鄭成卓， 曹 寧， 傅曉意， 安加吉才讓， 劉長(zhǎng)仲， 錢秀娟

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，甘肅省農(nóng)作物病蟲害生物防治工程實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070)

草原是中國(guó)最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，是畜牧業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是農(nóng)牧民生存的基本生產(chǎn)和生活資料[1]。近年來，由于草原蝗蟲持續(xù)偏重發(fā)生，草原退化、沙化加劇，嚴(yán)重影響著草原畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)對(duì)生態(tài)安全和農(nóng)牧民的生存發(fā)展構(gòu)成威脅[2]。肅南縣是以天然草場(chǎng)放牧為主的純牧業(yè)縣，屬甘肅省的7大牧業(yè)縣之一。肅南是甘肅省蝗蟲重發(fā)區(qū)，每10年左右發(fā)生1次，每次延續(xù)2～3年[3]。長(zhǎng)期以來，由于氣候干旱等自然因素和人為因素的共同影響，天然草地生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)不同程度的惡化，蝗蟲種群數(shù)量急劇增加，蝗災(zāi)頻頻發(fā)生[4]。經(jīng)鑒定全縣現(xiàn)有蝗蟲27屬55種[5]。每年草地蝗蟲發(fā)生面積達(dá)300萬～400萬畝，成災(zāi)面積達(dá)250 萬畝左右。平蟲口密度83頭·m-2，最高點(diǎn)達(dá)308頭·m-2，牧草損失率達(dá)50%～80%，給防治工作帶來困難[6]。在蝗蟲防治過程中蝗蟲種類識(shí)別是基層工作難點(diǎn)之一，所以本文開展了形態(tài)學(xué)研究，為識(shí)別蝗蟲種類、做好監(jiān)測(cè)預(yù)警提供支撐。

雄性外生殖器結(jié)構(gòu)具有種的穩(wěn)定性和特異性，因此在蝗蟲分類上具有重要的參考價(jià)值[7]，其包括陽(yáng)具基背片和陽(yáng)具復(fù)合體，陽(yáng)具基背片覆蓋在陽(yáng)具復(fù)合體上，位于肛上板下，其形狀多變，是分類上的重要依據(jù)[8]。Randell對(duì)蝗蟲進(jìn)行鑒定時(shí)提到雄性外生殖器可以作為蝗蟲的分類依據(jù)[9]，隨后Whitman提出鑒定親緣關(guān)系相近的物種時(shí)，雄性外生殖器可以作為一種穩(wěn)定的鑒定依據(jù)[10]。楊國(guó)輝對(duì)斑腿蝗科卵翅蝗屬[11]、云南特有的3種蝗蟲進(jìn)行了比較[12]；陳阿蘭對(duì)斑翅蝗科[7]、網(wǎng)翅蝗科蝗蟲進(jìn)行了比較[13]；婁延霞觀測(cè)了東亞飛蝗的顯微構(gòu)造[14]；馮麗霞對(duì)斑腿蝗科蝗蟲進(jìn)行了比較[15]；任金龍對(duì)兩種星翅蝗進(jìn)行了比較[16]。相關(guān)圖書有劉舉鵬編著的《中國(guó)蝗蟲鑒定圖冊(cè)》[17]，鄭哲民編著的《蝗蟲分類學(xué)》[18]，甘肅省蝗蟲調(diào)查協(xié)作組編著的《甘肅蝗蟲圖志》[19]等，但就甘肅草原蝗蟲的外生殖器形態(tài)特征的報(bào)道甚少，常見蝗蟲雄性外生殖器原色照片缺乏。

為了科學(xué)地比較蝗蟲雄性外生殖器，簡(jiǎn)化變量，本文應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)分析方法是將原始指標(biāo)降維，提取到幾個(gè)主成分，其中每個(gè)主成分都能反映原始變量的大部分信息，從而可以全面權(quán)衡每個(gè)性狀在某個(gè)品種中所處的位置和分量的主成分分析(principal component analysis，PCA)[20]。目前，應(yīng)用主成分分析研究蝗蟲雄性外生殖器特征的報(bào)道較少，僅張麗麗引入主成分分析對(duì)同地理種群青脊竹蝗和大青脊竹蝗的陽(yáng)具基背片進(jìn)行比較[21]以及白靜就新疆蝗蟲雄性外生殖器進(jìn)行了主成分分析[22]。對(duì)于蝗蟲的分類主要利用的是蝗蟲外部形態(tài)特征，而雄性外生殖器的形態(tài)特征缺乏具體、系統(tǒng)的描述，因此本研究綜合比較前人的研究結(jié)果，聚焦于蝗蟲雄性外生殖器陽(yáng)具基背片的7項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)對(duì)6種蝗蟲進(jìn)行主成分分析，旨在為肅南縣草地蝗蟲鑒定、綜合防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試蟲源：青海痂蝗Bryodemamiramaemiramae、紅翅皺膝蝗Angaracrisrhodopa、鼓翅皺膝蝗Angaracrisbarabensis、黑翅皺膝蝗Angaracrisnigroptera、寬翅曲背蝗Pararcypteramicropterameridionalis、短星翅蝗Calliptamusabbreviaticus共6種供試蝗蟲于2020年8-10月間采自甘肅省肅南縣，均浸泡在75%的乙醇溶液備用。

1.2 方法

1.2.1解剖方法 將吸干后的蝗蟲放在體式顯微鏡下，用解剖針從肛上板、肛下板間取出雄性外生殖器，放入裝有2%的KOH溶液的小試管中浸泡，對(duì)標(biāo)本和對(duì)應(yīng)的生殖器進(jìn)行標(biāo)記。將裝有雄性外生殖器的指形管放人沸水中加熱30～60 s，待附著的肌肉溶解后，用清水沖洗數(shù)次，在解剖鏡下分離出陽(yáng)具基背片和陽(yáng)具復(fù)合體，再放入75%的酒精中備用[12]，分別置于體式鏡下拍照，利用SZX16+EP50數(shù)字成像系統(tǒng)對(duì)其拍照，每種蝗蟲選擇20頭雄性成蟲用于解剖和測(cè)定。

1.2.2雄性外生殖器測(cè)量與描述 數(shù)據(jù)測(cè)量：將處理好的每種蝗蟲的雄性外生殖器置于數(shù)據(jù)體式鏡下進(jìn)行拍照同時(shí)測(cè)其兩錨狀突間距Ll、錨狀突內(nèi)測(cè)間距L2、錨狀突外側(cè)間距L3、橋?qū)扡4、錨狀突高L5、后突內(nèi)側(cè)間距L6、后突外側(cè)間距L7

圖1 蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

形態(tài)描述：陽(yáng)具基背片→橋(B)→錨狀突(An)→前突(Ant)→側(cè)板(LP)→后突(PP)→冠突(L);陽(yáng)具復(fù)合體→陽(yáng)莖基瓣(Bp)→陽(yáng)莖端瓣(Ap)→色帶連片(Zy)→色帶瓣(CV)[16]。

1.2.3主成分分析 本試驗(yàn)主成分分析圍繞陽(yáng)具基背片展開，將全部蝗蟲陽(yáng)具基背片的兩錨狀突間距Ll、錨狀突內(nèi)測(cè)間距L2、錨狀突外側(cè)間距L3、橋?qū)扡4、錨狀突高L5、后突內(nèi)側(cè)間距L6、后突外側(cè)間距L7以上7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，步驟如下：(1)適宜性檢驗(yàn)：對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)，KMO值大于0.6則數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適宜，Bartlett球形檢驗(yàn)所得相伴概率P值小于顯著性水平0.05，因此拒絕Bartlett球形檢驗(yàn)的零假設(shè)，認(rèn)為變量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，適合主成分分析；(2)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，再進(jìn)行主成分分析，計(jì)算主成分特征值及方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率。利用SPSS 25.0軟件進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)描述

2.1.1紅翅皺膝蝗 陽(yáng)具基背片橋狀；橋長(zhǎng)90.68 μm，中央向內(nèi)凹陷，呈半圓形；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為 334.48 μm和 117.33 μm；前突向上彎曲，頂鈍圓；側(cè)板邊緣弧形內(nèi)凹；后突長(zhǎng)錐形突起；冠突似手指，頂端收縮。陽(yáng)具復(fù)合體長(zhǎng)寬比約為1.24；陽(yáng)莖基瓣寬，分為兩片向外彎曲，中間不相連；陽(yáng)莖端瓣細(xì)??；色帶連片似“V”形；色帶瓣表面平緩(圖2a)。

2.1.2鼓翅皺膝蝗 陽(yáng)具基背片外形橋狀；橋長(zhǎng)291.81 μm，中央向內(nèi)凹陷，呈半橢圓形；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為424.38 μm和 138.68 μm；前突向上彎曲，頂鈍圓；側(cè)板邊緣弧形內(nèi)凹；后突長(zhǎng)錐形突起；冠突似鼓槌，頂端膨大。陽(yáng)具復(fù)合體長(zhǎng)寬比約為1.39；陽(yáng)莖基瓣寬,分為兩片向外彎曲，中間不相連；陽(yáng)莖端瓣細(xì)??；色帶連片似“V”形；色帶瓣表面平緩，頂端錐形突起(圖2b)。

2.1.3黑翅皺膝蝗 陽(yáng)具基背片橋狀；橋長(zhǎng)90.67 μm，中央向內(nèi)凹陷，呈半圓形；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為320.00 μm和 130.29 μm；前突向上彎曲，頂鈍圓，側(cè)板邊緣弧形內(nèi)凹；后突長(zhǎng)錐形突起；冠突似鼓槌，頂端膨大。陽(yáng)具復(fù)合體長(zhǎng)寬比約為1.39；陽(yáng)莖基瓣寬，分為兩片向外彎曲，中間不相連；陽(yáng)莖端瓣細(xì)小，色帶連片似“V”形，色帶瓣頂端突起(圖2c)。

2.1.4短星翅蝗 陽(yáng)具基背片橋狀；橋長(zhǎng)137.14 μm，中央略微向內(nèi)凹陷；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為401.52 μm和140.20 μm；前突向上彎曲，近似直角，側(cè)板邊緣略內(nèi)凹；后突長(zhǎng)錐形突起；冠突似鼓槌，頂端膨大。陽(yáng)具復(fù)合體長(zhǎng)寬比約為1.39；陽(yáng)莖基瓣寬，分為兩片略微向外彎曲，中間不相連；陽(yáng)莖端瓣細(xì)小，色帶連片似“U”形，色帶瓣頂端似錐(圖2d)。

2.1.5青海痂蝗 陽(yáng)具基背片橋狀；橋長(zhǎng)109.71 μm，中央向內(nèi)凹陷，呈半圓形；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為 309.34 μm和 108.20 μm；前突向上彎曲，頂尖銳；側(cè)板平直無凹陷；后突長(zhǎng)錐形突起；冠突似珠，表面圓滑。陽(yáng)具復(fù)合體長(zhǎng)寬比約為1.5；陽(yáng)莖基瓣寬，分為兩片向外彎曲，中間不相連；陽(yáng)莖端瓣細(xì)?。簧珟нB片似“V”形；色帶瓣表面平直(圖2e)。

2.1.6寬翅曲背蝗 陽(yáng)具基背片橋狀；橋長(zhǎng)108.95 μm，中央向內(nèi)凹陷，近似圓形；錨狀突似牛角，外側(cè)間距和高分別為240.00 μm和 110.48 μm；前突向上彎曲，近似直角；側(cè)板邊緣平直無凹陷；后突長(zhǎng)錐形突起；冠突似鼓槌，頂端膨大。陽(yáng)具復(fù)合體長(zhǎng)寬比約為1.59；陽(yáng)莖基瓣寬，分為兩片向外彎曲，中間不相連；陽(yáng)莖端瓣細(xì)??；色帶連片似“U”形(圖2f)。

圖2 6種雄性外生殖器形態(tài)圖

2.2 蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)特征比較

6種蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)特征比較，詳見表1。

表1 6種蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)特征比較

紅翅皺膝蝗的主要特征：陽(yáng)具基背片的錨狀突尖銳、彎曲，冠突棒狀首尾密布刻點(diǎn)，側(cè)板外緣內(nèi)凹，后突三角狀，陽(yáng)莖基瓣呈寬圓形，色帶瓣平緩。

鼓翅皺膝蝗的主要特征：陽(yáng)具基背片冠突棒狀，兩端密布刻點(diǎn)，陽(yáng)莖基瓣為寬圓形，色帶連片超過陽(yáng)莖基瓣 1/4。

黑翅皺膝蝗的主要特征：陽(yáng)具基背片的錨狀突為尖銳牛角狀，冠突分為兩葉，首尾密布刻點(diǎn)，外冠突呈棒狀；陽(yáng)具復(fù)合體的陽(yáng)莖基瓣為寬圓形，色帶連片達(dá)陽(yáng)莖基瓣底部。

短星翅蝗的主要特征；陽(yáng)具基背片的錨狀突尖銳且彎曲，冠突分為兩葉，首尾密布刻點(diǎn)，外冠突呈棒狀；陽(yáng)具復(fù)合體的陽(yáng)莖基瓣為寬圓形，色帶連片超過陽(yáng)莖基瓣 1/2。

青海痂蝗的主要特征：陽(yáng)具基背片的冠突尖銳且彎曲，首尾密布刻點(diǎn)，外突呈棒狀，陽(yáng)具復(fù)合體的陽(yáng)莖基瓣為寬圓形，色帶連片達(dá)陽(yáng)莖基瓣底部。

曲背蝗屬主要特征：陽(yáng)具基本片冠突為兩葉似牛角，頂端收縮密布刻點(diǎn)，陽(yáng)莖基瓣馬蹄狀，色帶連片超過陽(yáng)莖基瓣 1/3；陽(yáng)莖端瓣鉤狀。斑翅蝗科雄性外生殖器的共有特征為陽(yáng)具基背片橋狀，錨狀突尖銳，陽(yáng)莖基瓣寬圓形。

2.3 蝗蟲雄性外生殖器7項(xiàng)指標(biāo)主成分分析

2.3.1主成分分析的適宜性檢驗(yàn) 根據(jù)6種蝗蟲雄性外生殖器7個(gè)指標(biāo)主成分分析，KMO和巴特利特檢驗(yàn)結(jié)果如下，KMO取樣適切性量數(shù)為0.683(>0.6)，巴特利特球形度檢驗(yàn)所得P值為0(P<0.05)，因此拒絕Bartlett球形檢驗(yàn)的零假設(shè)，認(rèn)為變量間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，適合做主成分分析。

2.3.2主成分因子的選擇 此試驗(yàn)對(duì)6種蝗蟲雄性外生殖器的7項(xiàng)指標(biāo)利用主成分分析法進(jìn)行分析，利用spss25.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，得到主成分特征值及貢獻(xiàn)率。共提取到2個(gè)主成分因子(特征值>1)，分別為λ1=5.213，λ2=1.233，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)92.082%，符合主成分分析要求，即這2個(gè)主成分代表6種蝗蟲的7項(xiàng)性狀信息，因此可以選取這2個(gè)主成分作為蝗蟲的鑒定指標(biāo)。

2.3.3主成分分析相關(guān)系數(shù)矩陣特征值 將7項(xiàng)指標(biāo)壓縮為2個(gè)主成分因子構(gòu)建主成分二維平面圖，將樣本變量進(jìn)行降維，以觀察各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)樣本分布的貢獻(xiàn)大小，結(jié)果見表4。第一主成分主要包括兩錨狀突間距(L1)、后突外側(cè)間距(L7)、錨狀突高(L5)、錨狀突外側(cè)間距(L3)、錨狀突內(nèi)測(cè)間距(L2)、冠突內(nèi)側(cè)間距(L6)，相對(duì)應(yīng)的特征值分別為0.973，0.956，0.950，0.946，0.933，0.775，集中反映錨狀突、后突、冠突的相對(duì)位置；第二主成分主要為橋?qū)?L4)，特征值為0.923，即第二主成分可以概括為陽(yáng)具基背片橋?qū)挕?/p>

表2 主成分因子矩陣

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，寬翅曲背蝗陽(yáng)具基背片形似長(zhǎng)方形，不同于其他5種蝗蟲：冠突頂端之間無連接的部分、陽(yáng)莖基瓣似馬蹄，陽(yáng)莖端瓣鉤狀；青海痂蝗與陳阿蘭[7]對(duì)青海痂蝗B.miramae描述基本一致：冠突為棒狀、橋中間均有向上凸起的部分，結(jié)合白靜[23]對(duì)朱腿痂蝗和蒙古痂蝗的描述，說明痂蝗屬陽(yáng)具背基片的冠突為棒狀，此分析與白靜研究結(jié)果一致。皺膝蝗屬與斑腿蝗科的其他屬，如楊國(guó)輝[12]研究的凹背蝗屬、擬裸蝗屬以及馮麗霞[15]研究的卵翅蝗屬和腹露蝗屬的陽(yáng)具基背片形狀相同，均為橋狀。

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，縮小范圍聚焦于陽(yáng)具基背片的7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示所測(cè)指標(biāo)可歸納為2個(gè)主要成分，第一主成分主要包括兩錨狀突間距(L1)、后突外側(cè)間距(L7)、錨狀突高(L5)、錨狀突外側(cè)間距(L3)、錨狀突內(nèi)測(cè)間距(L2)、冠突內(nèi)側(cè)間距(L6)，該結(jié)果與白靜[23]分析的第一主成分有一定出入，原因可能有以下幾點(diǎn)：(1)所測(cè)指標(biāo)不同，白靜加入了陽(yáng)具復(fù)合體長(zhǎng)寬比，而本研究主要聚焦于陽(yáng)具基背片；(2)用于分析的蝗蟲種類也存在差異，前者所測(cè)物種有12種，本研究中為6種；(3)生境差異也是影響因子之一，前者供試蟲源來自新疆而本研究中樣本來自甘肅。第二主成分主要為橋?qū)?L4)，與張麗麗對(duì)兩種蝗蟲主成分分析的第三成分相一致[21]，因此次橋?qū)捒梢宰鳛榛认x鑒別的特征之一。

綜上所述，加強(qiáng)蝗蟲雄性外生殖器形態(tài)的研究和建立規(guī)范的描述體系，對(duì)探討蝗蟲的分類和系統(tǒng)發(fā)育都具有重要意義。