紅火蟻雄蛹的發育過程及其形態變化

高夢悅，黃昱軻，鄭淇元，馮波，*

(1.溫州醫科大學 公共衛生與管理學院，浙江 溫州 325035；2.綿陽師范學院 生命科學與技術學院，四川 綿陽 621000)

紅火蟻(SolenopsisinvictaBuren)隸屬于膜翅目(Hymenoptera)、蟻科(Formicidae)、火蟻屬(Solenopsis)，作為一種高度分化的社會性昆蟲，是全球上百種最具破壞力的入侵生物之一，原產于南美洲[1]。2004年第一次在我國臺灣發現。截至2022年，紅火蟻快速入侵到我國浙江、福建、江西、湖北、湖南、廣東、廣西、海南、重慶、四川、貴州、云南等12 個省(自治區、直轄市)的 579 個縣級行政區域。

自紅火蟻入侵以來對我國產生了嚴重的后果。首先，紅火蟻作為雜食性昆蟲，不僅可以取食農作物、植物等各個部位，也可以取食無脊椎動物，攻擊脊椎動物[2]，使得入侵地農業大幅度減產，生態系統嚴重破壞[3]。其次，紅火蟻的攻擊性很強，一旦受到驚擾工蟻便會傾巢出動[4]。人被叮咬后，叮咬部位會產生瘙癢、疼痛感，不久后會起水泡，水泡形成膿包進而形成永久性疤痕[5]。被嚴重叮咬者或對紅火蟻毒液過敏者，會出現蕁麻疹、頭暈惡心、嘔吐、休克甚至死亡等情況[6-7]。最后，紅火蟻的電感性很高，導致電子設備經常受到紅火蟻干擾，如：變壓器箱、交通信號箱等，造成電線短路、設備故障，間接導致經濟損失[8-9]。

紅火蟻的發育需要經過卵、幼蟲、蛹、成蟲4個時期，其中成蟲包括蟻后、雄蟻和工蟻3個品級。卵為卵圓形或橢圓形，顏色為乳白色，發育為幼蟲大概需要7～14 d。幼蟲總共分為4個齡期，為乳白色至淡黃色，12～15 d后幼蟲化蛹。蛹形態與成蟲基本一致，并根據觸角可分辨雌雄。工蟻蛹期8～13 d、繁殖雌蟻12～16 d、雄蟻11～15 d[10]。繁殖蟻羽化且發育成熟后，會在合適的環境、溫濕度條件下進行婚飛交配[11]，每年的5～8月份是婚飛高峰期。交配后，雌蟻脫翅成為無翅蟻后，建立新的蟻巢[12]。雖然國內外學者對紅火蟻各品級的成蟲以及各時期蟲態的形態特征進行了較為詳細的描述[13-14]，但是這些描述并沒有涉及紅火蟻的化蛹、蛹發育及羽化過程。

蛹期是紅火蟻從幼蟲發育為成蟲必須經歷的一個關鍵時期，該時期一邊分解幼蟲原有的組織器官，一邊形成成蟲所需要的內部器官[15]，是繁殖蟻生殖系統形成的重要時期。準確掌握紅火蟻化蛹、蛹發育及羽化過程，對研究紅火蟻的生殖系統發育過程、性成熟等具有重要意義。本研究利用顯微觀察詳細研究了紅火蟻幼蟲化蛹、雄蛹發育及雄蟻羽化的整個過程，目的在于明確紅火蟻雄蛹發育的形態特征變化，為進一步研究紅火蟻生殖系統發育、性成熟及基于蛹和成蟲的RNA干涉等奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源與飼養

紅火蟻來自四川省綿陽市涪城區田間采集的多蟻后種群。將野外的紅火蟻種群轉移至內壁涂有滑石粉的20 L塑料桶中[16]，在實驗室內放置1～2 d，再用滴水法將紅火蟻蟻群與土壤分離并形成蟻閥，分離出四齡幼蟲。準備30只四齡幼蟲，將每只四齡幼蟲與30～50只工蟻以及少量工蟻幼蟲飼養于內徑60 mm的培養皿中。培養皿內壁涂上滑石粉防止紅火蟻逃逸，培養皿中放置約80 g田間采集的濕潤土壤。用蘸有10%葡萄糖溶液的棉花團及切碎的火腿腸作為食物。每日更換新的棉花團和火腿腸。飼養條件為：溫度27.0±1.0 ℃、相對濕度(70.0±5.0)%、 光照∶黑暗為14 h∶10 h[17]。

1.2 四齡幼蟲和蛹的形態觀察

從四齡幼蟲放入培養皿飼養后，開始每天觀察。具體方法如下：每天用鑷子輕輕撥開濕潤土壤，尋找到幼蟲、蛹或新羽化的成蟲后，通過藥勺將蟲體轉移至干凈的培養皿中，于SMZ-171(麥克奧迪，中國)體視顯微鏡下觀察，記錄幼蟲和蛹的發育過程，并利用Moticam2506數碼系統(麥克奧迪，中國)拍攝形態照片，比較四齡幼蟲化蛹、雄蛹發育、成蟲羽化過程中的形態變化。

2 結果與分析

2.1 紅火蟻化蛹前幼蟲的外部形態

即將化蛹的紅火蟻幼蟲體長為3.8～4.5 mm，白色或淡黃色，呈卵圓形。頭部較小，表面光滑；上顎褐色，堅硬。胸部飽滿，表面光滑，靠近中部有一條細微褶皺，為發育中蛹的頭部和胸部分界。腹部表面有明顯褶皺，從側面看可分為8個腹節；相對于腹部中部，兩側及末端變得扁平，形成裙邊一樣的結構。頭部和腹部端部向腹面彎曲，致使身體彎向腹面。此階段已無法看到腹部內的消化系統和白色脂肪顆粒(圖1)。

A—幼蟲側面，藍色線條范圍為幼蟲頭部，綠色線條范圍為幼蟲胸部，白色線條范圍為幼蟲腹部；B—幼蟲腹面；圖中豎線為2 mm比例尺。圖1 紅火蟻化蛹前幼蟲Fig.1 The larvae of the red fire ants before pupation

2.2 紅火蟻幼蟲的化蛹過程

根據表現出來的形態差異可以將紅火蟻幼蟲的化蛹過程劃分為4個階段(圖2)。第一階段(圖2中A和B)：四齡幼蟲腹部外側原本皺縮成“裙邊”的被膜繼續皺縮至緊貼幼蟲腹部，蟲體近似圓筒形；蛹的頭部和前胸開始分化，致使幼蟲胸部前端出現輕微內陷；腹部末端向頭部處彎曲，從側面看整個身體呈現彎鉤形。第二階段(圖2中C和D)：蛹胸腹部及胸部附肢開始發育，胸腹連接處開始向內縊縮，致使身體中部明顯變窄，腹面隱約可見足的形態。第三階段(圖2中E)：蟲體盡管被被膜包裹，但已經呈現出蛹的形態；蛹的腹部分節明顯；足和翅膀除基部外，其余部分明顯從身體表面脫離。第四階段(圖2中F～H)：蛹通過蠕動身體依次將被膜從頭部至腹部脫落；整個蛻皮過程大約持續1 h，但是頭部、胸部蛻皮僅需短短數分鐘即可完成蛻皮完成后，雄蛹如圖。

A～B—第一階段；C～D—第二階段；E—第三階段；F～H—第四階段；I—紅火蟻蛹；圖B和圖D為腹面觀，其余圖片為側面觀；圖中豎線為2 mm比例尺。圖2 紅火蟻幼蟲的化蛹過程Fig.2 Pupation of fourth instar larvae of red fire ants

2.3 紅火蟻雄蛹的發育過程

根據不同發育時期紅火蟻雄蛹表現出來的形態差異可以將紅火蟻雄蛹的發育過程分為7個階段(圖3)。第一階段為新化蛹(圖3中A)：體為黃白色；從側面看觸角、足、翅透亮；腹部有六個體節，可見少量脂肪體；復眼為淺赭紅色。第二階段(圖3中B)：體色加深為黃色；復眼和單眼整體呈黑色；翅基部周圍為紅棕色。第三階段(圖3中C)：腹部除結節外明顯呈灰色，頭部稍稍變灰，顏色深于胸部和腹結節。第四階段(圖3中D)：頭部與胸部顏色加深至灰棕色，導致翅基部周圍顏色與胸部顏色融合；腹部顏色繼續加深至深灰色，而腹結節變為灰色。第五階段(圖3中E)：頭部、胸部變為深灰色，顏色仍弱于復眼；腹部呈灰黑色；足除跗節外為灰棕色；觸角端半部及翅膀仍然為透明。第六階段(圖3中F)：頭部、胸部、足(跗節除外)、觸角基部灰黑色，腹部呈黑色；足跗節及觸角端半部淺紅棕色；體壁未完全角質化。第七階段(圖3中G)：蛹除翅膀外完全黑化，體壁變硬角質化，表面緊貼透明表皮，即將羽化。

2.4 雄性紅火蟻的羽化過程

根據紅火蟻羽化過程中表現出來的形態差異可以將紅火蟻的羽化過程分為兩個階段，身體蛻皮期和展翅期。首先蛻皮的部位是足和觸角(圖4中A)，接著利用足將表皮從頭部到腹部逐一去除。蛻去表皮的蛹已經可以爬行，除翅膀尚未展開外，形態與雄蟻成蟲一致。展翅期：蛹的翅膀從翅基部慢慢展開(圖4中B)，待翅膀完全展開后，雄蟻羽化成功(圖4中C)。

A—蛻皮期(側面觀)；B—展翅期(背面觀)；C—雄蟻(背面觀)；圖中豎線為2 mm比例尺。圖4 雄性紅火蟻的羽化過程Fig.4 Eclosion of male red fire ants

3 討論

本實驗在自然條件下研究了紅火蟻雄蟻從四齡幼蟲羽化為成蟲的整個過程，共涉及了四齡幼蟲化蛹、雄蛹發育以及雄蟻羽化3個時期。紅火蟻四齡幼蟲化蛹之前，其頭胸腹以及附肢、翅芽等已經分化成形，在顯微鏡下可直接觀察到蟲體形態所發生的變化，而這與擬黑多刺蟻有著極大的差異。擬黑多刺蟻的老熟幼蟲在化蛹前會吐絲結成較為飽滿的黃白色繭，只有通過解剖才能觀察到裸蛹的形態[18]。同樣螟蛉盤絨繭蜂的幼蟲在化蛹也會形成紡錘狀的繭，之后再完成蛹的發育。雖然三者都是膜翅目昆蟲，但幼蟲化蛹的過程不盡相同。

紅火蟻四齡幼蟲蛻皮后蟲體進入蛹期。蛹期是完全變態類昆蟲從幼蟲向成蟲轉變所必須經歷的一個蟲態，成蟲的組織器官逐漸形成，所以蛹期是成蟲生殖系統發育的關鍵時期。本研究發現，紅火蟻雄蛹體色隨發育時間整體逐漸加深，與銅綠蠅[19]、大黃蜂[20]等其他完全變態類昆蟲蛹體的著色變化一致。但紅火蟻和大黃蜂都是從眼睛先開始著色，接著再是身體，而銅綠蠅的著色順序則是從翅和足根部開始，接著是胸腹，最后復眼顏色才開始變紅。根據紅火蟻雄蛹的著色變化特征將雄蛹的發育過程分為了7個階段，而銅綠蠅的蛹期則根據蛹體具有時間標志性的形態變化可劃分為8個階段，在顯頭期其頭、胸、腹才分化出來，同時出現翅、足和復眼輪廓。這可能是因為銅綠蠅與紅火蟻不屬于同一目昆蟲。

蛹發育完全后，蛻去最后一層表皮成為成蟲的過程為羽化。紅火蟻雄蛹羽化時，先將身體表面的表皮蛻掉，再從翅基部開始舒展翅膀，直到翅膀完全展開。盡管海南亞春蜓屬于不完全變態昆蟲，但其羽化過程和紅火蟻相似，也是蟲體先出殼再展翅[21]。紅火蟻雄蟻展翅后，形態不再有變化。而海南亞春蜓展翅后蟲體顏色逐漸變深，翅膀稍微變硬，腹部完全伸直。也有部分完全變態昆蟲存在先展翅后蛻皮的情況，如紅頸常室繭蜂[22]在蛹期的第8日齡翅芽才分化，第9日齡翅芽蜷縮生長，第12日齡雄蜂翅完全伸展開后，紅頸常室繭蜂才開始羽化。

本研究對紅火蟻四齡幼蟲發育為雄蟻的全部形態特征變化進行了觀察，較為全面地掌握了紅火蟻前蛹期、蛹期、羽化期的形態變化過程，為進一步研究紅火蟻雄蟻生殖系統成熟和紅火蟻發育的分子機制奠定基礎。