狄貴秋 馬慶輝 馬維超 孟昭軍 嚴(yán)善春
(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,150040)
美國白蛾(Hyphantriacunea)又稱秋幕毛蟲、秋幕蛾,屬鱗翅目(Lepidoptera)、燈蛾科(Arctiidae)昆蟲,是我國林業(yè)重大檢疫害蟲之一,原產(chǎn)北美,1979年首次在中國遼寧發(fā)現(xiàn)[1-2]。其繁殖力強(qiáng),食量大,危害的植物達(dá)百余種,對(duì)園林樹木、經(jīng)濟(jì)林、農(nóng)田防護(hù)林等造成嚴(yán)重的危害,已對(duì)農(nóng)林產(chǎn)業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]。有研究者[2-4]通過電生理和行為學(xué)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),美國白蛾寄主桑樹揮發(fā)物β-羅勒烯和順2-戊烯-1-醇對(duì)雄蛾分別有引誘和驅(qū)避作用,β-羅勒烯可提高雌雄交配率和產(chǎn)卵率,順2-戊烯-1-醇對(duì)雌雄交配率和產(chǎn)卵率無顯著影響。對(duì)美國白蛾性信息素組分研究發(fā)現(xiàn),其不同地理分布的種群性信息素組分不同,中國和新西蘭種群的性信息素均由Z9,Z12-18Ald; Z9,Z12,Z15-18Ald;Z3,Z6-9S,10R-epoxy-21Hy和1,Z3,Z6-9S,10R-epoxy-21Hy組成,而匈牙利種群另包含一種微量成分1,Z3,Z6-9S,10R-epoxy-20Hy[5-6]。國內(nèi)外已將美國白蛾性信息素制成誘芯廣泛用于蟲情監(jiān)測。
昆蟲觸角是調(diào)節(jié)昆蟲行為的主要感覺器官,其表面著生大量由表皮特化形成的感受器[7],行使嗅覺等功能。昆蟲可通過觸角上各種類型的感受器感知復(fù)雜環(huán)境,從而產(chǎn)生定位寄主、交配、產(chǎn)卵以及趨避等行為[8]。不同昆蟲的感器類型、數(shù)量、結(jié)構(gòu)和著生位置差異很大,功能也不同。如多孔感受器通常與嗅覺功能相關(guān)[9]。對(duì)鱗翅目昆蟲觸角感器研究發(fā)現(xiàn),毛形感器(ST)、刺形感器(SCH)、錐形感器(SB)、栓錐形感器(SST)、腔錐形感器(SCO-I)、B?hm氏鬃毛(BB)等在鱗翅目昆蟲觸角上普遍存在;在雙委夜蛾(Athetisdissimilis)、落葉松尺蛾(Erannisankeraria)、荔枝異形小卷蛾(Cryptophlebiaombrodelta)的觸角上還觀察到耳形感器(SAU)[10-14]。研究觸角超微結(jié)構(gòu),弄清其感受器的類型及分布,是了解昆蟲嗅覺感器功能及感受機(jī)制的基礎(chǔ)。本研究借助掃描電鏡,觀察美國白蛾觸角超微結(jié)構(gòu),了解其雌雄蛾觸角感器類型、數(shù)量及分布,為進(jìn)一步研究嗅覺感受機(jī)制奠定基礎(chǔ),為探索新的防治途徑和方法提供參考。
美國白蛾卵采自山東省濟(jì)南市商河縣白蠟林地。人工飼料購自中國林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所昆蟲病毒研發(fā)中心。把卵置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)孵化、飼養(yǎng)。飼養(yǎng)條件:溫度(25±1)℃,濕度60%±5%,光周期16L∶8D。待成蟲羽化后取觸角完整的雌雄成蟲各6頭備用。
取雌、雄成蟲各6頭,在解剖鏡下用鑷子和解剖刀小心地從觸角基部將觸角完整取下,放入含有卡諾氏固定液(V(無水乙醇)∶V(冰醋酸)=3∶1)的離心管中固定12 h,然后用2.5%戊二醛-磷酸緩沖液固定過夜。經(jīng)pH=7.2的磷酸緩沖液漂洗3次,每次5~10 min,之后再分別用體積分?jǐn)?shù)50%、70%、80%、90%、95%和100%乙醇溶液進(jìn)行梯度脫水各3次,每次10 min。脫水后室溫干燥,粘在貼有雙面膠的鋁制樣品臺(tái)上,用Quorum Q150T鍍膜儀進(jìn)行噴金鍍膜。將制好的樣品在FEI quanta 200掃描電子顯微鏡進(jìn)行拍照觀察。
觸角感器的分類及命名標(biāo)準(zhǔn)參照Schneider[15],圖像使用Image J_v1.8.0處理分析,數(shù)據(jù)使用Excel2016處理分析。
美國白蛾觸角具有性別二態(tài)性,雌性觸角形態(tài)為鋸齒狀,雄性觸角為雙櫛齒狀,也稱羽毛狀(圖1)。雌雄觸角均由柄節(jié)、梗節(jié)、鞭節(jié)3部分組成。柄節(jié)上部膨大,背覆鱗片,基部兩側(cè)分布B?hm氏鬃毛(BB),鬃毛由長短2種錐形感器組成,長錐形著生于波紋形臼狀窩上,短錐形著生于波紋邊緣。梗節(jié)背面覆滿鱗片。鞭節(jié)約由45個(gè)亞節(jié)組成,其羽毛狀分支于縱軸腹面呈30°~90°夾角,夾角開口偏向外側(cè);鞭節(jié)縱干及羽狀分支的背面覆滿鱗片,鞭節(jié)端部1/3的褶皺上有小孔(圖2a);端部及基部鞭亞節(jié)感器類型較少;端部兩鞭亞節(jié)感器數(shù)量最少,基部兩鞭亞節(jié)次之;其他鞭亞節(jié)腹面及側(cè)面著生大量感器,分為9種類型:長毛形感器Ⅰ(ST-Ⅰ)、短毛形感器Ⅱ(ST-Ⅱ)、刺形感器(SCH)、錐形感器(SB)、栓錐形感器 (SST)、具緣毛腔錐形感器Ⅰ (SCO-I)、無緣毛腔錐形感器Ⅱ(SCO-Ⅱ)、鱗形感器 (SSQ)、舌形感器(SL)。舌形感器為新發(fā)現(xiàn)的感器類型,為雄蛾觸角所特有。
圖1 美國白蛾觸角形態(tài)
2.2.1 毛形感器(ST)
美國白蛾毛形感器分為2種類型:長毛形感器(ST-Ⅰ)和短毛形感器(ST-Ⅱ)(圖2b、c、e),位于鞭節(jié)腹面和側(cè)面,是數(shù)量最多的感器類型。毛形感器表面有螺旋紋(圖2f),基部至末端漸細(xì),觸角端亞節(jié)毛形感器數(shù)量極少甚至無。ST-Ⅰ與觸角夾角在60°~90°,尖端漸彎,ST-Ⅱ與觸角夾角小于60°,略彎曲。雌蛾ST-Ⅰ長(38.10±9.24)μm,基部寬(2.89±0.54)μm;ST-Ⅱ長(20.22±4.47)μm,基部寬(2.33±0.44)μm。雄蛾ST-Ⅰ長(45.75±12.17)μm,基部寬(3.05±0.60)μm;ST-Ⅱ長(22.34±6.69)μm,基部寬(2.40±0.49)μm(表1)。雄蛾的2種毛形感器長度均顯著大于雌蛾(P<0.05),基部寬度只有ST-Ⅰ在雌雄蛾之間表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。
表1 美國白蛾觸角不同感器類型的長與寬
注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,n=15~100,同一感器類型的同列不同字母表示雌雄差異顯著(P<0.05)。
2.2.2 刺形感器(SCH)
刺形感器(SCH)為剛毛狀,外形如刺,偶有彎曲,端部鈍圓,表面有縱紋(圖2b、c、g-i)。雄蛾SCH長度為(134.35±37.55)μm,基部寬度為(8.13±1.99)μm,顯著大于雌蛾的長度和基部寬(P<0.05),見表1。SCH在鞭節(jié)端亞節(jié)位于該節(jié)中間位置,在其余各亞節(jié)均沿羽狀分支(或鋸齒)方向分布于分支端部臼狀窩內(nèi),個(gè)別彎曲SCH分布于羽狀分支側(cè)面偏下位置。數(shù)量一般為每亞節(jié)2個(gè),雄蛾鞭節(jié)第1端亞節(jié)及中間少數(shù)亞節(jié)為4個(gè),鞭節(jié)基部第1亞節(jié)無SCH。
2.2.3 錐形感器(SB)
錐形感器(SB)端部微鈍,直立或沿觸角微彎曲,有臼狀窩(圖2d、j、k),數(shù)量較少,著生于鞭節(jié)腹面。雌蛾SB長與基部寬分別為(15.44±2.39)μm、(2.35±0.30)μm,均顯著小于雄蛾,見表1。
2.2.4 腔錐形感器(SCO)
腔錐形感器(SCO)有2種類型,分別為:具緣毛SCO-I、無緣毛SCO-Ⅱ,位于鞭節(jié)各亞節(jié)羽狀分支近端部的腹面?zhèn)染?,常生于刺形感器下方。SCO-I(圖2b-e)具菊花狀緣毛,緣毛腔凹陷,中間具1根錐形突。雌蛾和雄蛾SCO-Ⅰ錐形突長度無顯著差異(P>0.05),但雄蛾緣毛腔直徑((8.87±1.32)μm)顯著大于雌蛾(P<0.05),見表1。SCO-Ⅰ在每個(gè)鞭亞節(jié)兩側(cè)各有1~5個(gè),鞭節(jié)基部少有發(fā)現(xiàn),且雄蛾數(shù)量多于雌蛾。SCO-Ⅱ無緣毛(圖2f),感器呈錐形,位于凹陷腔內(nèi),數(shù)量少于SCO-Ⅰ。雌蛾SCO-Ⅱ錐形突長(5.75±0.84)μm,顯著大于雄蛾(P<0.05),雌雄蛾錐形突基部寬無顯著差異(P>0.05)(表1)。SCO-Ⅱ位于鞭節(jié)各亞節(jié)分支(或鋸齒)腹面邊緣外側(cè)面,鞭節(jié)基部少有發(fā)現(xiàn)。
2.2.5 栓錐形感器(SST)
栓錐形感器(SST)基部褶皺,栓端部光滑,端部凹陷內(nèi)著生一個(gè)小錐形突。栓錐形感器長和基部寬雌蛾顯著大于雄蛾(P<0.05),雌蛾長和基部寬分別為(26.10±7.16)、(12.31±2.52)μm,雄蛾長和基部寬分別為(21.88±4.96)、(9.82±2.20)μm(表1)。SST只有1種類型,與SCH伴生(圖2c、g、i),位于SCH一側(cè),在鞭節(jié)端亞節(jié)有1個(gè)(圖2b),其余亞節(jié)各有2個(gè),分別位于各亞節(jié)端部兩側(cè),偶爾在個(gè)別鞭亞節(jié)的一側(cè)有2個(gè)。
2.2.6 鱗形感器(SSQ)
鱗形感器(SSQ)形狀為紡錘形,表面有縱紋(圖2l)。雌蛾SSQ長(52.04±7.34)μm,與雄蛾長差異顯著(P<0.05),但感器基部寬無顯著差異(P>0.05)(表1)。SSQ數(shù)量較少,著生于觸角梗節(jié)和鞭節(jié)背面圓腔內(nèi),被大量鱗片覆蓋,不易觀察。
2.2.7 B?hm氏鬃毛(BB)
B?hm氏鬃毛(BB)為柄節(jié)特有的感器,由長短2種錐形感器組成,長錐形感器表面光滑,根部至端部漸細(xì),端部尖銳,著生于波紋狀臼狀窩中,短錐形感器著生于臼狀窩邊緣,數(shù)量多于長錐形感器(圖2m)。BB于柄節(jié)兩側(cè)成簇分布。
2.2.8 舌形感器(SL)
舌形感器(SL)短粗,端鈍,基部至端部漸細(xì),單側(cè)彎曲,中間寬扁,表面有凹槽。長(17.82±0.02)μm,基部寬(2.93±0.42)μm(表1)。僅在雄蛾鞭節(jié)羽狀分支腹面發(fā)現(xiàn)2個(gè)(圖2k、n)。
昆蟲的各種復(fù)雜生命活動(dòng)主要依靠嗅覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),觸角上著生大量感器,作為嗅覺系統(tǒng)的主要載體發(fā)揮作用。觸角上感器的種類、數(shù)量和分布等受多種因素影響,如性別、觸角形態(tài)、所處環(huán)境、習(xí)性和食性等[16]。本研究通過掃描電鏡,在美國白蛾觸角表面觀察到10種類型感受器,其中SL為雄蛾特有,其余感器為雌雄共有。BB于柄節(jié)兩側(cè)成簇著生,SSQ于梗節(jié)和鞭節(jié)背面著生,余下感器主要分布于鞭節(jié)腹面羽狀分支。除SL外,其他感器與鱗翅目其他種類,如雙委夜蛾、核桃舉肢蛾(Atrijuglanshetaohei)、桃蛀果蛾(Carposinasasakii)、小菜蛾(Plutellaxylostella)等感器類型基本一致[10,16-19]。
ST-Ⅰ.長毛形感器Ⅰ;ST-Ⅱ.短毛形感器Ⅱ;SCH.刺形感器;SB.錐形感器;SST.栓錐形感器;SCO-Ⅰ.具緣毛腔錐形感器Ⅰ;SCO-Ⅱ.無緣毛腔錐形感器Ⅱ;SSQ.鱗形感器;BB. B?hm氏鬃毛;SL.舌形感器。
圖2美國白蛾觸角感器形態(tài)及種類
ST是昆蟲觸角中最普遍存在的感器,通常數(shù)量最多,具有嗅覺和味覺功能,主要感知性信息素等[20],對(duì)雄蛾尋找雌蛾交配具有重要作用。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),在美國白蛾觸角上,ST數(shù)量最多,分布最廣,且雄蛾數(shù)量明顯多于雌蛾;2種ST的長度雄蛾均顯著大于雌蛾,其基部寬只有ST-Ⅰ雄蛾顯著大于雌蛾。因此,推測感受性信息素的神經(jīng)元和受體可能主要位于ST-Ⅰ中。SB主要具有機(jī)械感受和嗅覺感受的功能[16],內(nèi)部結(jié)構(gòu)與感知信息素的ST相似,但其主要感受寄主和天敵氣味等環(huán)境因子[21]。美國白蛾SB與ST混合著生于觸角腹面羽狀分支,其長和基部寬均為雄蛾顯著大于雌蛾,其功能可能是協(xié)助雄蛾尋找雌蛾。
美國白蛾SCH于各鞭亞節(jié)均有分布,為觸角上最長的感受器。這可能與SCH主要作為機(jī)械感器,最先接觸棲境,感受機(jī)械刺激有關(guān)[15,20-21]。此外,SCH也可以參與味覺功能,感受碳?xì)浠衔颷22],Jiang et al.[23]發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)雌蛾觸角SCH可表達(dá)味覺受體(GRs),識(shí)別D-果糖。SST的著生位置及數(shù)量與SCH相近,除鞭節(jié)端亞節(jié)和基部第1亞節(jié)外,均著生于鞭節(jié)腹面羽狀分支上。有研究認(rèn)為,SST前端的錐狀感器,是觸角內(nèi)容物的延伸,具有感受化學(xué)、溫濕度及機(jī)械的功能[16,23-25]。美國白蛾雌蛾SST長和寬均顯著大于雄蛾,推測其可能具有感受寄主植物揮發(fā)物等棲境條件的功能,協(xié)助雌蛾尋找適宜產(chǎn)卵場所。
SCO根據(jù)形態(tài)可分為具緣毛SCO-Ⅰ和無緣毛SCO-Ⅱ兩種類型。本研究在美國白蛾雌雄成蟲觸角腹面均觀察到這2種類型SCO。SCO即有溫濕感受感器的作用,也具有感受植物氣味和二氧化碳的功能[26-28],也有研究發(fā)現(xiàn)沙漠蝗蟲(Schistocercagregaria)的SCO還具有表達(dá)離子型受體(IRs)的功能[29]。本研究中,雌蛾SCO-Ⅱ長度大于雄蛾,推測其可能與識(shí)別植物氣味,協(xié)助雌蛾產(chǎn)卵選擇有關(guān)。
美國白蛾SSQ分布于觸角背面鱗片下,不易觀察。SSQ在鱗翅目夜蛾科(Noctuidae)和尺蛾科(Geometridae)中均有發(fā)現(xiàn)[4,30-32],但其功能目前尚未清楚,有推測認(rèn)為其具有機(jī)械感受的功能[33],該推測有待進(jìn)一步電生理和行為實(shí)驗(yàn)研究。
BB在昆蟲中普遍存在,位于美國白蛾觸角柄節(jié)兩側(cè),由長短兩種錐狀感器組成。BB作為機(jī)械感器,有感知重力,改變方向等作用[15]。夾竹桃天蛾(Daphnisnerii)BB有調(diào)節(jié)飛行時(shí)觸角角度和方向的作用,當(dāng)去除該感器時(shí),觸角會(huì)發(fā)生碰撞[34]。本研究中新發(fā)現(xiàn)的美國白蛾SL僅存在于雄蛾觸角,其功能是否與感知性信息素或某種特殊物質(zhì)有關(guān),有待進(jìn)一步研究。
綜上所述,美國白蛾觸角雄性為雙櫛齒狀,雌性為鋸齒狀。在雌雄觸角上共發(fā)現(xiàn)10種感器類型,其中SL為雄蛾所特有,同類型感器的大小在雌雄蛾之間普遍差異顯著。雄蛾毛形感器明顯多于雌蛾。本研究結(jié)果為后續(xù)研究美國白蛾觸角感器的功能及相關(guān)分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。