壳再展翅[21]。红火蚁雄蚁展翅后，形态不再有变化。而海南亚春蜓展翅后虫体颜色逐渐变深，翅膀稍微变硬，腹部完全伸直。也有部分完全变态昆虫存在先展翅后蜕皮的情况，如红颈常室茧蜂[22]在蛹期的第8日龄翅芽才分化，第9日龄翅芽蜷缩生长，第12日龄雄蜂翅完全伸展开后，红颈常室茧蜂才开始羽化。

本研究对红火蚁四龄幼虫发育为雄蚁的全部形态特征变化进行了观察，较为全面地掌握了红火蚁前蛹期、蛹期、羽化期的形态变化过程，为进一步研究红火蚁雄蚁生殖系统成熟和红火蚁发育的分子机制奠定基础。