小花尺蛾觸角感器掃描電鏡觀察

王京楓, 莊宇彤, 羅雨昕, 遲德富, 宇 佳

(東北林業大學林學院, 哈爾濱 150040)

小花尺蛾EupitheciaabietariadebrunneataStaudinger隸屬鱗翅目Lepidoptera尺蛾科Geometridae,盧孟通過COⅠ發現為害東北紅松Pinuskoraiensis和樟子松Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv的尺蛾隸屬于球果尺蛾屬Eupithecia[1],與Piao等[2]對小花尺蛾幼蟲毛序形態的描述相同,目前已知分布于我國黑龍江、吉林,韓國、德國瑞士、日本等地,為害紅松、云杉Piceaasperata、樟子松、白冷杉Abiesconcolor、瑞士五葉松Pinuscembra、歐洲赤松P.sylvestris、卵果魚鱗云杉Piceajezoensis等的球果[3-6],近年來已經陸續有該蛾發生為害的報道。

觸角作為調節昆蟲行為的感覺器官,其表面著生大量特異分化形成的感受器[7-9],可接受環境中的化學信號和物理信號,在昆蟲覓食、求偶、生殖中發揮著不可替代的作用。目前對于小花尺蛾的研究停留在形態、生活史、為害及防治方面,對于感器的研究在國內外尚未見報道。

本研究通過小花尺蛾雌雄成蟲觸角的超微結構,了解其雌雄觸角感器類型、數量和分布,是了解其嗅覺感器功能及感受機制的基礎,為進一步研究其化學通訊機制,實現利用信息素和揮發物進行監測和防治提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料

小花尺蛾蛹由鶴崗市林業局的順達莊園和七臺河市紅旗林場提供,在東北林業大學用養蟲盒飼養。飼養條件為:溫度(26±1)℃,光周期L∥D=14 h∥10 h,光期06:00～20:00,相對濕度75%～80%。成蟲于10月末羽化,羽化后雌雄分裝于不同養蟲盒中以10%的蜂蜜水飼喂(圖1)。

圖1 小花尺蛾成蟲及其觸角Fig.1 Electron micrograph of Eupithecia abietaria debrunneata antennae

1.2 觸角處理

取羽化2～4 d未交配的雌雄成蟲各6頭,用手術刀和昆蟲針在解剖鏡下將觸角和頭分離,先在pH為7.4的2.5%戊二醛溶液中浸泡24 h,然后用0.1mol/L磷酸緩沖液沖洗超聲5 min,重復3次,依次在50%、60%、70%、80%、90%、100%乙醇溶液中脫水15 min,脫水后放在乙酸異戊酯中置換3 h,在色譜進樣瓶里室溫干燥24 h,將干燥樣品的背面、腹面粘在有導電膠帶的樣品臺上,然后置于KYKY SBC-12小型離子濺射儀中對其表面噴金,噴金時間為300 s,將噴金后樣品放入Apero C熱場發射掃描電子顯微鏡中在20 kV電壓下觀察。

1.3 感器鑒定

觸角感器參照Schneider(1964)[15]的方法,并結合前人研究結果[10-15,17-19,22-23]進行鑒別和命名。

1.4 數據測量

借助Digimizer測量觸角各節和感器的長度、直徑和基部寬度,各節測量7次,感器測量10～150次,感器數量測量依據柄節、梗節和鞭節各節分別計數,重復測量3次,用獨立樣本t測驗檢驗雌雄成蟲差異。

2 結果與分析

2.1 小花尺蛾觸角的形態特征

小花尺蛾雌雄成蟲觸角呈絲狀,由柄節(scape, Sc)、梗節(pedicel, Pe)和鞭節(flagellum, F)組成,雌蛾觸角長7.588～8.492 mm,雄蛾觸角長6.413～7.369 mm。觸角柄節近似鐘形,長157.54～294.76 μm,直徑為163.91～235.69 μm;梗節呈圓柱形,連接在柄節端部凹陷的窩內,長47.93～145.74 μm,直徑為125.93～163.12 μm;鞭節較長,雄蛾有50～60個亞節,雌蛾有54～64個亞節,其中雌雄成蟲梗節直徑、鞭節長度和總長度有顯著差異(表1, 圖1c,d)。

表1 小花尺蛾觸角長度和直徑統計1)

2.2 小花尺蛾觸角形態結構

小花尺蛾雌、雄成蟲觸角上共發現10類17種感器,B?hm氏鬃毛(Ⅰ～Ⅱ)和叉形感器僅在觸角柄節、梗節上分布,其余感器主要在鞭亞節的腹面和兩側分布,各類感器的分布如圖2所示,感器局部特征如圖3、圖4所示。

圖2 小花尺蛾觸角感器的分布Fig.2 Distribution of antennal sensilla in Eupithecia abietaria debrunneata

圖3 小花尺蛾觸角物理型感器和部分化學型感器Fig.3 Physical sensor and some chemical sensors on antennae of Eupithecia abietaria debrunneata

圖4 小花尺蛾觸角部分化學型感器Fig.4 Some chemical sensors on antennae of Eupithecia abietaria debrunneata

2.2.1B?hm氏鬃毛(B?hm bristles, Bb)

比刺形感器短而尖,比錐形感器細,外壁無孔,常成簇分布在柄節和梗節基部,鞭節無此感器,雌雄B?hm氏鬃毛約有158～384個。根據長度、彎曲程度和基部著生形式分為2種類型。

BbⅠ基部直立,頂端尖細,外壁光滑,常集中在柄節背面、兩側以及梗節腹面凹陷處的圓形腔內,感器長5.84～35.60 μm,基部直徑1.30～2.41 μm(圖3a)。

BbⅡ呈不規則“S”形彎曲,外壁具有輕微環形褶皺,位于柄節基部與支角突的連接處。感器長3.00～13.47 μm,基部直徑0.82～1.32 μm(圖3c)。

2.2.2叉形感器(Sensillum furcateum, Sf)

表面光滑且具有多條明顯縱棱紋(圖3b),基部粗大,頂部分叉,只在雌雄蛾柄節基部少量發現,雌蛾Sf顯著長于雄蛾。長14.29～25.79 μm,基部直徑為1.79～2.33 μm,分叉角度15°～35°,分叉部分長約1.33～5.21 μm(圖3a)。

2.2.3鱗形感器(Sensillum squamiformium, Ssq)

形似劍鞘,與普通鱗片相似,表面具有3～5條縱脊,基部位于臼狀窩內,端部尖銳,在觸角各節的側面和背面均見有分布,一般每節1～4個。雌雄Ssq無顯著差異,長度為24.71～60.39 μm,中部寬1.91～4.54 μm,基部直徑為1.03～2.36 μm(圖3d)。

2.2.4毛形感器(Sensillum trichodeum, St)

表皮具斜環紋或橫紋(圖3f),環紋上分布有微孔,端部尖細到鈍圓,基窩微陷較窄,分布在觸角鞭亞節的側面和腹面,每鞭亞節有毛形感器3～97個。根據長度、彎曲程度、紋理差異將其分為3種亞型。

StⅠ整體細長,呈“S”形或“L”形彎曲,底部粗壯至頂端逐漸變得尖利,外壁有斜環紋,著生在鞭亞節的腹面。雄蛾主要以StⅠ為主,雄蛾StⅠ的長度、基部直徑顯著大于雌蛾,數量多于雌蛾,感器長42.09～61.68 μm,基部直徑1.32～3.45 μm(圖3e)。

StⅡ整體呈鉤形,中上部外壁具有橫環紋,近基部外壁光滑,頂端鈍圓,StⅡ著生于雌雄蛾鞭亞節腹面和側面之間。雌蛾主要以StⅡ為主,雄蛾StⅡ基部直徑顯著大于雌蛾,感器長31.03～38.98 μm,基部直徑1.71～3.45 μm(圖3g)。

StⅢ長度較短,呈鐮刀狀,基部粗大,外壁有橫環紋,頂端較尖,位于鞭亞節除末節的側面。雄蛾StⅢ的基部直徑顯著大于雌蛾,數量顯著多于雌蛾,感器長10.92～30.84 μm,基部直徑1.74～3.45 μm(圖3e)。

2.2.5刺形感器(Sensillum chaeticum, Sch)

感器外壁有龜裂狀紋(圖3h),基部有一向上突起的臼狀窩,表皮厚且無孔,呈現直立形或“S”形,頂部鈍圓,比其他感器明顯粗長,觸角鞭亞節每節側面、背面和腹面的中部都有分布,一般每節著生1～6個,末端鞭亞節分布10～18個,雌蛾Sch的數量顯著多于雄蛾,基部直徑小于雄蛾,感器長25.24～71.74 μm,基部直徑2.09～4.20 μm(圖3g)。

2.2.6錐形感器(Sensillum basiconicum, Sb)

基部著生在觸角表面內陷腔內,中上部表面具有多條縱紋(圖4d),縱紋內有微孔,外壁很薄,長度和數量均低于St。Sb成簇分布于鞭亞節除末節的腹面和側面,每鞭亞節約有2～16個,根據外壁縱紋是否線形分為2種。

SbⅠ外壁有線形縱紋(圖4d),無凹陷,頂端圓鈍,雌蛾SbⅠ長度顯著大于雄蛾,感器長6.01～31.56 μm,基部直徑1.41～2.07 μm,基節窩3.24～5.47 μm(圖4a)。

SbⅡ外壁有凹陷和無規則縱紋,感器基部收縮呈細徑,頂端較尖,雌雄SbⅡ無顯著差異,感器長11.74～32.95 μm,直徑1.36～3.09 μm,基節窩3.54～6.51 μm(圖4c)。

2.2.7耳形感器(Sensillum auricillicum, Sau)

外壁有多條縱紋或光滑,縱紋內有少量微孔,有臼狀窩,主要分布在雌雄蛾鞭亞節除末節外側腹面的中部和端部,每節約有1～6個,根據其表面紋理分為3種。

SauⅠ呈兔耳形或卷葉形,外壁凹陷且具有明顯縱紋,中部寬幅與基部直徑相差不大,每鞭亞節除末節外的中部和末端可觀察到1～4個SauⅠ。雄蛾SauⅠ顯著長于雌蛾,數量無顯著差異,感器長14.05～23.68 μm,中間寬1.56～3.98 μm,基部直徑1.32～3.00 μm,基節窩4.31～7.05 μm(圖4e)。

SauⅡ幾乎不向內彎曲,外壁凹陷較淺且具輕微縱紋或光滑(圖4f),常分布在鞭亞節除末節末端的側面,數量少于SauⅠ。雌雄之間無差異,感器長14.08～24.48μm,中間寬4.37～8.97 μm,基部直徑1.62～3.46 μm,基節窩5.18～7.37 μm(圖4g)。

Sau Ⅲ,形似楊桃狀,外壁光滑,感器中部有1凸出縱棱貫穿基部和端部,雌雄均有少量分布,一般在觸角末尾某鞭亞節端部的側面。雌雄之間無差異,Sau Ⅲ長16.61～17.34 μm,中部寬2.47～3.35 μm,基部直徑1.95～3.30 μm,基節窩5.83～6.81 μm(圖4g)。

2.2.8腔形感器(Sensillum cavity,Sca)

形似臼狀窩,主要分布在柄節、梗節和鞭節的表面,每鞭亞節約有腔形感器2～116個,雄蛾Sca基部直徑大于雌蛾,基部直徑3.71～5.21 μm、高0.90～1.37 μm(圖3a, 4e)。

2.2.9腔錐形感器(Sensillum coeloconicum, Sco)

根據感器外部有無緣毛將其分為2個類型,即具緣毛腔錐形感器(ScoⅠ)和無緣毛腔錐形感器(ScoⅡ)。

ScoⅠ在觸角表面的內陷腔內生長,中間有1根指狀錐形突,附近緣毛向中心彎曲聚攏呈菊花狀,ScoⅠ主要分布在雌雄鞭亞節側面和腹面,約有1～8個,雌蛾ScoⅠ長度顯著大于雄蛾,基部直徑小于雄蛾,ScoⅠ的感覺錐長2.68～5.00 μm,腔穴直徑約7.95～12.87 μm(圖4a)。

ScoⅡ在臼狀窩內生長,窩內有1根光滑的錐形突,錐形突頂端光滑或有2個小乳突,雌雄均有分布,每節最多3個,雌雄之間無顯著差異。ScoⅡ感覺錐長1.55～2.82 μm,基部直徑1.48～2.27 μm,腔穴直徑3.24～5.78 μm(圖4b)。

2.2.10栓錐狀感器(Sensillum styloconicum, Sst)

著生在微陷狹窄的窩內,寬扁形,感器表面有縱脊紋,頂端一般具有1～2個錐狀突起,末端栓錐形感器具有3～5個錐狀突起,錐狀突起外壁光滑,主要分布在第10鞭亞節及之后各節腹面的節間處,每節最多1個,雌雄之間無顯著差異。SSt長17.29～24.54 μm,寬4.08～8.36 μm,錐形突直徑1.05～2.09 μm,錐形突高1.38～3.99 μm(圖4h)。

2.3 小花尺蛾雌雄成蟲及感器比較

小花尺蛾雌蛾觸角長度顯著大于雄蛾,鞭亞節數量比雄蛾多4～10節,雌雄蛾梗節直徑和鞭節長度有顯著差異。雌蛾叉形感器、錐形感器Ⅰ、耳形感器Ⅰ和腔錐形感器Ⅰ的長度顯著大于雌蛾,B?hm氏鬃毛Ⅱ、毛形感器Ⅰ的長度顯著小于雄蛾,毛形感器(Ⅰ～Ⅲ)、刺形感器和腔錐形感器Ⅰ的直徑(基寬)顯著小于雄蛾,刺形感器的數量顯著多于雄蛾,毛形感器Ⅰ和毛形感器Ⅲ的數量顯著少于雄蛾(表2)。感器種類無差異,觸角長度、感器長度和數量存在雌雄二型現象。

表2 小花尺蛾觸角不同類型感器的形態特征1)

續表2 Table 2(Continued)

3 結論與討論

本研究發現小花尺蛾成蟲觸角上存在10類17種感器類型,一般類型感器為尺蛾科所共有[10-14],特殊類型中的B?hm氏鬃毛Ⅰ、錐形感器Ⅱ、腔錐形感器Ⅱ、耳形感器Ⅱ、耳形感器Ⅲ在尺蛾科昆蟲觸角上尚屬首次報道,耳形感器Ⅲ在鱗翅目昆蟲觸角上尚屬首次報道。刺形感器、錐形感器與B?hm氏鬃毛、指形感器與栓錐形感器的區分在尺蛾科有分歧,結合近期鱗翅目其他昆蟲感器來進行綜合判斷。

B?hm氏鬃毛表面光滑無孔,具有緩沖重力的作用[15],是一種能主動對飛行時觸角的定位進行機械控制的物理感器[16]。此次研究中觀察到的B?hm氏鬃毛與豆卜饃夜蛾Bomolochatristalis[17]、之美苔蛾Miltochristaziczac[18]和楊背麥蛾Anacampsispopulella[19]的B?hm氏鬃毛相似,僅存在于柄節和梗節,表面光滑無孔,推測也是具有緩沖作用的物理感器。

叉形感器表面有縱棱紋,與金銀花尺蠖Heterolochajinyinhuaphaga[13]、楊小舟蛾Micromelalophatroglodyta[20]的叉形感器相似,在華山松大小蠹Dendroctonusarmandi[21]中報道能控制觸角運動,小花尺蛾叉形感器表面光滑無孔,推測為控制觸角運動的物理感器。

鱗形感器是感受機械刺激的感受器[9,15],小花尺蛾的鱗形感器與灰茶尺蠖Ectropisgrisescens[14]、核桃舉肢蛾Atrijuglanshetaohei[22]、楊小舟蛾[20]、黏蟲Mythimnaseparata[23]的相似,在雌雄之間無差異,推測也為物理感器。

刺形感器基部有1個臼狀窩,常分布在鞭節[9]。一般分為2類:一類表面無孔,基部的關節窩固定,為主要起支撐保護和感受機械振動作用的物理感器[7-8],另一類末端表面有1個孔且表面有縱溝,為化學感器,如茶尺蠖Ectropisobliqua和棉鈴蟲Helicoverpaarmigera的刺形感器為接觸性的化學感器[10,24]。小花尺蛾刺形感器表面無孔,其末端指狀結構間有間隙,與金銀花尺蠖[13]、核桃舉肢蛾[22]、黏蟲[23]和小菜蛾Plutellaxylostella[25]的刺形感器相似,推測為接觸性的化學感器,雌蛾數量顯著多于雄蛾,這可能便于雌蛾接觸植物,感受接觸刺激,從而選擇求偶微環境和產卵的適宜場所。

毛形感器根據長度劃分為長型毛形感器、中型毛形感器和短型毛形感器[8-9,18],該類感器在多數鱗翅目雌、雄蛾觸角上具有性二型[13-14,18,20,22-23,29]。棉鈴蟲的毛形感器具有感受性信息素的功能[25],小菜蛾[26]的毛形感器對寄主植物揮發物敏感,因此是承擔識別性信息素和寄主植物揮發物功能的化學感器[7-9],小花尺蛾的毛形感器與小菜蛾[26]、黏蟲[23]、金銀花尺蠖[13]、灰茶尺蠖[14]的相似。小花尺蛾雄蛾觸角中毛形感器Ⅰ和毛形感器Ⅲ的數量顯著大于雌蛾,推測這兩種毛形感器在雄蛾識別雌蛾性信息素過程中發揮重要的作用。

錐形感器分為兩類,一類是表面孔呈線性排列,如豆卜饃夜蛾[17],另一類是孔無規則排列,如花布燈蛾Camptolomainteriorata[27]。錐形感器表面具有大量的微孔,是感受寄主和天敵氣味等環境因子的化學感器[7-9]。小花尺蛾的錐形感器與灰茶尺蠖[14]、豆卜饃夜蛾[17]、核桃舉肢蛾[22]、黏蟲[23]的相似,錐形感器數量僅次于毛形感器,推測也是主要發揮嗅覺功能的化學感器,而雌蛾錐形感器Ⅰ顯著長于雄蛾,推測有利于雌蛾識別寄主植物[12]。

耳形感器表面具有微孔,是能感受微量信息素、探測植物氣味和接受聲波的化學感器[7-9],小花尺蛾的耳形感器Ⅰ和耳形感器Ⅱ與核桃舉肢蛾[22]、小菜蛾[25]、黏蟲[23]的相似,耳形感器以耳形感器Ⅰ為主,雌蛾耳形感器Ⅰ的長度顯著長于雄蛾,推測與雌蟲更容易接受揮發物刺激有關,有的耳形感器Ⅱ表面光滑無紋,還有新型耳形感器Ⅲ,關于其功能是否與耳形感器Ⅰ相同還未有探究。

腔形感器的腔內底部著生很小的感覺突起,小花尺蛾的腔形感器與金銀花尺蠖[13]、楊小舟蛾[20]的相似,關于腔形感器的功能還未有探究,可能與腔錐形感器的功能相同。

腔錐形感器Ⅰ的環形緣毛保護著中央感覺錐,氣味分子主要通過感覺錐頂端孔道進入感受器內部,如家蠶Bombyxmori腔錐形感器能感受短鏈脂肪酸和單萜醇類等物質[28],腔錐形感器具有感受植物氣味和濕度的功能[7-9]。小花尺蛾的腔錐形感器Ⅰ與豆卜饃夜蛾[17]、楊小舟蛾[20]和小菜蛾[25]相似;腔錐形感器Ⅱ與核桃舉肢蛾[22]、之美苔蛾[18]相似。推測在小花尺蛾觸角中腔錐形感器發揮嗅覺感受器的作用,雌蛾腔錐形感器Ⅰ的長度顯著長于雄蛾,雄蛾腔錐形感器Ⅰ的基部直徑顯著長于雌蛾,推測是協同進化的結果,可能都與感受濕度,從而尋找適宜棲息生境有關。

栓錐形感器是具有嗅覺、味覺、溫濕度及機械感受功能感受器[7-9],鞭節末端的栓錐形感器可能承擔味覺的功能[25]。小花尺蛾的栓錐形感器與灰茶尺蠖[14]、核桃舉肢蛾[22]、小菜蛾[25]、花布燈蛾[27]相似,分布在雌雄蛾觸角的第10鞭亞節及之后亞節腹部的節間處,在雌雄蛾之間無差異,推測其在小花尺蛾觸角中主要發揮感受溫度和濕度的功能。

本次對小花尺蛾觸角進行超微結構觀察,發現10類17種感器,新發現耳形感器Ⅲ,除鱗形感器和栓錐形感器外,其余感器的數量和大小在雌雄之間有差異。其中毛形感器(Ⅰ、Ⅲ)和刺形感器之間有顯著差異,建議下一步借助先進的電生理實驗技術,探討小花尺蛾特定感器與植物揮發物的相關性及其感知化學信息的功能和分子機制。