芒果切葉象甲蟲體大小和形狀的兩性異形分析

柏天琦 解德宏 陳于福 張翠仙 王永芬 尼章光 王美存 章勇

摘要 為明確芒果切葉象甲蟲體大小和形狀的兩性異形，我們基于多元統計和幾何形態測量學定量分析了雌雄成蟲的11個共有形態指標和胸、腹部形狀兩性間差異。結果顯示：所有測量的形態指標中只有喙前段長分布范圍在雌雄間不存在重疊;雌性喙后段長顯著小于雄性（P<0.05），而鞘翅長、鞘翅寬、體高、腹長、前胸背板寬、頭寬、喙前段長及喙全長皆顯著大于雄性（P<0.05）;前胸背板長與頭長在兩性間無顯著差異（P>0.05）;喙后段長、喙全長及腹部大小在兩性中差異程度較大，而前胸及頭部大小在兩性間差異較小;雌性的腹部形狀與雄性相比較為圓潤，并有向外擴張的趨勢。因此，該蟲蟲體大小和形狀存在明顯的兩性異形。在實際應用中，我們可以通過肉眼觀察雌性成蟲的觸角位于喙近基部1/4處而雄性成蟲觸角位于喙近基部約2/5處來100%準確地確定其性別。

關鍵詞 芒果切葉象; 形態差異; 性別鑒定

中圖分類號： S436.67

文獻標識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2021025

Abstract In order to identify the sexual dimorphism of the body size and shape of Deporaus marginatus， we quantitatively analyzed the differences in the sizes of 11 shared morphological indexes and the shape of thorax and abdomen between male and female adults based on multivariate statistics and geometric morphometry. The results showed that there was no overlap in the distribution range of the length of front section of snout between male and female， while other morphological indexes were overlapped to different degrees. The length of rear section of snout in female was significantly smaller than that in male （P<0.05）， while the length and width of elytra， the thorax depth， the widths of pronotum and head， the length of front section of snout and the total snout length in female were significantly larger than those in male （P<0.05）. There was no significant difference in the length of the pronotum and head between female and male （P>0.05）. The length of rear section of snout， the total snout length and the abdomen size were quite different between male and female， while the length of pronotum and the head size were less different between male and female. Compared with the male， the female abdomen was round and tended to expand outward. Therefore， there was obvious sexual dimorphism in the body size and shape of D.marginatus. In practical application， we can use the naked eyes to definitely judge the sex of D.marginatus by observing the antennae： the antennae of female adults are located at 1/4 of the base of the snout， while the antennae of male adults are located at about 2/5 of the base of the snout.

Key words Deporaus marginatus; morphological differences; gender identification

動物界中普遍存在雌雄兩性異形（sexual dimorphism， SD）現象，主要表現為雌雄兩性除生殖器官的結構差異外，外部形態上在大小、形狀或體色上存在顯著差異[13]。兩性大小異形（sexual size dimorphism， SSD）和兩性形狀異形（sexual shape dimorphism， SShD）是兩性異形的重要組成部分，反映了雌雄兩性對不同種類選擇壓力的適應，通常可用性選擇、生育力選擇和生態位分化選擇三種理論解釋[15]。兩性異形進化的復雜機制通常不能只用一種機制來解釋，可能是多種因素共同作用的結果[3，5]。gzslib202204041320

在分類上，了解和掌握昆蟲的雌雄兩性異形現象能夠幫助人們快速、正確地識別雌雄個體，從而避免分類工作中將某些同種的雌、雄個體誤定為不同的種[6]。在害蟲防治上，為了制定害蟲的綜合防控策略，人們需要對害蟲的生物學、行為學和生態學進行深入研究。例如，通過鑒定參與昆蟲行為和化學通訊的信息素來制定以行為為基礎的害蟲防控策略。作為這些研究的初步步驟需要研究人員在不解剖害蟲成蟲生殖器且將昆蟲的處理量保持在最低限度的條件下快速準確地鑒別其性別[78]。對害蟲兩性異形的分析能為其形態適應研究提供依據，同時也能讓人們發現雌雄外部形態性狀間的差異，從而找到能快速準確鑒別其性別的外部形態指標。目前，國內外象甲類昆蟲兩性異形及性別鑒定的研究在甘薯小象甲Cylas formicarius、非洲棕櫚象甲Rhynchophorus phoenicis、黑豆象甲Rhyssomatus subtilis、斯里蘭卡象甲Myllocerus undecimpustulatus undatus、稻水象甲Lissorhoptrus oryzophilus等害蟲種類中均有過報道[813]。

芒果切葉象甲Deporaus marginatus （Pascoe），隸屬于鞘翅目卷象科，廣泛分布于世界各芒果種植區。成蟲取食芒果嫩葉，并且雌成蟲在產卵過程中伴隨有剪葉行為[14]。該蟲嚴重阻礙了芒果的生長、開花，降低產量，是最主要的為害芒果的害蟲之一[1516]。國內外對芒果切葉象甲的形態特征[1719]、生物學特性[15，17，2022]、發生為害規律[17，23]等方面均有過不同程度的研究報道，而國內外有關該蟲雌雄成蟲間外部形態差異的報道是粗略的、定性的、甚至混亂的。例如，有關雌雄觸角在喙上著生位置的描述：國外Mukherjee和Uddin等只是粗略定性地描述了芒果切葉象甲雌雄的觸角著生在喙中部[17，20];國內周又生等定性描述雌性觸角著生于近喙基的1/3處，而高翠鳳則定性描述雌性成蟲的觸角著生位置位于喙近基部1/4處[2425]。因此，在本文中我們基于多元統計和幾何形態測量學的方法定量研究芒果切葉象甲的蟲體大小和身體形狀的兩性異形，旨在為該蟲的形態適應機制研究提供依據，同時找到一種能用肉眼從外部形態特征上快速準確鑒別其性別的方法。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

試驗中所用的芒果切葉象甲皆來自2019年7月隨機采自云南省潞江壩帕拉英達芒果種植地內的成蟲。收集到的成蟲在平均溫度為（27±0.5）°C、光周期為L∥D=13 h∥11 h的人工氣候培養箱中使用裝有‘帕拉英達芒果嫩梢的養蟲籠飼養備用。

1.2 芒果切葉象甲蟲體大小的兩性異形分析

1.2.1 芒果切葉象甲成蟲的形態指標的測量

芒果切葉象甲成蟲在體視顯微攝像系統（德國Leica M125）上拍照后，用Leica Application Suite軟件（4.12版）測量其腹部長（AL）、鞘翅長（EL）、鞘翅寬（EW）、體高（TD）、前胸背板長（PL）、前胸背板寬（PW）、頭長（HL）、頭寬（HW）、喙前段長（SL2）、喙后段長（SL1）及喙全長（SL）等蟲體形態指標的大小（圖1）。將測量過蟲體形態指標的成蟲解剖觀察生殖器后確定性別，本試驗中共收集了30頭雄蟲和30頭雌蟲進行分析。

1.2.2 數據分析

11個雌雄共有性狀大小的主成分分析被用于檢測性別間的差異，并使用單因素方差分析（One-way ANOVA）對比雌雄性狀大小的差異顯著性。方差分析進行前先對數據進行方差同質性檢驗（F-max test）。方差不齊的形態數據使用ln轉化后進行下一步分析。

1.3 芒果切葉象甲成蟲形狀的幾何形態測量學分析

1.3.1 地標點數據的提取

將芒果切葉象甲置于體視顯微攝像系統上對樣本身體腹面進行拍照，所有樣本的圖片在采集過程中均保持一致的擺放位置，并附以相應的標尺，保存為JPG格式。用 tpsUtil 1.6軟件將收集到的芒果切葉象甲雌雄喙、胸部及腹部形狀圖片格式文件轉化為TPS格式文件，然后使用 tpsDig2軟件分別對三個部位進行地標點數據收集。胸腹部選取22個地標點（圖2），每個部位的每張圖片上地標點位置、順序一致且標點數目相同（表1）。

采集過圖片的成蟲通過解剖觀察生殖器后確定性別。在本試驗中我們共收集了28頭雄蟲和22頭雌蟲照片進行幾何形態測量學分析。

1.3.2 數據分析

根據上述所取的地標點數據，對芒果切葉象甲雌雄兩性腹部和胸部進行主成分分析來比較種內性別間的差異。利用薄片樣條法來分析地標點的差異，通過網格輪廓圖來展示芒果切葉象甲雌雄兩性腹部和胸部的形態差異。

1.4 用于雌雄性別鑒定的外部形態性狀的分析

我們采用盲測試驗找到雌雄性別鑒定的外部形態指標：隨機挑選50頭野外采集的芒果切葉象甲成蟲由第一位觀察者通過從試驗1.2和1.3的分析結果得出的差異較大的外部形態指標初步判斷性別，而第二位觀察者通過解剖其生殖器判斷其性別。最后通過第一位觀察者判斷性別的正確率驗證該差異較大的外部形態指標是否可以用做雌雄性別鑒定的特征。

文中所有的數據分析皆在SPSS Statistics 25.0和Excel 2007中完成。

2 結果

2.1 芒果切葉象甲蟲體主要形態指標大小的兩性異形

通過K-S分析對形態指標進行正態檢驗發現：芒果切葉象甲雌雄成蟲的抽樣樣本測量形態指標的分布皆為正態分布（P>0.05）（表2）。雌雄喙長的變異系數與其他形態指標的變異系數相近（表2）。所測量的芒果切葉象甲11個形態指標中只有喙前段長度分布范圍在不同性別中未出現重疊，其余10個形態指標大小分布范圍在不同性別中均有一定程度的重疊（表2）。雌雄各形態指標大小間皆存在顯著相關性（表3）。gzslib202204041320

11個雌雄共有的形態指標大小的主成分分析結果顯示，共提取到兩個主成分，前兩個主成分共解釋87.64%的變異（表4）。芒果切葉象甲鞘翅長、鞘翅寬、體高、腹長、前胸背板長、前胸背板寬、頭長、頭寬、喙后段長及喙全長在第一主成分中均有較高的正負載荷系數（解釋70.49%的變異），主要包括雌性特征大小平均值大于雄性特征大小平均值的形態指標（表2和表4）。喙前段長在第二主成分中有較高的正負載荷系數（解釋17.16%的變異），主要包括雌性特征大小平均值小于雄性特征大小平均值的形態指標（表2和表4）。通過第一、第二主成分因子得分作散點圖，發現所測量的雌雄共有的形態指標大小總體間存在顯著差異（圖3）。通過單因素方差分析表明：芒果切葉象甲雌性成蟲的鞘翅長（F=20.65，P<0.01）、鞘翅寬（F=11.10， P<0.01）、體高（F=41.60， P<0.01）、腹長（F=84.25， P<0.01）、前胸背板寬（F=6.63， P<0.05）、頭寬（F=38.58， P<0.01）、喙前段長（F=357.84， P<0.01）及喙全長（F=138.54， P<0.01）皆顯著大于雄性成蟲，而雌性喙后段長（F=17.87， P<0.01）顯著小于雄性喙后段長;前胸背板長（F=0.85， P>0.05）、頭長（F=0.42， P>0.05）則在雌雄兩性間無顯著差異（表2和圖4）。喙前段長、喙全長、鞘翅長、鞘翅寬、體高及腹長在雌雄兩性中差異程度較大，而喙后段長、前胸背板長、前胸背板寬、頭長、頭寬在雌雄兩性中差異程度相對較小（圖4）。

對喙長的進一步分析顯示：雄性喙前段長與喙全長的平均比值為0.637 6，而喙后段長與喙全長的平均比值為0.362 4;雌性喙前段長與喙全長的平均比值為0.749 6，而喙后段長與喙全長的平均比值為0.250 4。因此，從中可以看出芒果切葉象甲雌性成蟲的觸角著生位置位于喙近基部1/4處;雄性芒果切葉象甲觸角著生位置位于喙近基部約2/5處。

2.2 芒果切葉象甲身體形狀的兩性異形

根據普氏疊加后的標準地標點數據，對雌雄芒果切葉象甲胸腹形狀做主成分分析，共獲得40個主成分，其中前兩個主成分占據胸腹形狀總變異量的57.01%，第一主成分（PC1）占總變異量的46.69%，第二主成分（PC2）占總變異量的10.32%，可以解釋雌雄兩性芒果切葉象甲胸腹形狀上的主要差異。由圖5可知，雌雄芒果切葉象甲胸腹形狀的散點圖完全分離，無重疊。

在主成分分析的基礎上， 求出芒果切葉象甲雌雄兩性的平均胸腹形狀， 然后對雌雄兩性的平均胸腹形狀做薄板樣條分析（TPS）， 得到胸腹形狀的相對扭曲圖（圖6）。結果表明，芒果切葉象甲雌雄兩性胸腹形狀在第一主成分軸上（PC1）的主要差異為腹部形狀的差異，雄性腹部前三節有明顯向里收縮的趨勢，雌性腹部前三節有向外擴張的趨勢（從PC1-到PC1+的變化趨勢為逐漸由里向外擴張）（圖6）。雌雄兩性胸腹形狀在第二主成分軸上變化相似（從PC2-到PC2+的變化趨勢為逐漸由短變長的趨勢）（圖6）。

2.3 用于雌雄性別鑒定的外部形態指標

由試驗1.2和1.3分析發現所測量的形態指標雖然都存在明顯的雌雄差異，但大部分形態指標的分布范圍在雌雄蟲中都存在一定程度的重疊。胸腹形狀雖然存在明顯的雌雄差異，但依靠肉眼較難辨別這種差異，因而不便于用作區分性別的特征。雌雄成蟲的喙大小存在較大差異，觸角著生位置差異也較為明顯，最終我們采用觸角著生位置這一性狀進行盲測試驗。測試結果表明，第一位觀察者通過觀察觸角在喙上的著生位置判斷的雌性個體22頭、雄性個體28頭與第二位觀察者解剖生殖器判斷的結果完全吻合，性別鑒定的正確率可達100%。

3 討論

本研究結果表明，總體上芒果切葉象甲雌性體型顯著大于雄性。通常情況下，動物體型具有雌性偏大或雄性偏大的兩性異形模式[26]。在一些雄性之間常有武力爭斗的昆蟲類群中， 雄性的體型要大于雌性，但在大多數昆蟲中雌性體型通常比雄性大[26]。昆蟲中雌性偏大的兩性異形模式成因可用生育力選擇理論來解釋。生育力選擇理論認為較大的雌性個體通常能夠產生更多的卵子和后代，因此具有更大的繁殖適合度[2729]。對雌雄芒果切葉象甲腹部大小和形狀的異形研究顯示雌性具有較為圓潤且顯著大于雄性的腹部，這可能與具有較大且圓潤腹部的雌性有更大的繁殖輸出有關。

本研究顯示，芒果切葉象甲的喙存在雌性顯著長于雄性的兩性大小異形。喙是象甲類昆蟲的重要結構，通常與取食、產卵行為或配偶競爭密切相關。一些象甲類昆蟲的喙存在明顯的兩性大小異形現象。包括達爾文在內的許多學者認為，很多象甲類昆蟲喙的兩性大小異形形成不僅受性選擇的影響，同時也受到雌雄成蟲不同的生態需求影響[1，30]。在新西蘭長頸鹿象甲Lasiorhynchus barbicornis和三錐象屬的Brentus anchorago 中，雄性成蟲巨大的喙是用來進行雄性之間對配偶競爭的武器[3133]。這種雄性成蟲喙的增長主要受到性選擇壓力的影響。而在小象甲亞科的Rhopalapion longirostre中，雌性成蟲的喙長是雄性成蟲喙長的2倍，這種雌性喙偏長的性異形主要是由性選擇壓力、行為和生態需求的共同影響導致的[30]。R.longirostre雌性喙的增長主要是雌性產卵時對寄主植物花芽內最大深度產卵通道需求的一種響應，而雄性喙的增長則是由于雄性會利用它們的喙干擾其他正在交配中的雄性個體[30]。一些有關芒果切葉象甲的行為觀察表明，雌性成蟲用喙輔助產卵并且具有用喙將產過卵的嫩葉從樹上剪下的切葉習性，而雄性的喙則缺乏相應的功能[22]。芒果切葉象甲切葉行為是其產卵行為的一個重要步驟。野外觀察發現芒果切葉象甲通常會在同一嫩梢及鄰近嫩梢的嫩葉上產卵，并將同一嫩梢上的大小不一的嫩葉全部切光。因此，芒果切葉象甲雌蟲喙的增長及觸角著生位置的后移可能是對需要切斷產卵葉片的最大葉脈厚度的一種適應性進化的結果。目前還沒有芒果切葉象甲雄性成蟲間存在爭奪配偶而用喙直接進行武力爭斗的相關報道。因此，芒果切葉象甲雄性喙長是否受到性選擇壓力影響需要結合詳細的行為觀察做進一步討論。gzslib202204041320

本研究通過測量芒果切葉象甲雌雄成蟲喙的前段長和后段長從統計上定量得出結論：雌性成蟲的觸角著生位置位于喙近基部1/4處，而雄性成蟲觸角著生位置位于喙約近基部2/5處。這不同于高翠鳳和周又生定性觀察的結論[2425]。通過盲測試驗表明只需肉眼觀察觸角在喙上的著生位置就可以100%確定它們的性別。因此，在實際應用中，我們可以在不損傷芒果切葉象甲的前提下用肉眼觀察雌性成蟲的觸角位于喙近基部1/4處而雄性成蟲觸角位于喙近基部約2/5處來快速準確確定其性別。

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