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電子顯微技術(shù)在昆蟲學(xué)研究中的應(yīng)用及進(jìn)展

2024-12-11 00:00:00郭子坤張國(guó)云李怡萍袁向群
關(guān)鍵詞:昆蟲學(xué)技術(shù)

摘要:本文概述了電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)、分類與用途,并簡(jiǎn)介透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、反射電子顯微鏡和發(fā)射電子顯微鏡的工作原理,綜述電子顯微技術(shù)在昆蟲觸角、單眼與復(fù)眼、口器、發(fā)聲器、外生殖器、不同蟲態(tài)體表特征、內(nèi)部器官、分類以及病理學(xué)等方面的應(yīng)用與研究進(jìn)展。基于對(duì)已有文獻(xiàn)的綜合分析,提出建議:在條件許可的情況下,今后的昆蟲學(xué)研究應(yīng)拓展視野,引入冷凍電子顯微鏡技術(shù);開發(fā)可對(duì)活體昆蟲進(jìn)行電子顯微學(xué)觀察的技術(shù)與方法,使研究工作更加切合實(shí)際;在注重超微結(jié)構(gòu)研究的同時(shí),協(xié)同采用電化學(xué)、酶學(xué)與放射性示蹤等技術(shù)手段,探明昆蟲各種感器、發(fā)聲器、生殖器超微結(jié)構(gòu)與生理功能的關(guān)系,為有害昆蟲的綜合防控與資源昆蟲的開發(fā)利用提供支持。

關(guān)鍵詞:電子顯微學(xué); 技術(shù); 昆蟲學(xué); 應(yīng)用及進(jìn)展

中圖分類號(hào):Q96;TB302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-8151(2024)06-0036-12

世界上首臺(tái)透視電子顯微鏡由恩斯特·盧斯卡和馬克斯·克諾爾于1931 年研制成功,此后電子顯微技術(shù)快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究中。尤其在材料學(xué)[1-2]、醫(yī)學(xué)[3-4]、植物學(xué)[5-6]與動(dòng)物學(xué)[7-8]等領(lǐng)域,電子顯微技術(shù)協(xié)助研究人員取得一系列科研成果。電子顯微技術(shù)在昆蟲學(xué)研究中也被大量采用,研究者通過選取不同種類的昆蟲,制作不同組織或器官的電鏡切片,選擇相應(yīng)的電子顯微鏡開展微觀結(jié)構(gòu)觀察,在不同的方向均取得有價(jià)值的研究結(jié)果。然而,該技術(shù)在昆蟲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及研究進(jìn)展鮮有報(bào)道。

鑒于此,本文對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)在昆蟲學(xué)研究中涉及電子顯微技術(shù)的文獻(xiàn)作了歸納分析,總結(jié)該技術(shù)在昆蟲觸角[9-11]、單眼與復(fù)眼[12-14]、口器[15-17]、發(fā)聲器[18-20]、外生殖器[21-23]、不同蟲態(tài)體表特征[24-27]、內(nèi)部器官[28-30]、分類[31-33]以及病理學(xué)[34-35]等方面的應(yīng)用結(jié)果。通過分析探討,提出現(xiàn)有研究中存在的不足之處及解決方法,期望本研究的結(jié)果能對(duì)后續(xù)研究者有所借鑒。

1 電子顯微技術(shù)的類型

電子顯微技術(shù)是一種利用高分辨率和高放大倍率的電子顯微鏡對(duì)觀測(cè)對(duì)象進(jìn)行特征分析(如超微結(jié)構(gòu)觀察、能量色散X 射線譜分析)的技術(shù),該技術(shù)通過不同用途與成像原理的電子顯微鏡實(shí)現(xiàn)。

電子顯微鏡有3 個(gè)組件,分別是鏡筒、真空裝置和電源柜[36]。其中主要組件為鏡筒,呈柱狀,內(nèi)含電子源、電子透鏡、樣品架、熒光屏和探測(cè)器等。電子透鏡相當(dāng)于光學(xué)顯微鏡中的玻璃透鏡,只不過它不是聚焦可見光,而是用作聚焦電子束,電子透鏡有磁透鏡和靜電透鏡2 種。電子源則包括釋放自由電子的陰極、柵極與環(huán)狀加速電子的陽極。樣品架既可固定樣品,還可通過移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、加熱、降溫、拉長(zhǎng)等改變樣品的狀態(tài)。熒光屏作用是將電子影像轉(zhuǎn)化為可見光影像,以供研究者觀察。探測(cè)器用以收集電子信號(hào)或次級(jí)信號(hào)。真空裝置提供了顯微鏡內(nèi)的真空狀態(tài),使得電子束在其路徑上不會(huì)被吸收或偏轉(zhuǎn),它由機(jī)械真空泵、擴(kuò)散泵和真空閥門等組成,并通過抽氣管道與鏡筒相聯(lián)接。電源柜由高壓發(fā)生器、勵(lì)磁電流穩(wěn)流器和各種調(diào)節(jié)控制單元組成。一般按結(jié)構(gòu)、用途與成像原理,電子顯微技術(shù)可分為透射式、掃描式、反射式和發(fā)射式4 種形式。

1. 1 透射式電子顯微技術(shù)

透射式電子顯微技術(shù)是通過透射式電子顯微鏡來實(shí)現(xiàn),此鏡成像是由電子槍發(fā)射出高速電子束,經(jīng)過 1~2 級(jí)聚光鏡會(huì)聚后均勻照射到樣品的某一待觀察微小區(qū)域,入射電子與樣品發(fā)生碰撞與非碰撞,由于樣品極薄(電子的穿透能力很弱,因此樣品必須極薄),大部分電子穿透樣品,其強(qiáng)度分布與所觀察樣品區(qū)的超微形態(tài)、組織、結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)。透射出樣品的電子經(jīng)過物鏡、中間鏡和投影鏡的三級(jí)磁透鏡放大投射在觀察圖像的熒光屏上,熒光屏把電子強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)化為人眼可見的光強(qiáng)分布,于是在熒光屏上顯出與樣品超微形態(tài)、組織、結(jié)構(gòu)相應(yīng)的圖像,以供觀察[37]。透射式電子顯微鏡因電子束穿透樣品后,再用電子透鏡成像放大而得名,所以主要用于觀察記錄樣品的三維空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)電子束穿透樣品時(shí),難免會(huì)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)造成損傷,一般采用負(fù)染色法來減輕損傷,即在可接觸的分子表面涂上含有重原子的試劑,但圖像分辨率較低。1974 年,Taylor 和導(dǎo)師Glae?ser[38]首次發(fā)現(xiàn)冷凍于低溫下的生物樣品可以在真空的透射電鏡內(nèi)耐受高能電子束輻射并保持高分辨率結(jié)構(gòu),由此開啟了冷凍電子顯微技術(shù)的研發(fā)之路。冷凍電子顯微技術(shù)也叫冷凍電鏡技術(shù),本質(zhì)上是在低溫下(常在液氮或液氦中進(jìn)行冷凍)使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術(shù)。

1. 2 掃描式電子顯微技術(shù)

掃描式電子顯微技術(shù)實(shí)施的儀器為掃描式電子顯微鏡,該鏡是利用聚焦高能電子束在樣品表面逐步掃描,激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào),隨后根據(jù)各種信號(hào)的產(chǎn)額大小,將信號(hào)放大,以明暗相間的圖像形式表現(xiàn),從而呈現(xiàn)樣品表面特征[39]。由于這種顯微鏡中電子不必透射樣本,因此對(duì)電子束加速的電壓要求不是非常高。從成像原理可見,掃描式電子顯微技術(shù)主要用于觀察與研究固體表面的超微結(jié)構(gòu)。

1. 3 反射式電子顯微技術(shù)

反射式電子顯微技術(shù)的運(yùn)用離不開反射式電子顯微鏡,它是通過電子束以一定的掠射角打擊樣品表面,表面不同部位的散射(反射)電子聚焦在透鏡后不同位置,沿Z 軸移動(dòng)樣品可將選定的樣品部位聚焦在選定的像平面上產(chǎn)生樣品表面像和反射高能電子衍射花樣。所以反射式電子顯微技術(shù)可用于材料的表面結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度以及化學(xué)成分等信息的獲取。比如,獲取材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)等信息,晶片表面缺陷、雜質(zhì)分布的檢測(cè)等,以及生物組織和細(xì)胞表面超微結(jié)構(gòu)的觀察[36]。

1. 4 發(fā)射式電子顯微技術(shù)

發(fā)射式電子顯微技術(shù)利用二次電子或背散射電子成像,對(duì)樣品表面放大一定的倍數(shù),實(shí)現(xiàn)超微形態(tài)觀察。同時(shí),利用電子激發(fā)出樣品表面的紫外線、同步輻射、特征X 射線對(duì)微區(qū)成分進(jìn)行定性與定量分析。攜帶信息的電子束發(fā)射來自樣品,造成電子發(fā)射的能量源可以是熱(熱離子發(fā)射)、光(光電子發(fā)射)、離子或中性粒子,但不包括場(chǎng)發(fā)射和其他涉及點(diǎn)源及尖端的發(fā)射[40]。該技術(shù)是一種表面敏感技術(shù),因?yàn)榘l(fā)射的電子來自被觀測(cè)樣品的淺層,適用于樣品表面微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)。

昆蟲學(xué)研究文獻(xiàn)中大多采用掃描式電子顯微技術(shù)和透射式電子顯微技術(shù),反射式電子顯微技術(shù)和發(fā)射式電子顯微技術(shù)極少見到。

2 電子顯微技術(shù)在昆蟲學(xué)中的應(yīng)用

2. 1 昆蟲觸角的超微結(jié)構(gòu)

昆蟲觸角的超微結(jié)構(gòu)研究主要針對(duì)其表面各種感器的形態(tài)觀察與分類而展開,由于感器都位于觸角的表面,一般使用掃描式電子顯微技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

十余年來學(xué)者對(duì)曲紋稻弄蝶(Parnaraganga)[9]、小黃鰓金龜(Metabolus flavescens)[10]、小黑棕金龜(Apogonia chinensis)[10]、毛黃鰓金龜( Ho?lotrichia trichophora)[11]、赤絨鰓金龜(Maladera ver?ticalis)[11]和黑絨鰓金龜(Maladera orientalis)[11]、桃蛀螟(Conogethes punctiferalis)[41] 、梨小食心蟲(Grapholita molesta)[41]和桃白小卷蛾(Spilonota al?bicana)[41]、小菜蛾(Plutella xylostella)[42]、美國(guó)白蛾(Hyphantria cunea)[43]、綠翅絹野螟(Diaphania an?gustalis)[44]、Earias vittella[45]、棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)[46]和枸杞線角木虱(Bactericera gobica)[47]等的觸角感器做了深入研究(表1)。

由表1 可見,昆蟲幼蟲觸角感器類型較少,成蟲觸角感器類型較多,以6~8 種居多。其中,毛型感器、刺型感器、耳型感器、腔錐型感器、鱗型感器與B?hm's 鬃毛為最常見;有些感器又可分為2~3種不同的亞型。

目前,推測(cè)觸角感器可以對(duì)機(jī)械力、溫度、信息素分子等加以識(shí)別。比如,感器對(duì)外界碰觸、空氣流動(dòng)、空氣濕度、大氣壓力等的感觸屬于對(duì)機(jī)械力信息的識(shí)別范疇,機(jī)械力與環(huán)境溫度信息應(yīng)該作用于感器后引發(fā)感器上神經(jīng)興奮,由神經(jīng)纖維直接將信息傳至神經(jīng)中樞。信息分子則通過感器進(jìn)入昆蟲血液,與受體蛋白結(jié)合,通過神經(jīng)元將化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信息,最終傳至神經(jīng)中樞,所以識(shí)別信息分子的感器多屬于嗅覺感器。隨著技術(shù)手段的進(jìn)步,今后對(duì)不同感器信息接受與傳遞路徑與機(jī)理的了解一定會(huì)越來越詳盡。另外,對(duì)昆蟲觸角節(jié)間連接的超微結(jié)構(gòu)研究很少見到,這對(duì)觸角在空間的移動(dòng)及姿勢(shì)調(diào)整的機(jī)理探討意義重大,其結(jié)果有仿生學(xué)價(jià)值。

2. 2 昆蟲單眼與復(fù)眼的超微結(jié)構(gòu)

2016 年,陳慶霄等[12]研究了蝎蛉科(Panorpi?dae)大雙角蝎蛉(Dicerapanorpa magna)幼蟲復(fù)眼的超微結(jié)構(gòu),其幼蟲復(fù)眼屬于并列像眼,含50 多個(gè)小眼。每個(gè)小眼由1 個(gè)角膜、1 個(gè)晶體、8 個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞、2 個(gè)初級(jí)色素細(xì)胞和數(shù)個(gè)次級(jí)色素細(xì)胞等組成;視網(wǎng)膜細(xì)胞有4 個(gè)遠(yuǎn)端細(xì)胞和4 個(gè)近端細(xì)胞,遠(yuǎn)端細(xì)胞的視小桿向上延伸包裹晶體的基部,使視桿末端呈漏斗狀。王茁[13]于2019 年報(bào)道了利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡,對(duì)玫瑰黃腹三節(jié)葉蜂(Arge pagana)幼蟲側(cè)單眼的研究結(jié)果,側(cè)單眼包含大約1000 個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞,相鄰的8 個(gè)或9 個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞聚成一簇,共形成大約100 個(gè)視桿;含8 個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞的視桿和含9 個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞的視桿分別位于區(qū)域I 和區(qū)域II,區(qū)域I位于側(cè)單眼中央,區(qū)域II 位于側(cè)單眼后緣;在區(qū)域II 的外側(cè)分布著色素細(xì)胞束,這些色素細(xì)胞束從角膜生成細(xì)胞的遠(yuǎn)端延伸至視網(wǎng)膜細(xì)胞的近端。

人們對(duì)昆蟲視網(wǎng)膜和基底基質(zhì)(basal matrix ,BM)下色素細(xì)胞類型的了解相對(duì)有限。2020 年,Mohr 等[14]在赤眼蜂(Trichogramma evanescens)二維透射電子顯微鏡切片中觀察到色素細(xì)胞形成的視網(wǎng)膜下色素屏障,這些細(xì)胞出現(xiàn)在基底基質(zhì)下方,并形成一個(gè)單獨(dú)群體。連續(xù)切片透射電子顯微鏡的三維重建結(jié)果揭示,赤眼蜂的視網(wǎng)膜下色素屏障不是由單一細(xì)胞類型形成的,而是由穿透基底基質(zhì)間隙的側(cè)邊緣色素細(xì)胞的延伸所形成。由于在赤眼蜂的基底基質(zhì)上方既不存在次生色素細(xì)胞的色素延伸,也不存在錐體細(xì)胞突起延伸中的色素顆粒,因此側(cè)緣細(xì)胞的視網(wǎng)膜下延伸可以被視為對(duì)小型化的功能適應(yīng),以保持近端屏障功能。2021 年,Guo 等[48]利用掃描和透射電子顯微鏡研究捕食性昆蟲黑紋花蝽(Montandoniola moraguesi)復(fù)眼形態(tài)和超微結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示黑紋花蝽每只復(fù)眼含有約195 個(gè)小眼,每個(gè)小眼都有一個(gè)直徑約為9 μm、厚約7 μm 的層壓角膜晶狀體,一個(gè)長(zhǎng)約5. 5 μm 的晶體錐(形似遠(yuǎn)端大于近端的啞鈴),8 個(gè)長(zhǎng)約25. 6 μm 的簇狀視網(wǎng)膜細(xì)胞,2 個(gè)初級(jí)色素細(xì)胞和8個(gè)次級(jí)色素細(xì)胞。8 個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞(2 個(gè)細(xì)長(zhǎng)和6 個(gè)外周視網(wǎng)膜細(xì)胞)的橫紋肌節(jié)形成1 個(gè)圓形分層橫紋肌節(jié)。R7 和R8 細(xì)胞的橫紋肌節(jié)沿著錐體的基底外側(cè)表面分布,形成1 個(gè)中心融合的橫紋肌瘤,幾乎橫跨整個(gè)小眼。外周橫紋?。≧1~R6)的微絨毛呈放射狀排列,在中心橫紋肌內(nèi)形成雙葉V 形。

有關(guān)昆蟲單眼與復(fù)眼超微結(jié)構(gòu)研究的文獻(xiàn)較少,不同種、不同屬及不同科同一蟲態(tài)(幼蟲或成蟲)眼的超微結(jié)構(gòu)比較研究更是鮮見報(bào)道。今后有望通過大量對(duì)比探究,總結(jié)昆蟲單眼與復(fù)眼超微結(jié)構(gòu)上的共性及不同種類眼的特性,構(gòu)建單眼與復(fù)眼超微結(jié)構(gòu)理論模型。另外,昆蟲單眼與復(fù)眼超微結(jié)構(gòu)受控基因及其表達(dá)的研究也應(yīng)給予加強(qiáng),若取得進(jìn)展,可通過基因致盲對(duì)有害昆蟲進(jìn)行無公害防控。

2. 3 昆蟲口器的超微結(jié)構(gòu)

昆蟲口器有5 種基本類型,即咀嚼式、嚼吸式、刺吸式、舐吸式和虹吸式,其中咀嚼式最原始,后4種均由咀嚼式演化而來。

在口器超微結(jié)構(gòu)上,2008 年以來,學(xué)者以梭毒隱翅蟲(Paederus fuscipes)[15]、閃藍(lán)束毛隱翅蟲(Di?anous coeruleotinctus)[15]、瘦突眼隱翅蟲(Stenustenuipes)[15]、中華蚊蝎蛉(Bittacus sinensis)[16]、對(duì)雙委夜蛾(Athetis dissimilis)[17]、煙草嘎葉蟬(Alobal?dia tobae)[49]、電光葉蟬(Maiestas dorsalis)[49]、Stire?llus indrus[49]、在寬脛夜蛾(Protoschinia scutosa)[50]和弄蝶科17 種(5 亞科,16 屬)[51]昆蟲等為對(duì)象,觀察了口器上唇、內(nèi)唇、下唇須、上顎、外顎葉、下顎須等部位的感器,并對(duì)其作了分類描述(表2)。由表2 可見,與昆蟲觸角上感器相比,口器上感器類型數(shù)量較少,多數(shù)為3~5 類,說明口器上感器感觸的信息譜不如觸角感器寬泛。除毛型感器、錐型感器、刺型感器、栓錐型感器和腔錐型感器等在觸角與口器都有見到外,口器上還發(fā)現(xiàn)柱型感器、簇狀感器、指型感器、掌型感器和棒型感器,這5 類感器在觸角上很少見,有必要對(duì)其生理功能進(jìn)行深入研究。

2. 4 昆蟲發(fā)聲器超微結(jié)構(gòu)

2002 年,謝令德等[18]對(duì)小音蟋(Phonarellusminor)、黃足音蟋(Phonarellus flavipes)和利特音蟋(Phonarellus ritsemae)的聲銼和聲齒超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,結(jié)果表明,聲銼中部略彎曲,聲齒的不規(guī)則橢圓形為其屬共有特征;拐角大小、聲齒兩端形狀、聲齒數(shù)、聲齒頂緣線等特征在種間存在明顯差異,而種內(nèi)差異不明顯。李玲等[19]于2013 年利用掃描電鏡觀察并描述了曲紋花天牛(Lepturaarcuata)、光肩星天牛(Anoplophora glabripennis)和栗山天牛(Massicus raddei)發(fā)音器的超微形態(tài)結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)雌性和雄性發(fā)聲器的形態(tài)、大小、音齒數(shù)目、分布及排列等存在種間差異,3 種天牛前胸背板后緣前端均生長(zhǎng)有整齊的硬毛,這些硬毛結(jié)構(gòu)在天牛的聲音通訊方面起著重要作用。

2021 年,Chen 等[20]記錄了兩色姬螽(Metriop?tera bicolor)2 種翅形態(tài)的鳴聲,并在掃描電子顯微鏡下觀察了聲波發(fā)生器,發(fā)現(xiàn)盡管2 翅形態(tài)在聲學(xué)信號(hào)上存在差異,但形態(tài)結(jié)構(gòu)上無明顯差異。2022 年,Yang 等[52]對(duì)柑橘鳳蝶(Papilio xuthus)蛹的發(fā)聲器形態(tài)進(jìn)行了掃描電鏡觀察,并使用Au?dacity 軟件分析所捕獲的聲音信號(hào),結(jié)果表明,柑橘鳳蝶蛹的發(fā)聲器位于腹部第4、5 節(jié)和第5、6 節(jié)的節(jié)間膜上。發(fā)聲器由具多層甲殼素的刮器和板組成,刮器和板上有50~90 個(gè)突起;當(dāng)蛹的腹部被寄生蜂觸角刺激30 s 以上時(shí),刮器和板會(huì)迅速相互摩擦,腹部反復(fù)擺動(dòng)發(fā)出聲音;蛹發(fā)出的聲音由一系列每2000~3000 ms 發(fā)生3 次的短脈沖組成,頻帶很寬,主要分布在5~20 kHz;新鮮蛹和越冬蛹的活性不同,聲強(qiáng)也不同。該研究結(jié)果還支持一些蛹對(duì)寄生生物進(jìn)化出一種特殊的防御機(jī)制(聲學(xué)防御)的假說。通過比較2 種生境柑橘鳳蝶蛹的聲波特征,研究者提出同一物種在不同地理區(qū)域可以產(chǎn)生“方言”的假說[52]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于昆蟲發(fā)聲器超微結(jié)構(gòu)研究的報(bào)道比較少,至于昆蟲聽覺器官的電鏡觀察文獻(xiàn)尚未檢索到。以上研究表明,研究人員不但對(duì)成蟲發(fā)聲器的超微結(jié)構(gòu)做了研究,而且也有針對(duì)蟲蛹發(fā)聲器超微結(jié)構(gòu)的研究??傊^大多數(shù)的研究是在成蟲上展開,對(duì)雌雄成蟲發(fā)聲器超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,認(rèn)為其結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致聲音上產(chǎn)生顯著差別。在后續(xù)研究中,應(yīng)該把發(fā)聲器超微結(jié)構(gòu)研究成果應(yīng)用于人工模擬發(fā)聲器的研制上,在有害昆蟲求偶期通過投放雌性人工模擬發(fā)聲器達(dá)到擾亂求偶、誘集雄蟲并消滅的目的。

聲音的發(fā)生與聲音信號(hào)的接收是一個(gè)完整的信息傳播途徑,所以建議把昆蟲發(fā)聲器與其聽覺器官統(tǒng)一起來進(jìn)行觀察,研究二者在超微結(jié)構(gòu)上是如何契合的。

2. 5 昆蟲外生殖器超微結(jié)構(gòu)

洪健等[22]運(yùn)用掃描電子顯微技術(shù)觀察虎鳳蝶屬中華虎鳳蝶(Luehdorfia chinensis)、長(zhǎng)尾虎鳳蝶(L. longicaudata)、烏蘇里虎鳳蝶(L. puziloi)和日本虎鳳蝶(L. japonica)雄性外生殖器,發(fā)現(xiàn)抱器、鉤狀突、陽莖、陽莖軛片的超微結(jié)構(gòu)存在差異。針對(duì)昆蟲外生殖器不同部位超微細(xì)節(jié)的比較研究鮮有報(bào)道,多數(shù)文獻(xiàn)則聚焦于外生殖器的感器,如云斑天牛(Batocera horsfieldi)[23]、灰地種蠅(Deliaplatura)[53]、霍氏嚙小蜂(Tetrastichus howardi)[54]、扶桑綿粉蚧(Phenacoccus solenopsis)[55]和黑肩綠盲蝽(Cyrtorhinus lividipennis)[56] 等(表3)。由表3可見,昆蟲外生殖器上感器一般有2~7 種,以4 種的居多,其中毛型感器、錐型感器、刺型感器和栓錐型感器也常見于昆蟲觸角與口器。為什么不同的器官上分布有同類感器? 它們?cè)谟|角、口器及外生殖器上的生理功能是否相同? 發(fā)育是否同源?對(duì)這些問題的研究還未見報(bào)道。

2. 6 昆蟲不同蟲態(tài)體表超微結(jié)構(gòu)

齊寶瑛等[31]利用掃描電子顯微鏡觀察了網(wǎng)蝽科11 屬18 種成蟲及2 種若蟲的體表特征,發(fā)現(xiàn)成蟲體表存在2 類感覺結(jié)構(gòu),包括幾乎遍布腹部背板的小瘤突(呈半球形、錐形或短指形)和多位于背板兩側(cè)的感覺窩(呈火山口狀);若蟲體表沒有與成蟲相同的感覺結(jié)構(gòu),但2 種若蟲體表存在一種形似平臺(tái)的結(jié)構(gòu),遍布頭、前胸背板、翅芽、腹部背板,且在背板的前緣更加密集。張迎春等[57]利用掃描電鏡觀察研究4 種昆蟲鞘翅超微結(jié)構(gòu)的差異,葉甲科的楊葉甲(Chrgsomela populi)和柳二十斑葉甲(Chuysomela vigintip unctsta)鞘翅體表不被毛,具凹陷,有一細(xì)毛自凹陷中伸出;瓢蟲科的菱斑食植瓢蟲(Epilachna insignis)和銀蓮花食植瓢蟲(Epilachna convexa)鞘翅體表被毛,凹陷中不著生細(xì)毛。Alencar 等[58]在掃描電子顯微鏡下觀察軻蚊屬(Coquillettidia albifera)卵的超微結(jié)構(gòu)和形態(tài)計(jì)量學(xué),發(fā)現(xiàn)卵呈橢圓型,前區(qū)細(xì)長(zhǎng),管狀,長(zhǎng)(661±2. 59) μm,寬(183±2. 59) μm( 長(zhǎng)寬比3. 61±0. 08),背表面覆蓋六邊型、五角型和矩型絨毛膜網(wǎng)絡(luò),結(jié)節(jié)隨機(jī)分布。珠孔盤的直徑為(18. 91±0. 65) μm,周圍有1 個(gè)厚度為(4. 4±0. 3) μm 的連續(xù)隆起環(huán)。

表皮碳?xì)浠衔铮–HCs)是昆蟲表皮的重要組成部分,直接關(guān)系昆蟲的發(fā)育與生存。昆蟲特異性CYP4G 亞家族酶屬于P450 酶,催化CHCs 生物合成中的氧化脫羰步驟。Wang 等[59]使用RNA干擾介導(dǎo)的表達(dá)沉默揭示NlCYP380C10 基因在水稻害蟲褐飛虱(Nilaparvata lugens)表皮防水與保水中的作用,敲除NlCYP380C10 可顯著降低褐飛虱體重并導(dǎo)致死亡;掃描電鏡結(jié)果顯示,注射dsNlCYP380C10 的成蟲,其腹部角質(zhì)層表面的脂質(zhì)層丟失。Manuela 等[60]則使用掃描和透射電子顯微鏡研究了黑水虻(Hermetia illucens)的幼蟲和蛹角質(zhì)層的超微結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)CaCO3 存在于幼齡幼蟲的角質(zhì)層中,主要以無定形碳酸鈣的形式存在,其含量隨幼蟲發(fā)育而增加,CaCO3 的存在導(dǎo)致角質(zhì)層硬化。幼蟲和蛹的角質(zhì)層含有大量的彈性蛋白,保證了角質(zhì)層的柔韌性。

盡管對(duì)昆蟲體表微觀結(jié)構(gòu)的研究涉及所有蟲態(tài),即成蟲、幼蟲、蛹及卵,但大多只描述體表超微特征,很少闡明昆蟲體表超微結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。

2. 7 昆蟲內(nèi)部器官超微結(jié)構(gòu)

電子顯微技術(shù)應(yīng)用于昆蟲內(nèi)部器官的研究亦有報(bào)道。李怡萍等[29]采用電鏡觀察棉大卷葉螟(Sylepta derogata)、黃刺蛾(Cnidocampa flave?scens)、玫瑰三節(jié)葉蜂(Arge pagana)等幼蟲的氣管系統(tǒng),研究顯示:氣管結(jié)構(gòu)與體壁相似,但層次相反,從氣管腔的內(nèi)表面開始向外,依次為表皮質(zhì)內(nèi)膜、管壁細(xì)胞層和底膜;表皮質(zhì)內(nèi)膜分為表層、上表皮層與原表皮層,上表皮層分為外上表皮層和內(nèi)上表皮層,原表皮層分為外表皮和內(nèi)表皮,表皮質(zhì)內(nèi)膜局部加厚形成螺旋絲。李怡萍等[30]運(yùn)用電鏡與亞甲基藍(lán)標(biāo)記法觀察粘蟲(Leucania sepa?rata)和棉大卷葉螟(Sylepta derogata)幼蟲的肺結(jié)構(gòu)與功能,表明肺存在于第8 腹節(jié)的氣管處,該處氣管分支細(xì)短而豐富,形成氣管簇;血流方向由前向側(cè)后方,經(jīng)第8 腹節(jié)和臀腔,最后流回心臟;第8腹節(jié)氣管簇的管壁比其它各節(jié)顯薄,管壁內(nèi)膜具有更多適合運(yùn)動(dòng)的細(xì)管,有利于氣體的通透。Li 等[61]通過電鏡和光鏡觀察麥紅吸漿蟲(Sitodiplosis mo?sellana)幼蟲絲腺的超微結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)滯育和非滯育幼蟲的絲腺均由156 個(gè)呈念珠狀的細(xì)胞組成,細(xì)胞內(nèi)含有發(fā)達(dá)的細(xì)胞器,包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體和脂滴;非滯育幼蟲的細(xì)胞器比滯育幼蟲更發(fā)達(dá),此形態(tài)特征可用于區(qū)分幼蟲的滯育狀態(tài)。

中腸是昆蟲消化道的重要組成部分,馬氏管是昆蟲重要的排泄與滲透調(diào)節(jié)器官,劉璐[62]于2018 年對(duì)長(zhǎng)翅目(Mecoptera)蝎蛉科(Panorpidae)和蚊蝎蛉科(Bittacidae)的中腸與馬氏管做了電鏡觀察,結(jié)果表明:這2 個(gè)科幼蟲中腸從外到內(nèi)依次由肌肉層、基膜、上皮組織和管腔組成,上皮細(xì)胞基部細(xì)胞膜內(nèi)折或與基膜密切相連;中腸表面縱肌在河南新蝎蛉(Neopanorpa longiprocessa)中排列稀疏,但是在扁蚊蝎蛉(Bittacus planus)中排列緊密。蝎蛉科和蚊蝎蛉科馬氏管均有6 根,由基膜、上皮組織和中央管腔組成;上皮細(xì)胞的基部細(xì)胞膜深度內(nèi)折并產(chǎn)生膜迷路,上皮組織由較大的主細(xì)胞和較小的的星狀細(xì)胞組成,纏繞蚊蝎蛉(Terrobittacus implicatus)主細(xì)胞富含球晶體,微絨毛端部膨大且含有線粒體,而南五臺(tái)單角蝎蛉(Cerapanorpa nanwutaina)主細(xì)胞不含球晶體,微絨毛纖細(xì)不含線粒體。

Nunez-Pascual 等[63]利用共聚焦和透射電子顯微鏡觀察革翅目(Dermaptera)的Forficula auricu?laria 和Euborellia annulipes 特異性多營(yíng)養(yǎng)化卵巢的形態(tài)發(fā)生。Nurcan 等[64]使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)I. speciosus 的雄性生殖系統(tǒng)解剖和組織學(xué)進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示,I. speciosus 的雄性內(nèi)生殖系統(tǒng)由1 對(duì)睪丸(每個(gè)睪丸都有1 對(duì)單獨(dú)的睪丸葉)、2 對(duì)輸精小管、1 對(duì)輸精管和1 個(gè)射精管組成。每個(gè)睪丸葉大約含有65 個(gè)睪丸卵泡,睪丸葉均通過輸精小管與輸精管相連。輸精管腔內(nèi)充滿大量成熟的精子,輸精小管上皮細(xì)胞呈圓柱形,輸精管上皮細(xì)胞則呈立方形。輸精管通過射精管通向陽莖,射精管由脊?fàn)顑?nèi)膜層、單層上皮細(xì)胞和肌肉層構(gòu)成。

2. 8 昆蟲超微結(jié)構(gòu)特征的分類學(xué)價(jià)值

1996 年,齊寶瑛等[31]對(duì)網(wǎng)蝽科18 種成蟲及2種若蟲進(jìn)行電鏡觀察,根據(jù)體表感覺結(jié)構(gòu)(小瘤突和感覺窩)的主要特征將所觀察的11 個(gè)屬大致劃分為6 個(gè)類群,證實(shí)體表感覺結(jié)構(gòu)的差異性在屬水平上具有分類學(xué)意義,在屬的鑒別上是一類可靠而適用的新型特征依據(jù),對(duì)屬內(nèi)某些種的區(qū)分具有一定參考價(jià)值。彭凌飛等[32]于2010 年將掃描電鏡技術(shù)應(yīng)用于中國(guó)寬額蛾蠟蟬屬的分類研究,認(rèn)為盡管新種三色寬額蛾蠟蟬(Bythopsyrna trichrousa sp.nov.)與B. circulata 的外形很近似,但其雌雄外生殖器有明顯區(qū)別,電鏡照片顯示,新種的觸角感覺器只分布在第2 節(jié),且圍繞四周分布;雌性肛節(jié)和第3 產(chǎn)卵瓣上分布有蠟腺,這盡管與蛾蠟蟬一些種類相類似,但是形狀和排列方式差異較大;據(jù)觀察,蛾蠟蟬科有些種類的肛節(jié)沒有蠟腺。2011 年,李曉強(qiáng)[33]運(yùn)用掃描電鏡技術(shù)比較了10 種蟋蟀的發(fā)聲器和前翅表面的微觀結(jié)構(gòu),并且利用每種蟋蟀的聲齒間距、聲齒和聲銼的長(zhǎng)度進(jìn)行聚類分析,結(jié)果表明:發(fā)聲器的聲銼部分在種間的差異性明顯,可作為分類的主要特征,刮器部分僅在科間存在一定差異,對(duì)分類單元的確立起到輔助作用;前翅表面的微毛結(jié)構(gòu)在科間存在較大差異,種間無明顯差異,翅背面結(jié)構(gòu)在科、屬間存在較大差異,種間無明顯差異,二者可作為蟋蟀分類的輔助手段;采用電鏡技術(shù)對(duì)吉林省蟋蟀總科部分種類微觀結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果與形態(tài)學(xué)分類結(jié)果相吻合,說明其進(jìn)化的平行性,同時(shí)也證明掃描電鏡技術(shù)可以鑒定出形態(tài)學(xué)難以區(qū)分的近緣種,彌補(bǔ)形態(tài)學(xué)方法的不足。

鱗翅目卵殼的結(jié)構(gòu)對(duì)分類學(xué)研究具有重要意義,Xu 等[65]首次使用掃描電子顯微鏡描述Zinaspayoungi 卵的表面超微結(jié)構(gòu),認(rèn)為具有高分辨率和三維清晰度的超微結(jié)構(gòu)特征在分類應(yīng)用上非常有價(jià)值。Su 等[66]用光學(xué)顯微鏡和透射電鏡觀察了條沙葉蟬(Psammettix striatus)和橫線葉蟬(Exitia?nus nanus)成熟精子的超微結(jié)構(gòu),雖然與其他亞科的精子相比存在7 個(gè)相似之處,但是精子長(zhǎng)度、頂體突起、精子核、線粒體衍生體等在亞科之間具有明顯差異,這些差異在葉蟬亞科分類和系統(tǒng)發(fā)育研究中具重要意義。Symonds 等[67]首次對(duì)澳大利亞南部針葉樹(Callitris)屬中的直翅目昆蟲進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查和分類,并對(duì)其中的代表物種進(jìn)行掃描電子顯微結(jié)構(gòu)觀察和描述。

綜上所述,有研究者認(rèn)為體表感覺結(jié)構(gòu)(小瘤突和感覺窩)的差異具備分類學(xué)意義,有的認(rèn)為雄性外生殖器超微結(jié)構(gòu)的差異可作為分類鑒定依據(jù),還有人認(rèn)為聲銼與聲齒超微結(jié)構(gòu)的不同具有分類學(xué)意義,甚至有人主張鱗翅目的卵殼與葉蟬成熟精子的超微結(jié)構(gòu)可作為分類依據(jù)。超微結(jié)構(gòu)特征能否在昆蟲分類上發(fā)揮更大作用,關(guān)鍵在于發(fā)現(xiàn)同屬不同種之間超微結(jié)構(gòu)的顯著差異,甚至種下不同亞種之間的顯著差異,因?yàn)閭鹘y(tǒng)的形態(tài)分類法可以輕易解決昆蟲在屬及以上分類單元(如綱、目、科)的區(qū)分問題。

2. 9 昆蟲病理組織的超微結(jié)構(gòu)

2013 年,Marzban 等[34]采用透射電鏡和掃描電鏡觀察棉鈴蟲(Helicoverpa armigera)感染細(xì)胞質(zhì)多角體病毒(HaCPV)后中腸細(xì)胞的病理學(xué)變化。結(jié)果表明,宿主幼蟲感染1~2 d 后,在中腸柱狀細(xì)胞中觀察到HaCPV 多面體包涵體(PIB),其直徑為0. 5~3. 5 μm,病毒顆粒直徑約46 nm。一些感染的柱狀細(xì)胞在3 d 后破裂,將PIB 釋放到腸腔中;感染5~6 d 后,杯狀細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)PIB。2016 年,Mo?hammadyani 等[35]使用掃描電鏡記錄球孢白僵菌(Beauveria bassiana)和綠僵菌(Metarhizium aniso?pliae)在長(zhǎng)角甲蟲(Osphranteria coerulescens)幼蟲上引起的病理變化過程,認(rèn)為長(zhǎng)角甲蟲對(duì)2 種真菌都敏感,但球孢白僵菌的致死率顯著高于綠僵菌。2017 年,Gao 等[68]用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察受蠟蚧輪枝菌(Lecanicil?lium lecanii)菌株3. 4505 侵染的白蠟綿粉蚧(Phe?nacoccus fraxinus)2 齡若蟲的組織病理學(xué)變化。結(jié)果顯示,接種后24 h,3. 4505 菌株的分生孢子粘附在蟲體表面的節(jié)間皺褶上。隨后分生孢子萌發(fā),產(chǎn)生芽管、附著胞和延伸的菌絲,以附著胞形式或直接通過菌絲穿透角質(zhì)層;48 h 后,體壁、組織和器官,包括角質(zhì)層、氣管、脂肪體、肌肉、馬氏管和神經(jīng)節(jié)等被菌絲分枝破壞。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)肥大并形成明顯的指紋結(jié)塊,血細(xì)胞中的線粒體腫脹變形。最后菌絲完全占據(jù)整個(gè)血腔;幼蟲身體包裹于白色菌絲中,菌絲向外延伸。2023 年,She 等[69]從罹患軟腐病的幼蟲體內(nèi)分離出病原體GX6,經(jīng)鑒定為硫胺素類芽孢桿菌(Paenibacillus thiaminolyticus),用GX6 孢子處理幼蟲時(shí),未觀察到對(duì)其生長(zhǎng)的顯著影響,當(dāng)把GX6 營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞接種到培養(yǎng)基中時(shí),6 d 齡光亮扁角水虻幼蟲的死亡率增加到29. 33%±2. 05%,透射電子顯微鏡觀察表明,GX6 破壞了圍食期基質(zhì)和腸道微絨毛,損傷了幼蟲腸道的上皮細(xì)胞。

在已有的報(bào)道中,關(guān)于昆蟲因真菌與病毒感染導(dǎo)致的病變組織超微結(jié)構(gòu)觀察較多,未來應(yīng)加強(qiáng)對(duì)細(xì)菌性與線蟲性病害引起的昆蟲病理組織超微結(jié)構(gòu)的研究,以及寄生性昆蟲對(duì)宿主昆蟲組織損傷的超微觀察,以期為害蟲生物防治研究工作的深入開展奠定基礎(chǔ)。

3 電子顯微技術(shù)在昆蟲學(xué)研究中存在的不足

通過對(duì)已有文獻(xiàn)的綜述,發(fā)現(xiàn)盡管電子顯微技術(shù)在昆蟲研究中的應(yīng)用越來越廣泛,但目前仍存在以下問題:(1)大多數(shù)關(guān)于昆蟲超微結(jié)構(gòu)的研究與昆蟲生理及生活習(xí)性的研究未能協(xié)同進(jìn)行。生命體的組織與器官結(jié)構(gòu)服務(wù)、甚至決定其生理機(jī)能與生活習(xí)性,僅明確超微結(jié)構(gòu)的空間狀態(tài)、數(shù)量與分布,但不清楚此種結(jié)構(gòu)的生理功能或?qū)ι盍?xí)性的影響,顯然不夠完備。在以后的研究中,可以把昆蟲超微結(jié)構(gòu)觀察與其行為學(xué)、生理學(xué)等研究結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科交叉探究,以便從昆蟲生理功能上理解其超微結(jié)構(gòu)的意義與價(jià)值。(2)對(duì)昆蟲超微結(jié)構(gòu)編碼基因的探索有限,將超微結(jié)構(gòu)的研究與昆蟲分子學(xué)研究結(jié)合展開的報(bào)道較少。生物體的構(gòu)造與結(jié)構(gòu)也是由其特定基因編碼的,昆蟲亦不例外,由電子顯微鏡觀察到的昆蟲超微結(jié)構(gòu)僅是其基因的表現(xiàn)型而已??梢岳美ハx基因組注釋研究的成果,在明確研究對(duì)象特定部位編碼基因的基礎(chǔ)上,采用基因敲除法逐一排除非目標(biāo)基因,以確定編碼基因。(3)目前的電子顯微學(xué)技術(shù)在昆蟲研究上尚存在成本高、顯微切片制作時(shí)易破壞原有組織結(jié)構(gòu)、不能直接掃描活體昆蟲等弊端。該問題的解決方案一是提高觀察儀器的共享水平,在行業(yè)內(nèi)開放共用,通過業(yè)務(wù)量的提升降低使用成本;二是不斷開發(fā)電子顯微切片所需的新型廉價(jià)材料;三是創(chuàng)新切片制作工藝與技術(shù),使新技術(shù)與新工藝既可降低制片成本,也能最大限度地保護(hù)昆蟲組織結(jié)構(gòu)的完整性;四是研發(fā)無需切片,通過電子束直接照射待查部位,即可成像的新型電鏡技術(shù),以實(shí)現(xiàn)活體昆蟲的電鏡觀察。(4)對(duì)昆蟲超微結(jié)構(gòu)圖片的處理分析大多要依賴人工完成,效率低、準(zhǔn)確性不高??蓪?duì)已有昆蟲超微結(jié)構(gòu)電鏡圖片進(jìn)行整理,出版昆蟲超微結(jié)構(gòu)高清圖集,或者開發(fā)分析軟件,供科研人員參考使用,提高解析昆蟲電鏡圖片的效率與準(zhǔn)確性。

4 展望

基于以上對(duì)電子顯微技術(shù)原理與應(yīng)用的介紹,及其在昆蟲學(xué)研究中不足之處分析,建議在今后加強(qiáng)如下工作:(1)在昆蟲觸角感器的電鏡觀測(cè)中,結(jié)合生物電化學(xué)的研究方法,通過探究不同感器的電化學(xué)信號(hào)變化規(guī)律來明確其生理機(jī)能。(2)對(duì)昆蟲發(fā)聲器超微結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)輔以聲學(xué)與生物力學(xué)的測(cè)定技術(shù),探明不同超微結(jié)構(gòu)與發(fā)聲器官振幅及頻率的關(guān)系,為人工發(fā)聲器的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。(3)在昆蟲外生殖器超微結(jié)構(gòu)的研究上,結(jié)合昆蟲求偶行為進(jìn)行深入探究。(4)加強(qiáng)電子顯微技術(shù)在昆蟲消化系統(tǒng)超微結(jié)構(gòu)觀察上的應(yīng)用,結(jié)合酶學(xué)、放射性示蹤等技術(shù)研究昆蟲消化系統(tǒng)的功能。(5)將冷凍電子顯微技術(shù)應(yīng)用到昆蟲學(xué)研究中,對(duì)參與昆蟲生理生化反應(yīng)的蛋白酶進(jìn)行解構(gòu)分析。(6)總結(jié)具有分類特征的昆蟲超微結(jié)構(gòu)研究結(jié)果,為分類工作提供借鑒;同時(shí),嘗試研發(fā)便攜式超微結(jié)構(gòu)掃描儀器,方便野外研究工作的開展。(7)不應(yīng)局限于電子顯微技術(shù),可探索將CT 掃描成像技術(shù)和核磁共振成像技術(shù)應(yīng)用于昆蟲學(xué)研究,使切片觀察過渡到整體標(biāo)本觀察或活體昆蟲觀察,并比較這2 種研究方法與電鏡觀察結(jié)果的異同,有望獲得新發(fā)現(xiàn)。(8)條件許可時(shí),可利用掃描隧道顯微技術(shù)和原子力顯微技術(shù),在原子精度(0. 1 nm)對(duì)昆蟲超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,尤其對(duì)微米級(jí)別的感器作組織構(gòu)成解析(目前的研究結(jié)果主要為感器形狀、分布等的描述)。(9)研究人工智能技術(shù)在昆蟲超微結(jié)構(gòu)照片分析中的應(yīng)用問題,以提高效率與準(zhǔn)確度。

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(編輯:馬榮博)

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(32270486)

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