草地貪夜蛾幼蟲感受器掃描電鏡觀察

伏倩文，吳海朝，胡瑞瑞，李星月，祖國浩，白鵬華

（1.天津農學院園藝園林學院，天津 300384；2.天津市農業科學院，天津 300384；3.四川省農科學院植物保護研究所，四川成都 610066）

感受器由昆蟲體壁的皮細胞以及感覺細胞構成，是昆蟲感知外界刺激的基本單位，可以對外界刺激和內部刺激產生反應，負責嗅覺的檢測和觸覺信號的感知[1]。氣味分子通過擴散進入昆蟲的感受器中，在嗅覺蛋白作用下運輸至嗅覺受體，將外界化學信號轉化為電信號，并最終傳遞到更高級的中樞神經系統，引起昆蟲對外界刺激作出行為反應[2]。化學氣味經感受器介導而指導昆蟲產生不同的行為，如求偶、交配、取食、寄主選擇和躲避天敵等重要生命活動[3-4]。感受器的類型、分布、數量等會因為昆蟲種類、地理種群和性別的不同存在顯著差異,進而影響昆蟲的取食、交配和產卵等行為特異性。美國白蛾Hyphantria cunea 雄性觸角上的毛形感受器數量明顯多于雌性成蟲的數量，且長度更長[5]；稻縱卷葉螟Chaphalocrocis medina 雄成蟲觸角上錐形感器數量顯著多于雌蟲的數量[6]；與雄蟲觸角相比，桃小食心蟲Carposina niponensis Walsingham 雌蟲觸角上感受器的種類更加豐富，推測其可能與雌蟲產卵密切相關[7]；馬濤等[8]推測香梨優斑螟Euzophera pyriella Yang 雄蟲觸角上特有的柱形感受器可能參與性信息素的識別。因此，研究昆蟲感受器的結構、分布對害蟲取食、交配和產卵等行為具有重要指導意義。

草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda 隸屬于鱗翅目Lepidoptera，夜蛾科Noctuidae，灰翅夜蛾屬Spodoptera Herrich-Schaeffer，是世界農業重大遷飛性害蟲，并被列入世界十大植物害蟲“黑名單”[9]。草地貪夜蛾遷飛能力極強，自2019 年入侵我國云南省，現已擴散至全國27 個省（區、市），年均發生面積近120 萬hm2，每年對我國玉米造成的潛在經濟損失可達54 億～470 億美元[10-11]。該昆蟲食性雜，尤其嗜好禾本科作物，分為玉米型和水稻型2 個品系。經鑒定入侵中國的地理種群為玉米型，玉米田草地貪夜蛾發生面積占該蟲總發生面積的98%以上[11]。草地貪夜蛾的快速入侵和嚴重危害，對我國的農業生產造成了巨大的經濟損失和嚴重的威脅。報道表明，草地貪夜蛾完成一個世代要經歷卵、幼蟲、蛹和成蟲，完成整個世代平均為45 d[12]。其中幼蟲期共分為6 個齡期，1～2 齡幼蟲喜好聚集取食，但進入3 齡幼蟲不再聚集取食且進入暴食階段，因此在3 齡期前對其進行防治極為重要[12]。基于此，本研究選擇聚集取食階段的低齡幼蟲期2 齡為研究對象，對草地貪夜蛾2 齡幼蟲的頭部、胸足，以及腹足進行電鏡掃描，對感受器的類別、數量、分布等分別進行了詳細的觀察，為探索草地貪夜蛾2 齡幼蟲化學感受器行使的聚集取食、寄主識別和躲避天敵等重要行為功能提供理論依據，并為進一步采用化學生態學方法防控草地貪夜蛾低齡幼蟲提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源

草地貪夜蛾幼蟲購自于河南省科云生物農藥有限公司，用人工飼料在智能氣候箱（RXZ-280B，寧波東南儀器有限公司）進行飼養并繁殖多代，飼養條件設置為：溫度24～27℃，相對濕度60%～75%，光照周期L∶D 為16∶8。采用最新孵化的2 齡幼蟲進行掃描電鏡試驗。

1.2 樣品制備

取草地貪夜蛾2 齡幼蟲用于樣品制備，首先用2.5%戊二醛將樣品固定24 h；其次用磷酸緩沖液洗滌3 次；最后用不同濃度（75%、85%、95%、100%）的乙醇進行逐級脫水，室溫自然風干。將脫水的樣本在臨界干燥器上干燥后，置于電鏡專用載物臺上，經濺射儀噴金后進行拍照記錄[5]。

1.3 數據統計與分析

在電鏡下掃描拍照后，利用軟件自帶的測量與標尺功能進行數據的標示，數據以平均值±標準誤（Mean±SE）表示。每組測量數據至少觀察5 頭2 齡幼蟲體軀的各項數值，觀察到的感器根據Schneider（1964）和Zacharuk（1980）的文獻進行分類[13-14]。

2 結果與分析

2.1 頭部

草地貪夜蛾2 齡幼蟲的頭部黑色，呈現橢圓形（圖1-A）。頭部表面具有剛毛，頭式為下口式，口器為咀嚼式口器。頭部可見額、額縫、頭冠縫（圖1-B），和1 對觸角、剛毛、口器、吐絲器、單眼（圖1-C）。單眼兩側各6 個（O1～O6），呈“C”字狀排列（圖1-D）。

圖1 草地貪夜蛾2 齡幼蟲頭部掃描電鏡圖

2.1.1 觸角 草地貪夜蛾2 齡幼蟲的觸角形狀粗短，位于頭部的側下方、單眼和上顎之間（圖2-A）。觸角長約（53.1±1.48）μm，由柄節、梗節和鞭節3 部分構成，柄節長約（7.4±0.2）μm、寬約（68.4±1.38）μm，位于觸角窩內；梗節為圓柱形，嵌于柄節端部凹陷的窩內，長約（22.8±0.378）μm、寬約（38.4±0.34）μm；鞭節呈現短錐狀，長寬分別約為（22.9±0.33）μm 和（16.6±0.19）μm。觸角柄節處未觀察到感受器（圖2-A）；梗節上著生栓錐形感受器、毛形感受器、刺形感受器各1 個（圖2-B），長度分別約為（10.2±0.46）μm、（112±1.91）μm、（4.9±0.21）μm；鞭節上著生1 個栓錐形感受器，長寬分別約為（9.9±0.48）μm、（4.79±0.15）μm，2 個長約（2.61±0.16）μm 的Ⅰ型錐形感受器和2 個長約（12.2±0.2）μm 的Ⅱ型錐形感受器，其中Ⅰ型錐體短小，而Ⅱ型錐體較大（圖2-B）。

圖2 草地貪夜蛾2 齡幼蟲觸角及上唇掃描電鏡圖

2.1.2 上唇 上唇著生大量刺型感受器，對稱分布約6～7 對刺型感受器（圖2-C）。

2.1.3 上顎 上顎位于上唇的下方，與上唇緊挨。上顎前端有鋒利的切齒，用來切斷食物；后部具有一個粗糙面，用以磨碎食物，因此上顎的硬度較高并且十分發達（圖3-A）。

2.1.4 下顎及下顎須 下顎擁有協助草地貪夜蛾幼蟲刮、切、握、持食物等功能，對上顎起到輔助作用。下顎分為軸節和莖節，在兩節交界處著生2 個長約（15.6±0.19）μm 的毛形感受器（圖3-B）；端節著生2 個長約（8.51±0.16）μm、寬約（5.8±0.15）μm 的栓錐形感受器和4 個刺形感受器（圖3-B）；下顎須共分為三節，其遠端體節上分布8 個小錐形感受器（圖3-C）。

2.1.5 下唇 下唇由前頦和后頦兩部分組成，下唇須位于前頦前側的兩端，上面各有1 個刺形感受器和1 個栓錐形感受器，分別長約（14.6±0.52）μm、（11.7±0.36）μm（圖3-D）。下唇上著生有1 個吐絲器，吐絲器的下方著生1 對長約（3.54±0.12）μm 的刺形感受器（圖3-D）。

圖3 草地貪夜蛾2 齡幼蟲口器掃描電鏡圖

2.2 體軀

草地貪夜蛾2 齡幼蟲體長約（7.14±0.13）mm，寬約（1.06±0.04）mm。正面觀與背面觀體節分節明顯，可見12 個體節，其中胸部3 節，腹部9 節（圖4-A，B)。幼蟲背部著生大量剛毛，腹部感受器相比背部較多，胸節腹面具有大量突起。

圖4 草地貪夜蛾2 齡幼蟲正面觀與腹面觀

2.2.1 胸足 草地貪夜蛾2 齡幼蟲共有3 對胸足，每一胸節上各有1 對胸足（圖5-A）。胸足頂端具有2～5 個爪，呈現彎曲狀；胸足周圍和胸節上具有數根刺形感受器與毛形感受器（圖5-B）。第1 胸節兩側具有縱向排列的3 個氣孔（圖5-C、圖5-D）。

圖5 草地貪夜蛾2 齡幼蟲胸足及其氣孔

2.2.2 腹足 草地貪夜蛾2 齡幼蟲具有9 節腹節，其中第1 腹節到第6 腹節的兩側各有一對氣孔。5對腹足分別著生在第3～6 腹節以及第9 腹節上，其中末節上的足又稱為尾足、臀足。在5 對腹足末端存在數量不一的趾鉤，數量為8～10 個（圖5-C）。與胸足相同，腹足上分布大量的刺形感受器、毛形感受器和少數錐形感受器。

圖6 草地貪夜蛾2 齡幼蟲腹足及其上感受器

3 討論和結論

草地貪夜蛾具有寄主范圍廣、繁殖能力強、遷飛擴散快、暴飲暴食等特點，給防治帶來巨大困難與挑戰。草地貪夜蛾幼蟲的口器為咀嚼式口器，2 齡幼蟲在小喇叭口期和大喇叭口期主要取食葉片，在抽雄吐絲期取食花絲，嚴重時會危害雌穗籽粒。因此，全面了解2 齡幼蟲頭部、胸足和腹足的感器類型和分布，有助于從形態結構方面進行鱗翅目幼蟲的分類研究，同時揭示幼蟲取食寄主植物的化學生態機制。

本研究采用掃描電鏡觀察了草地貪夜蛾2 齡幼蟲周身感受器的種類、數量和分布。結果表明，幼蟲觸角上著生的感受器有錐形感受器、刺形感受器、毛形感受器，以及栓錐形感受器，與5 齡幼蟲和鱗翅目昆蟲大菜粉蝶Pieris brassicae 和云南錦斑蛾Achelura yunnanensis 幼蟲觸角感受器類型完全一致[15-17]。盡管草地貪夜蛾2 齡與5 齡幼蟲觸角上感受器類型一致，但數量存在一定的差異，因此，昆蟲觸角感器隨著昆蟲發育過程的改變可能與外界環境相適應有關[18]。研究表明，毛形感受器和錐形感受器均可以感受植物揮發物，進而定位識別寄主植物完成取食和產卵等重要行為活動[19-20]。如東亞飛蝗Locusta migratoria manilensis 負責識別寄主植物的氣味受體基因LmigOR2 和LmigOR12 均在觸角上錐形感受器神經元中高度表達[21]，因此推測幼蟲觸角上錐形感器可能參與了寄主植物識別。此外，刺形感受器在桃小食心蟲C.Walsingham 和朱紅毛斑蛾Phauda flammansWalker 中推斷具有感知觸覺和味覺刺激的作用[7,22]。與幼蟲觸角毛形感受器不同的是，鱗翅目成蟲觸角上的毛形感受器不僅可以用來感知寄主植物，對于求偶交配、繁衍下一代也極其重要。例如，鱗翅目昆蟲多音天蠶Antheraea polyphemus、甜菜夜蛾Spodoptera exigua和煙青蟲Helicoverpa assulta等成蟲觸角上的毛形感受器中均有高度表達性信息素受體的嗅覺基因[23-25]。綜上所述，草地貪夜蛾幼蟲觸角擁有感知味覺、嗅覺、與溫濕度的功能，如感知植物氣味進而識別寄主植物。

與觸角感器類型一致，草地貪夜蛾2 齡幼蟲口器也分布有錐形感受器、刺形感受器、毛形感受器和栓錐形感受器，與其他鱗翅目幼蟲口器感受器類型相似[20,26]。草地貪夜蛾2 齡幼蟲口器上感受器類型和數量均多于5 齡幼蟲，有研究表明昆蟲特定部位的觸角感器類型伴隨發育過程中會消失[18]。刺形感受器是草地貪夜蛾幼蟲口器上數量最多的類型，根據該感受器功能推斷其與昆蟲取食時握持食物有關[27]；其他感受器可能具有定位寄主植物作用[26,28-29]。

草地貪夜蛾2 齡幼蟲胸足、腹足的形態存在明顯差異，且感受器數量不一。例如，胸足端部具有2～5 個數量不一的彎曲型的爪，有報道表明其與鱗翅目幼蟲鉆蛀、取食、爬行有關[26,30]；腹足末端存在數量不一的趾鉤，而趾鉤的長短、數目和排列方式是鱗翅目幼蟲分類鑒定的主要特征之一[31]。此外，胸足和腹足上存在大量的毛形感受器和刺形感受器。刺形感受器除了機械感受外，在爬行過程中對體軀具有一定的支撐和保護作用[32]。

近年來，關于昆蟲感受器感知外界環境的研究備受關注，通過掃描電子顯微鏡對鱗翅目、半翅目和膜翅目等昆蟲的觸角感器類型和分布開展大量研究。多數感受器研究集中在成蟲觸角，而作為取食、危害的關鍵蟲態幼蟲的報道相對較少。本研究全面觀察了草地貪夜蛾2 齡幼蟲周身的感受器類型、數量和分布，為鱗翅目幼蟲分類和幼蟲感知寄主植物等功能奠定了理論基礎。