麥長管蚜有翅型與無翅型外部形態比較研究

張方梅, 李祥瑞, 張云慧, 程登發

(中國農業科學院植物保護研究所,植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京 100193)

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麥長管蚜有翅型與無翅型外部形態比較研究

張方梅, 李祥瑞, 張云慧, 程登發*

(中國農業科學院植物保護研究所,植物病蟲害生物學國家重點實驗室, 北京 100193)

本研究結合體式顯微鏡和掃描電鏡,對有翅型與無翅型麥長管蚜各齡期的外部形態進行詳細測量和系統觀察。結果表明:1)麥長管蚜1、2齡若蚜外部形態無明顯差別,觸角均為5節;2)3齡有翅若蚜中胸發達,可見初生翅芽,至成蟲期發育為完整的翅;3齡無翅若蚜中胸結構簡單,未見翅芽, 3齡至成蚜觸角均為6節;3)1齡若蚜尾片呈瘤狀,著生2根剛毛;2、3、4齡若蚜尾片呈圓錐形;有翅成蚜尾片呈長錐形,無翅成蚜呈長舌狀,2齡若蚜至成蚜尾片均著生6根以上剛毛。本文首次探討了麥長管蚜有翅型與無翅型成、若蚜外部形態的差異,并分析了其與麥長管蚜的生活史、遷移特性等特征之間的關系,以期為麥長管蚜分化的相關機理研究提供參考。

麥長管蚜; 外部形態; 觸角; 尾片; 有翅型與無翅型

麥長管蚜[Sitobionmiscanthi(Takahashi)]是為害我國麥類作物的優勢種群,主要為害小麥穗部和旗葉,導致小麥灌漿不足,引起小麥減產減質。蚜蟲具有典型的擴散多型性,受環境因子和遺傳因子的調節,在發育過程中可以產生兩種不同的生物型:有翅型和無翅型[1-2]。有翅蚜具有發達的飛行肌、復雜的復眼和寄主選擇感覺器官,而無翅蚜缺少翅且胸部肌肉組織不發達。有翅蚜和無翅蚜的差異不僅體現在形態上,也包含生活史和行為上[3]。有翅蚜具有較長的發育歷期和繁殖期,而無翅蚜發育歷期和繁殖期較短,但具有較強的生殖能力[4]。當蚜蟲密度升高,寄主營養質量惡化時,會產生有翅蚜遷飛到新的寄主;無翅蚜則大多停留在原地,不進行擴散。

表型可塑性是指有機體在外界環境條件下的不同表型的表達能力,容易受到外界環境條件和遺傳因子的控制,在昆蟲的形態多樣性的進化過程中發揮重要的作用。蚜蟲是研究翅二型性的理想昆蟲,其翅型分化是內在因子與外在環境條件共同作用的結果。國內外關于翅型分化及其調控機理等方面的研究已經做了大量工作,主要涉及其生態學、生理學、細胞學、遺傳學及分子機制等方面[5-9]。蚜蟲形態學研究表明,有翅型與無翅型外部形態的主要差異在于3齡階段是否存在翅芽[10-12]。組織學研究也已經明確,在許多的蚜蟲類群中,出生時都有一個翅原基[13],只是在發育成為無翅型的過程中翅原基發生退化。Ishikawa等[10]在組織學水平上研究了豌豆蚜[Acyrthosiphonpisum(Harris)]翅發育的過程,發現所有的1齡若蚜均具有翅原基,在2齡階段無翅若蚜翅原基發生退化,而有翅若蚜的翅原基繼續發育,開始增厚。此外,不同性別的蚜蟲其翅原基退化過程也存在差異,無翅胎生雌蚜翅原基消失和飛行肌原基的退化均發生在2齡,而無翅雄性蚜翅原基消失在3齡,飛行肌原基在整個生活史中都存在[11,14]。

本研究結合體視顯微鏡和掃描電鏡技術,對有翅型和無翅型麥長管蚜各齡期的外部形態進行詳細測量和系統觀察,通過比較有翅型和無翅型外部形態的差異,為麥長管蚜翅型分化的調控機理、組織學、生物學及化學生態學研究提供參考,也為麥蚜的遷飛擴散、寄主選擇和綜合防控等方面提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試蟲飼養及收集

麥長管蚜成蟲采自農業部廊坊作物有害生物科學觀測實驗站小麥田中(39°30′42″N,116°36′7″E),在室內連續飼養多代。取麥長管蚜無翅成蟲單獨飼養于直徑9 cm的一次性培養皿中,鋪入定性濾紙,噴施清水,保持濕潤。培養皿內放入3～4根水培新鮮小麥(‘北京837’,感蚜品種)供蚜蟲取食,每隔3 d更換1次。飼養條件:溫度(20±1)℃、光周期L∥D=16 h∥8 h、相對濕度50%～70%。待成蚜產若蚜后,單頭接種于新的培養皿中,保證飼喂條件一致。逐日觀察其蛻皮次數,收集各齡若蚜及成蚜。

1.2 形態測量樣品的制備

將收集好的各齡期若蚜及成蚜用雙面膠固定于載玻片上,利用Olympus SZX16體視顯微鏡對各齡期若蚜及成蚜進行形態測量,每個齡期觀察20頭,記錄各齡若蚜及成蚜的頭寬(兩復眼間距)、中胸長度(包括前翅芽或前翅)和后足脛節長度。

1.3 掃描電鏡樣品的制備

取已收集好的麥長管蚜各齡若蚜及成蟲,用75%的乙醇清洗3次,超聲波清洗儀間斷清洗30 s;再經30%、50%、70%、80%、90%、100%乙醇梯度逐級脫水各20 min,無水乙醇重復2～3次。將各齡蟲體固定在電鏡載物臺上,CO2臨界干燥儀干燥,真空離子濺射儀噴金(Polaron E 5400 high-resolution sputter)。利用EI Quanta 200型掃描電子顯微鏡(FEI Company, 荷蘭)觀察記錄麥長管蚜各齡若蚜及成蟲、中胸、翅及尾片等的超微結構。

1.4 統計分析

利用SAS 9.1軟件進行統計分析,采用兩樣本平均數成組法t檢驗對有翅型和無翅型各齡期之間頭寬、中胸長度和后足脛節長度進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 麥長管蚜有翅型與無翅型各齡期若蚜及成蚜形態測量比較

體視顯微鏡形態測量結果表明:麥長管蚜1、2齡若蚜之間除了體型大小有差別外,在其他外部形態上沒有明顯差別,而3、4齡有翅和無翅若蚜及成蚜的頭寬、中胸長度和后足脛節長度均有差異。結果顯示:麥長管蚜3齡有翅和無翅若蚜的頭寬分別是:(0.315±0.024)mm和(0.304±0.022)mm(P>0.05),差異不顯著;4齡有翅和無翅若蚜的頭寬分別是:(0.352±0.022)mm和(0.327±0.025)mm(P<0.01);有翅和無翅成蚜的頭寬分別是:(0.321±0.032)mm和(0.350±0.022)mm(P<0.01),4齡若蚜和成蚜兩翅型頭寬之間存在極顯著差異(圖1)。麥長管蚜3齡有翅和無翅若蚜的中胸長度分別為:(0.268±0.034)mm和(0.223±0.035)mm(P<0.01),4齡有翅和無翅若蚜的中胸長度分別為(0.919±0.072)mm和(0.237±0.041)mm(P<0.01);有翅和無翅成蚜的中胸長度分別為:(3.218±0.435)mm和(0.295±0.052)mm(P<0.01),在3齡若蚜至成蚜的3個齡期中兩翅型中胸長度之間均存在極顯著的差異(圖2)。麥長管蚜3齡有翅和無翅若蚜的后足脛節長度分別為:(0.733±0.092)mm和(0.693±0.070)mm(P>0.05);4齡有翅和無翅若蚜的后足脛節長度分別為(1.024±0.116)mm和(0.941±0.034)mm(P>0.05),有翅和無翅成蚜的后足脛節長度分別為:(1.335±0.153)mm和(1.307±0.142)mm(P>0.05),3齡若蚜至成蚜的3個發育階段兩翅型后足脛節差異均不顯著(P>0.05)(圖3)。

圖1 麥長管蚜有翅蚜和無翅蚜各齡期若蚜及成蚜頭寬比較(**:P<0.01)Fig.1 Comparisons of the head width among the nymphs of different instars and adults in winged or wingless forms of Sitobion miscanthi

圖2 麥長管蚜各齡期若蚜及成蚜中胸長度比較(**:P<0.01)Fig.2 Comparisons of the mesothoracic length among different nymphs and adults in winged or wingless forms of Sitobion miscanthi

圖3 麥長管蚜有翅蚜和無翅蚜各齡期若蚜及成蚜后足脛節比較Fig.3 Comparisons of the hind tibia length among different nymphs and adults in winged or wingless forms of Sitobion miscanthi

2.2 麥長管蚜不同齡期若蚜及成蚜中胸外部形態的比較

麥長管蚜1、2齡若蚜的胸部無明顯突起(圖4a,b),3齡以上若蚜已可從外部形態上肉眼區分無翅或有翅,3齡無翅若蚜中胸不發達(圖4c,e),而3齡有翅若蚜中胸較發達,側面可見前翅芽和后翅芽,翅芽間未出現重疊(圖4d,f);4齡無翅若蚜及無翅成蚜胸部結構較簡單(圖5a,c方框處),不具有翅結構。而4齡有翅若蚜的翅芽逐漸生長(圖5b,箭頭處),而且前翅芽發育較快,覆蓋后翅芽,有翅成蚜發達的胸部著生兩對發育完全的舒展的翅(圖5d)。

2.3 麥長管蚜不同齡期若蚜及成蚜觸角外部形態比較

不同齡期若蚜的觸角均與成蚜期外形相似,觸角分為3部分,柄節(scape)、梗節(pedicel)、鞭節(falgellum)(圖 6)。但隨著齡期的增長,觸角的各節長度及節數會發生變化,變化最明顯的是鞭節。1、2齡若蚜觸角節數相同,均為5節,鞭節(F)由3個鞭小節組成(圖6a,b),末端鞭小節的基半部正常,端半部向前延伸逐漸變細;3齡若蚜到成蚜觸角節數增加至6節,鞭節由4個鞭小節組成(圖6c, d, e)。有翅和無翅成蚜觸角外部形態上基本沒有差異。麥長管蚜不同齡期若蚜及成蚜觸角上,主要包括兩種感器:原生感覺器(Pr)和毛狀感覺器(St)(圖7),原生感覺器比較發達,周圍被表面形成的指狀突起環繞。而毛狀感覺器在各齡期間差異不大。此外有翅成蚜觸角上分布有次生感覺圈,而若蚜和無翅成蚜觸角上未發現。

圖4 麥長管蚜1、2、3齡若蚜外部形態掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron micrographs of the bodies of the 1st, 2nd, 3rd instar nymphs of Sitobion miscanthi

圖5 麥長管蚜4齡若蚜及成蚜外部形態的掃描電鏡圖Fig.5 Scanning electron micrographs of the bodies of the 4th instar nymphs and adults of Sitobion miscanthi

圖6 麥長管蚜各齡期若蚜及成蚜的觸角掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron micrographs of the antennae of the nymphs and adults of Sitobion miscanthi

圖7 麥長管蚜2齡若蚜觸角感器的掃描電鏡圖Fig.7 Scanning electron micrograph of the antennal sensilla of the 2nd instar nymph of Sitobion miscanthi

2.4 麥長管蚜不同齡期若蚜及成蚜尾片外部形態的比較

1齡若蚜尾片呈瘤狀,肉眼很難辨認清楚,著生有2根剛毛(圖8a,箭頭處),2齡若蚜尾片開始生長并上翹,長約為0.034 mm,著生的剛毛數量增至6根以上。隨著齡期的增長,麥長管蚜尾片的長度也相應增加(有翅蚜和無翅蚜尾片的長度分別為:3齡0.059和0.086 mm、4齡0.122和0.211 mm、成蚜0.179和0.343 mm),在無翅蚜的發育過程中尾片長度增長尤為明顯。未羽化為成蚜前,若蚜尾片完全不發育,呈圓錐形(圖8c,d,e,f),基部寬大,中部漸細,末端圓鈍,其兩側著生成對剛毛,背部著生1根剛毛。兩種翅型麥長管蚜自2齡至成蚜過程中,其尾片上的剛毛數量及形狀均未發生變化。待羽化為成蚜后,尾片發育完全,有翅成蚜尾片呈長錐形(圖8g),而無翅成蚜尾片呈長舌狀(圖8h)。

圖8 麥長管蚜有翅蚜和無翅蚜各齡期若蚜及成蚜尾片外部形態的掃描電鏡圖Fig.8 Scanning electron micrographs of the caudae of the nymphs and adults of Sitobion miscanthi

3 討論

頭寬(兩復眼間距)、中胸長度(包括翅芽和翅基線長度)和后足脛節長度是區別蚜蟲若蚜齡期或翅型的重要標準[9]。相對于無翅成蚜來說,有翅成蚜在擴散過程中需要發達的復眼發現寄主植物,復眼越發達,頭寬越窄[9]。本研究的形態測量結果也證實麥長管蚜的有翅成蚜和無翅成蚜頭寬之間存在極顯著差異,有翅成蚜的頭寬較窄。中胸長度可以反映蚜蟲翅是否分化,隨著齡期的增長中胸長度增加,麥長管蚜有翅蚜和無翅蚜3齡、4齡若蚜和成蚜中胸長度均存在極顯著的差異。與無翅若蚜的中胸長度相比,有翅蚜的中胸長度隨齡期增長的比例明顯較大,表明有翅蚜和無翅蚜最明顯的差異出現在3齡若蚜翅原基生長的中胸部位。后足脛節在蚜蟲的擴散遷移中發揮重要的作用。有翅成蚜飛行遷移到新的寄主植物后需要利用足去尋找適宜的寄主,而無翅蚜的擴散遷移的過程中也需要利用足[10]。后足脛節被認為是識別豌豆蚜[9-10]、豌豆修尾蚜(Megouracrassicauda)[10]、麥長管蚜[15]齡期的最優參數,隨著齡期的變化,每一齡期的后足脛節長度也呈現了明顯的增長,其長度無論在蚜蟲的種內還是種間均存在差異。本研究結果發現后足脛節長度在麥長管蚜不同齡期之間存在差異,但在有翅型和無翅型間沒有顯著差異,可見后足脛節的長度并不能作為確定麥長管蚜翅型的標準。

本研究表明麥長管蚜1、2齡若蚜無論肉眼還是電鏡均無法區分,只能依據其蛻皮的次數來確定其齡期。通過掃描電鏡在3齡階段可區別有翅和無翅若蚜,3齡后期也可在光學顯微鏡下觀察到中胸兩側的小翅芽。雖然1、2齡若蚜胸部外部形態無明顯差異,但在其表皮內部已著生有翅原基[13],出生前受母代影響或出生后外界環境因子影響,或者是兩者兼有,蚜蟲會呈現兩種型態,有翅蚜和無翅蚜[1]。不同蚜蟲翅型分化的敏感期不同,即使是同種蚜蟲的克隆個體翅形成的敏感期也存在差異[1]。豌豆蚜[10-11, 14]和巢菜修尾蚜(Megouraviciae)[16]翅發育的組織學研究已驗證,無翅若蚜在2齡階段翅原基開始發生退化。本研究描述了麥長管蚜翅型的外部形態差異,其無翅蚜翅原基退化的齡期及組織學特征,尚需要結合透射電鏡技術進一步研究。

不同種類的蚜蟲觸角節數存在差異,觸角節數還被用于區分蚜蟲的齡期。例如可以通過觸角節數判斷麥雙尾蚜(Diuraphisnoxia)的齡期[17]，該蚜蟲觸角節數1齡為4節,2、3齡為5節,4齡為5或6節,成蟲為6節,與麥長管蚜觸角節數變化規律不同。麥長管蚜觸角節數的分布是1、2齡5節,3齡至成蚜均為6節,這與之前報道的桃蚜(Myzuspersicae)和菊小長管蚜(Macrosiphoniellasanborni)[18]的觸角節數變化規律一致。此外,蚜蟲的觸角上分布著兩種感器,這些感覺器決定了其生活習性,包括寄主選擇、遷移及交配行為等[19-20]。麥長管蚜的原生感覺器比較發達,周圍被指狀突起環繞,有力地阻止外界物質進入。毛狀感覺器著生在觸角的各節,分布在不同部位的毛狀感覺器可能具有不同的功能,在蚜蟲的取食和遷移過程中,不僅可以協同其他感覺器對寄主植物進行選擇也可以防御天敵[21]。

同種不同齡期的蚜蟲其尾片形狀和體積也有差異。尾片的長度、形狀及著生的剛毛數量也常作為判斷齡期的標準。劉波[22]利用逐步判別分析法對無翅型豆蚜(Aphiscraccivora)齡期進行研究,將尾片的長度作為一個因子應用于豆蚜齡期判別模型的建立; Lykouressis[23]編制了麥長管蚜齡期檢索表,指出1齡若蚜尾片上著生2根剛毛,2齡至成蚜尾片上著生5根以上的剛毛,與本研究結果基本一致。

本研究詳細描述麥長管蚜有翅型與無翅型各齡期外部形態結構的差異,為確定麥長管蚜若蚜齡期,監測麥長管蚜種群動態提供理論基礎。但是完整準確地表述麥長管蚜有翅型和無翅型的形態差異,僅從外部形態上并不足以描述,尚需要結合透射電鏡技術,為進一步開展麥長管蚜后胚胎發育時期翅型分化的組織學及分子機制的研究提供參考。

[1] Müller C B, Williams I S, Hardie J. The role of nutrition, crowding and interspecific interactions in the development of winged aphids [J]. Ecological Entomology, 2001, 26(3): 330-340.

[2] Braendle C, Friebe I, Caillaud M C, et al. Genetic variation for an aphid wing polyphenism is genetically linked to a naturally occurring wing polymorphism [J]. Proceedings Biological Sciences / The Royal Society, 2005, 272(1563): 657-664.

[3] Brisson J A. Aphid wing dimorphisms: linking environmental and genetic control of trait variation [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2010, 365(1540): 605-616.

[5] Helden A J, Dixon A F G, Carter N. Environmental factors and morphological discrimination between spring and summer migrants of the grain aphid,Sitobionavenae(Homoptera: Aphididae)[J]. European Journal of Entomology, 1994, 91(1): 23-28.

[6] Braendle C, Caillaud M, Stern D. Genetic mapping of aphicarus-a sex-linked locus controlling a wing polymorphism in the pea aphid (Acyrthosiphonpisum)[J]. Heredity, 2005, 94(4): 435-442.

[7] Ghanim M, Dombrovsky A, Raccah B, et al. A microarray approach identifies ANT, OS-D and takeout-like genes as differentially regulated in alate and apterous morphs of the green peach aphid,Myzuspersicae(Sulzer)[J]. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 2006, 36(11): 857-868.[8] Brisson J A, Ishikawa A, Miura T. Wing development genes of the pea aphid and differential gene expression between winged and unwinged morphs[J]. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 2010, 19(s2): 63-73.

[9] Ishikawa A, Miura T. Morphological differences between wing morphs of two Macrosiphini aphidspeciesAcyrthosiphonpisumandMegouracrassicauda(Hemiptera, Aphididae)[J]. Sociobiology, 2007, 50(3): 881-893.

[10]Ishikawa A, Hongo S, Miura T. Morphological and histological examination of polyphenic wing formation in the pea aphidAcyrthosiphonpisum(Hemiptera, Hexapoda) [J]. Zoomorphology, 2008, 127(2): 121-133.

[11]Ogawa K, Ishikawa A, Kanbe T, et al. Male-specific flight apparatus development inAcyrthosiphonpisum(Aphididae, Hemiptera, Insecta): comparison with female wing polyphenism[J]. Zoomorphology, 2012, 131(3):197-207.

[12]郭蕭. 麥長管蚜與小麥互作及其翅發育和飛行肌降解[D]. 北京:中國農業科學院植物保護研究所,2010.

[13]Braendle C, Davis G K, Brisson J A, et al. Wing dimorphism in aphids [J]. Heredity, 2006, 97(3): 192-199.

[14]Ogawa K, Miura T. Two developmental switch points for the wing polymorphisms in the pea aphidAcyrthosiphonpisum[J]. EvoDevo, 2013, 4(1):30.

[15]徐向利,劉小俠,張青文,等. 麥長管蚜蟲齡鑒別特征[J]. 昆蟲學報, 2014, 57(1): 81-87.

[16]Ganassi S, Signa G, Mola L. Development of the wing buds inMegouraviciae: a morphological study [J]. Bulletin of Insectology, 2005, 58(2):101-105.

[17]張潤志,張軍,杜秉仁. 麥雙尾蚜的齡期鑒別[J]. 昆蟲學報, 1999, 42(s1): 26-30.

[18]Devi P B, Singh T K. Studies on the morphometry of the green peach aphid,Myzuspersicae(Sulzer) (Homoptera: Aphididae)[J]. Entomological Research, 2007, 37(2): 81-85.

[19]Bromley A K, Dunn J A, Anderson M. Ultrastructure of the antennal sensilla of aphids [J]. Cell and Tissue Research, 1979, 203(3): 427-442.

[20]張廣學,張軍,張潤志,等. 麥雙尾蚜形態結構的掃描電鏡觀察[J]. 昆蟲學報, 1999, 42(S1): 31-34.

[21]張峰,張鐘寧. 各型桃蚜觸角感器的比較研究[J]. 昆蟲學報, 2000, 43(s1): 131-136.

[22]劉波. 逐步判別分析在無翅型豆蚜蟲齡識別中的應用[J]. 福建農林大學院學報(自然科學版),1988,17(1):74-77.

[23]Lykouressis D P. Key for the identification of the instars of the English grain aphid,Sitobionavenae(F.) (Hemiptera: Aphididae)[J]. Entomologia Hellenica, 1983, 1(2): 47-51.

(責任編輯：田 喆)

Morphological examination of winged and wingless forms of the grain aphidSitobionmiscanthi

Zhang Fangmei, Li Xiangrui, Zhang Yunhui, Cheng Dengfa

(State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests, Institute of Plant Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

The external morphology of winged and wingless forms of the grain aphidSitobionmiscanthiwas studied by using stereo microscope and scanning electron microscopy. The results showed that: 1) There were no obvious external differences between the 1st and 2nd instar nymphs. The antennae of both instars had five segments. 2) The middle thorax of the winged nymph since the 3rd instar was greatly enlarged and the wing buds could not be identified until integral wing developed in winged aphid adults. However, the 3rd instar nymphs without wing buds became wingless adults. The antennae consisted of six segments from 3rd instar stage to adult. 3) The cauda of the 1st instar nymphs were tuberculiform-shaped, and armed with two acicular setae. It became conical shaped among 2nd, 3rd and 4th instar stages, and then was enlarged into long taper or long-tongue shaped in the winged or wingless adults, respectively. Additionally, more than 6 setae were present from 2nd instar stage. The differences in the morphology of winged and wingless forms ofS.miscanthiwere compared and the relationship with their life history and migration characteristics were discussed, which would provide theoretical basis for the study of the wing dimorphism of aphids.

Sitobionmiscanthi; external morphology; antenna; cauda; winged and wingless

2014-05-21

2014-08-13

國家自然科學基金(31301659);國家科技支撐計劃(2012BAD19B04);現代農業產業技術體系(CARS-03)

Q 964，S 435.122.2

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.04.010

* 通信作者 E-mail:dfcheng@ippcass.cn