鶴頂粉蝶覓食求偶過程中的視覺嗅覺信號識別

劉 杰，李明濤，陳順安，姚 俊，石 雷，陳曉鳴

(中國林業科學研究院高原林業研究所，國家林業和草原局資源昆蟲培育與利用重點實驗室，云南 昆明 650224)

大多數訪花昆蟲對某些特定顏色、氣味會表現出偏好，在尋找蜜源時，常以此作為識別、選擇信號。昆蟲氣味物質大致包括2 大類：昆蟲自身產生的氣味物質和植物產生的氣味物質。通常，植物產生的氣味物質多作為昆蟲覓食、產卵的信號物質，而昆蟲產生的氣味物質則多被用于種群內部交流[1]。

蝶類是重要的訪花傳粉昆蟲，在訪花覓食過程中，遠距離定位蜜源植物主要依靠花朵顏色提供的各種視覺信號，而嗅覺、觸覺信號被認為在蜜源植物的近距離識別中發揮作用[2-4]。尤其是花色對蝴蝶搜尋蜜源相當重要，然而不同蝶種對顏色和氣味的趨性有較大的區別[5-6]。目前關于蝴蝶成蟲復眼的結構和功能方面已經進行過廣泛的研究[7-11]。白天活動的蝴蝶光感受器多樣化，不同蝶種光譜感受器種類不同[12-13]。白帶鋸蛺蝶（Cethosia cyane）與金斑蝶（Danaus chrysippus）在訪花過程中偏愛紅色、橙色和黃色[6]。而達摩鳳蝶（Papilio demoleus）偏愛紫色和藍色[14]。暗脈粉蝶（Pieris napi）在覓食時主要利用視覺[15]。除了視覺，蝴蝶還具有發達的嗅覺系統[16-17]，花的氣味則作為嗅覺信號影響蝴蝶的訪花行為[18-19]，如蕁麻蛺蝶（Aglais urticae）、黃蛺蝶（Polygonia calbum）、枯葉蛺蝶（Kallima inachus）和紅鋸蛺蝶（Cethosia bibis）主要利用嗅覺信號進行覓食及搜尋寄主植物[6,20-21]。

不僅如此，蝶類在求偶過程中，也需通過視覺、嗅覺和觸覺等信號來進行配偶的識別[22]。其中有些蝶類以視覺為主[23-24]，有些以嗅覺[25-26]或觸覺為主[27-28]，有的蝶類綜合利用視覺和嗅覺信號[17]進行配偶識別。目前已有研究表明，暴露在蝴蝶翅膀腹面的色彩信號有助于躲避捕食者[29-30]，物種識別[31]，而隱藏在翅膀背面的色彩信號，包括紫外線信號，則在尋找配偶中起作用[32-33]，如菜粉蝶（Pierisrapae）雌蝶對背部翅膀顏色較深的雄性表現出明顯的偏好，這些雄蝶的翅膀背面顏色在長波較亮，紫外波長較暗，并且含有大量的蝶呤色素[34]。當把蝶呤從雄性翅膀上去除后，雄蝶的求偶成功率降低[35]。而在近距離求偶時，蝴蝶利用蟲體揮發物提供的嗅覺信號對配偶進行精準識別，這種嗅覺信號，被認為是對蝶類視覺信號的補充[36]。成蟲蟲體揮發物可以確保雌雄蝶交流具有高度的私密性[20]。如雄性信息素MSP 在偏瞳蔽眼蝶（Bicyclus anynana）的配偶選擇中起關鍵作用[37-38]。

鶴頂粉蝶（Hebomoia glaucippe）又名赤頂粉蝶、紅襟粉蝶，隸屬于鱗翅目（Lepidoptera）粉蝶科（Pieridae）襟粉蝶族（Anthocharidini）鶴頂粉蝶屬（Hebomoia）[39]。國內分布于福建、廣東、海南、四川、云南、香港等地[40]。不同蝶種覓食求偶過程中的視覺嗅覺信號識別機制不同，有關鶴頂粉蝶覓食求偶過程中視覺嗅覺利用系統研究尚未見報道。本研究通過對鶴頂粉蝶覓食求偶過程中識別行為的觀察，探索鶴頂粉蝶在覓食和求偶過程中的視覺和嗅覺選擇，以期了解鶴頂粉蝶覓食求偶過程中對視覺嗅覺信息利用機制，為開展鶴頂粉蝶的規模化人工繁育提供理論和實用依據，為其它蝴蝶的研究提供參考。本研究亦為進一步探索蝴蝶進化過程中視覺嗅覺利用提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗在中國林業科學研究院高原林業研究所祿豐試驗站進行，試驗站海拔高度為1 382 m。該地區年平均氣溫16.2 ℃，年均降水量930～950 mm，年無霜期322 d。行為學觀察測試在網室（9 m ×5 m × 5 m）進行，常溫網室通風透光良好，并且光照均勻。

1.2 試驗材料

1.2.1 供試蝴蝶 從云南省元江縣昆明中林昆蟲觀賞有限公司獲得鶴頂粉蝶蛹，帶回室內掛置于自然變化光周期、溫度25±2 ℃、濕度50%～70%條件下。蛹羽化后，取新羽化健康的蝴蝶成蟲進行試驗。將待試蝴蝶（羽化2 d 用于覓食試驗，羽化5 d 用于求偶試驗）放于網室內讓其適應24 h。試驗前放入少量清水供成蟲吸食補充水分，求偶過程中假花上噴灑10%蜂蜜水供蝴蝶取食。

1.2.2 供試假花 選擇花冠為紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、紫色和白色7 種顏色的假花（圖1A）。用于成蟲訪花測試。假花由棉布制成，除顏色不同外，形狀基本相同。測試前，利用光譜儀（USB200+，Ocean Optics，Inc.，USA）測量7 種顏色假花的反射光譜（圖1B），用于校準蝴蝶訪花行為的顏色趨性。

圖1 7 種假花花色及其可見光范圍的光譜反射率Fig.1 Artificial flowers with seven colors and their spectral reflectance in visible light

1.2.3 供試蜂蜜水 以槐花蜂蜜（桂林周氏順發食品有限公司）為原料，用純凈水稀釋配制為10%濃度的蜂蜜水。

1.2.4 蝴蝶塑封模型制作 將黑色木條作為蝴蝶成蟲軀體，將鶴頂粉蝶成蟲翅膀粘于木條軀體后，粘上黑色假觸角（類似毛刷），再用PVC 塑料塑封制成仿真塑封蝴蝶模型（圖2）。按照前翅、后翅、翅正面、翅反面組合制成4 種塑封模型：1、♀翅膀背面；2、♀翅膀腹面；3、♂翅膀背面；4、♂翅膀腹面，用于蝴蝶求偶過程中模型訪問行為測試。

圖2 模仿鶴頂粉蝶雌雄成蟲制作的塑封模型Fig.2 An artificial butterfly model made by imitating Hebomoia glaucippe males and females

1.3 試驗方法

1.3.1 鶴頂粉蝶對單一顏色的趨向試驗 將紅、橙、黃、藍、紫、綠和白色7 種顏色的假花分別按相同顏色各自集中在一起[4]，花朵距地面約0.5～0.7 m，相鄰花束間距為80 cm。在天氣晴朗、光照充足，溫度18～30 ℃，相對濕度60%～80%的環境條件下，放入鶴頂粉蝶雌雄蝶各10 只，觀察時間為9:30—11:30，14:30—17:30，7 種顏色的假花位置每1 h 按順時針方向移動1 次，避免位置帶來的誤差。每隔40 min 在7 種假花花束上分別補噴清水10 mL。重復試驗3 d（下同）。

取食：鶴頂粉蝶停落在假花上，探食后伸出喙管并開始吸食假花上的蜂蜜水或清水，記錄為取食。

訪花次數：從鶴頂粉蝶著落在花朵上伸出喙管探食，至鶴頂粉蝶卷曲喙管飛離花朵記為1 次訪花。若同1 只蝴蝶飛離后，在不超過1 m 距離內又折回到同1 花朵上，則僅記為1 次訪花。

1.3.2 鶴頂粉蝶對單一氣味的趨向試驗 為了明確氣味對鶴頂粉蝶的誘集效果，試驗將假花花冠去掉，剩下花枝和葉片，將10%蜂蜜水噴灑在無花冠的花托上，觀察并記錄鶴頂粉蝶對無花冠花托的訪問次數。

1.3.3 鶴頂粉蝶對顏色氣味混合（單一顏色 +10%蜂蜜水）的趨向試驗 在7 種假花花束上用噴壺分別均勻噴灑等量的10%的蜂蜜水10 mL，為了有效避免因水分蒸發而影響試驗結果，每隔40 min 在7 種假花花束上分別補噴10%的蜂蜜水10 mL。觀察并分別記錄鶴頂粉蝶對不同顏色花束的訪問次數。

1.3.4 鶴頂粉蝶自然種群求偶行為 在網室放入處于求偶期但未交配的雌、雄成蟲各10 只，觀察雌雄蝶的求偶追逐行為。觀察時間為9:30—11:30，14:30—17:30。當某一雌/雄成蟲對異性個體表現出明顯趨向行為，并出現尾隨追求，記為1 次求偶行為。為便于區分雌雄，雌蝶前翅用紅色記號筆標記。

1.3.5 雌雄蝶對塑封模型的趨向行為 在觀察網室內3 條橫線上垂直懸掛12 只模型，雌蝶模型、雄蝶模型和空白模型均為4 只（模型的懸掛順序依次為雌、雄和空白模型）。12 只模型距地面垂直高度約1.8 m，模型間距為1 m。分別將處于求偶期雌蝶10 只和雄蝶10 只放入網室進行模型訪問的觀察，觀察過程中每間隔2 h 交換1 次模型位置，觀察并記錄雌雄蝶訪問模型的次數。

模型訪問次數：蝴蝶接近移動模型時，觀察到蝴蝶減速，快速震動翅膀，并做出求偶姿勢，此時，將繞模型飛行或停在模型上記為訪問1 次。若1只蝴蝶訪問模型后，在不超過1 m 距離內或時間不超過10 s 又返回到同一模型上，則僅記為訪問1 次[41]。

1.3.6 鶴頂粉蝶色彩及光譜分析 將前述鶴頂粉蝶標本及模型翅膀平展開后，用光譜儀（USB200+，Ocean Optics，Inc，USA）拍照，然后通過SRAnal、ENVI 軟件進行光譜數據的轉換處理，最后利用Excel 繪圖。使用紫外儀（型號WD-9403C，反射影像波長365 nm）拍照。

通過光譜分析表明，自然種群與塑封模型的光譜特征相似，雖然塑封模型反射率低于自然種群，但是在重要的反射率高峰階段相似（圖3A-B）。試驗觀察發現，在自然光下，鶴頂粉蝶雌雄翅面顏色和翅脈存在差別，雌蝶后翅背面比雄蝶多1 列黑色斑點。另外，雌雄蝶前后翅腹面的顏色有明顯區別（圖3C）。在紫外光下，蝴蝶模型與標本比較，雖然有一定差異，但塑封模型反射率更強，蝴蝶更容易識別(圖3D-E)。

圖3 鶴頂粉蝶雌雄蝶自然種群及塑封模型色彩Fig.3 The color of females and males of natural Hebomoia glaucippe butterfly and artificial Hebomoia glaucippe butterfly model

1.3.7 數據分析 使用IBM SPSS25.0 統計分析軟件，對鶴頂粉蝶覓食過程中的訪花數據和自然種群求偶的數據進行單因素ANOVO 檢驗，然后用Duncan 進行多重比較。噴灑10%蜂蜜水前后鶴頂粉蝶訪花數據采用獨立樣本t檢驗。

2 結果

2.1 鶴頂粉蝶對單一顏色的趨向試驗

觀察結果表明，雌雄蝶對7 種顏色的訪問次數存在差異，雌蝶對除黃色和橙色外的顏色響應高于雄蝶（P＜0.05）。雌雄蝶對7 種顏色假花均有訪問，訪問總次數為259 次，雌雄蝶分別為151 次和108 次，分別占訪問總次數58.3%和41.83%。雌雄蝶均對紅色（620～750 nm）假花訪問次數最多，訪問次數分別78 次和50 次，占訪問總次數的51.66%和46.60%。雌蝶對藍色（450～475 nm）和紫色（380～450 nm）訪問次數次之，訪問次數分別為24 次和18 次，雌蝶對藍色和紫色訪問次數分別占雌蝶訪問總次數15.89%和11.70%，而雄蝶對橙色（590～620 nm）和黃色（570～590 nm）假花的訪問次數次之，分別為26 次和13次，雄蝶對橙色和黃色訪問次數分別占雄蝶總訪問次數24.07%和12.35%，雌雄蝶均對綠色（595～570 nm）和白色的假花訪問相對較少（圖4A）。

2.2 鶴頂粉蝶對單一氣味的趨向試驗

在無花冠的花托上噴灑10%的蜂蜜水后，鶴頂粉蝶對單一氣味的反應不活躍，雌雄蝶總訪問次數為10 次，雌雄蝶分別為8 次和2 次（圖4C）。

2.3 鶴頂粉蝶對顏色氣味混合（單一顏色 + 10%蜂蜜水）的趨向試驗

在無氣味的假花上噴灑10%蜂蜜水后，訪問總次數為583 次，雌雄蝶分別為305 次和278次，占訪問總次數52.32%和47.68%。雌蝶對黃色（570～590 nm）訪問次數最多（102 次），占雌蝶訪問總次數33.44%，其次是紅色（620～750 nm）和橙色（590～620 nm）假花分別是63次和49 次，占雌蝶總訪問次數20.55%和16.07%。雄蝶對橙色（590～620 nm）假花訪問最多（68次），占雄蝶訪問總次數24.34%，其次是紅色（620～750 nm）和黃色（570～590 nm）假花，訪問次數分別為63 次和65 次，占雄蝶訪問總次數22.54%和23.26%，雌雄蝶均對白色的假花訪問相對較少，均為5 次（圖4B）。

顏色+蜂蜜水誘集與單一顏色誘集相比，雌雄蝶對7 種顏色假花的訪問次數有不同程度的增加，并且在不同花色組合中蝴蝶訪花次數增加的比例不一樣，蝴蝶顏色趨性發生了變化，雌雄蝶訪花總次數增加2.25 倍，雌雄蝶分別增加2.02 倍和2.57倍（圖4C）。顏色+蜂蜜水誘集與單一氣味誘集相比，雌雄蝶訪花總次數增加58.30倍，雌雄蝶分別增加38.13倍和139.00倍（圖4C）。

圖4 鶴頂粉蝶對顏色及顏色 + 氣味的行為反應Fig.4 Behavior response of the Hebomoia glaucippe butterfly to the colors and colors plus odor

2.4 鶴頂粉蝶自然種群求偶行為

在鶴頂粉蝶求偶過程中存在2種情況，即同性之間的驅逐及異性之間的追逐4種行為，4種行為總次數為55次，其中雄追雄（11次，20.00%）、雄追雌（27次，49.09%），雌追雄（11次，20.61%），和雌追雌（5次，9.70%）。雄追雌的次數顯著高于雌追雄的次數（P＜0.01），表明在求偶中雄蝶占主動地位，而雌蝶處于被動地位。雄蝶驅逐同性行為的次數較雌蝶驅逐同性的次數多（P＜0.05），雄蝶同性之間的競爭較強烈（圖5）。

圖5 鶴頂粉蝶自然種群求偶和追逐模型行為比較Fig.5 Comparison of natural population courtship and chasing model behavior of Hebomoia glaucippe butterflies

2.5 雌雄蝶對塑封模型的趨向行為

在鶴頂粉蝶對無氣味的蝴蝶標本模型求偶中，同樣存在同性之間的驅逐及異性之間的追逐現象，總訪問次數為36 次。其中雄追雄（5 次，13.89%）、雄追雌（7 次，18.75%）、雌追雄（10 次，28.47%）、雌追雌（12 次，31.94%）、雄蝶訪問空白模型（1次，2.78%）和雌蝶訪問空白模型（1 次，3.47%）（圖5）。模型訪問次數與自然種群求偶比較，雖然也存在4 種相同的求偶模式，但鶴頂粉蝶對缺乏氣味的標本模型的訪問次數低于自然種群（P＜0.05）。

3 討論

訪花蝶類成蟲通過取食花蜜補充營養，以便于完成求偶、交配和產卵等生命活動。蝶類在飛行過程中首先通過花色來遠距離搜尋、發現蜜源植物[42-43]，靠近后再利用嗅覺信號精準定位蜜源植物[44]。雖然不同蝶種的蜜源植物種類有很大差異，但仍有很多蝶種偏好訪問相同顏色的花朵[45]。本研究中，無氣味7 色花誘集時，鶴頂粉蝶對不同花色均有訪問，但對長波長紅色（620～750 nm）趨性最強，顯示出其覓食過程中的色覺偏好。許多研究在鳳蝶及粉蝶科蝴蝶中發現了紅色視覺色素[11,46]，結合前人的研究結果，推測鶴頂粉蝶復眼存在感覺紅光波段的視覺色素。雌蝶對色覺的響應高于雄蝶，這可能由于雌蝶肩負產卵繁衍后代的使命，需要補充更多的營養，植物的花色可能驅動了雌蝶以紅色為主的視覺系統的發育。單一氣味誘集時，鶴頂粉蝶訪花次數較少，說明沒有顏色的指引，單一氣味對鶴頂粉蝶引誘作用有限，可能因為氣味較復雜、不穩定、受干擾較大。7 種不同顏色假花 +10%蜂蜜水誘集時，雌雄蝶均對黃色（570～590 nm）、紅色（620～750 nm）和橙色（590～620 nm）訪問最多，結合鶴頂粉蝶翅面色彩特征（橙黃色、橙紅色），考慮到昆蟲和植物之間的生態互作，初步推測鶴頂粉蝶在進化過程中存在與植物花色的協同進化。

視覺和嗅覺作為一個信號組合，不同蝶種對其信號利用機制存在差別，進而影響蝴蝶的訪花行為[47]。如玉帶鳳蝶Papilio polytes在其覓食過程中，視覺為主嗅覺為輔[4]，而虎斑蝶Danaus genutia在訪花時僅依靠嗅覺[44]。本研究所測試的鶴頂粉蝶經試驗可以歸到蝴蝶覓食過程中視覺為主，嗅覺為輔[44]。另外，添加10%蜂蜜水后與單一顏色相比，雌雄蝶的顏色趨性發生了變化，由紅色轉變為黃色和橙色，表明除了視覺，鶴頂粉蝶的覓食行為在一定程度上受嗅覺的影響，嗅覺在促進鶴頂粉蝶蜜源植物的精準識別和覓食行為方面具有一定的作用。訪花昆蟲為了節省覓食的時間，充分利用視覺嗅覺信號，本研究結果表明鶴頂粉蝶也遵循這一機制。

在求偶過程中，為減少被天敵捕食的風險及提高求偶效率，蝴蝶利用多種信號識別配偶[26]。蝴蝶自然種群求偶過程中有4 種追逐行為[48]，同樣，鶴頂粉蝶在求偶過程中也存在這4 種行為，其中異性追逐時雄追雌遠多于雌追雄，說明雄蝶在求偶時處于主動地位，雄蝶能精準識別雌蝶。同性驅逐時雄追雄的次數多于雌追雌的次數，可能是雄蝶為了爭奪交配的主動權而激烈競爭，驅逐同類。在模型求偶試驗中，雌雄蝶對標本模型訪問較多，表明雌雄蝶對其同類翅膀的色彩有識別能力，且該色彩對雌雄蝶具有吸引作用，說明鶴頂粉蝶可以通過翅膀色彩識別同類。雌雄蝶對僅有蝴蝶翅膀的形狀而缺少色彩的空白模型追逐次數僅各有1 次，進一步說明蝴蝶依靠視覺信號進行最初的配偶及同性的識別。本研究的結果支持蝴蝶可以通過翅面特征（如顏色、斑點等）、翅面鱗片反射的紫外光等來定位并識別同種異性[48]。雌追雌的次數最多，說明排除揮發物的嗅覺干擾，單一的視覺識別可加劇雌蝶之間的競爭。模型訪問與自然種群追逐相比，鶴頂粉蝶對模型訪問總次數明顯低于自然種群。雖然視覺有助于遠距離識別同類[48-49]，但仍需要嗅覺進行精準識別。鶴頂粉蝶雌雄翅面顏色和圖案存在一定差別，雌蝶的紫外反射比雄蝶的強，推測這種模式更有利于鶴頂粉蝶適應自然環境、配偶選擇及個體交流活動。

4 結論

本研究初步證明了鶴頂粉蝶覓食求偶時的視覺嗅覺利用。本研究結果表明，鶴頂粉蝶在覓食過程中以視覺為主，嗅覺為輔，具有明顯的色覺偏愛，偏愛紅色。在求偶過程中，雖然鶴頂粉蝶具有視覺識別能力，仍需要通過嗅覺信號精確識別配偶及同性。