美國白蛾觸角感器超微結構1)

狄貴秋 馬慶輝 馬維超 孟昭軍 嚴善春

(東北林業大學，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，是我國林業重大檢疫害蟲之一，原產北美，1979年首次在中國遼寧發現[1-2]。其繁殖力強，食量大，危害的植物達百余種，對園林樹木、經濟林、農田防護林等造成嚴重的危害，已對農林產業造成巨大經濟損失[3]。有研究者[2-4]通過電生理和行為學試驗研究發現，美國白蛾寄主桑樹揮發物β-羅勒烯和順2-戊烯-1-醇對雄蛾分別有引誘和驅避作用，β-羅勒烯可提高雌雄交配率和產卵率，順2-戊烯-1-醇對雌雄交配率和產卵率無顯著影響。對美國白蛾性信息素組分研究發現，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]。國內外已將美國白蛾性信息素制成誘芯廣泛用于蟲情監測。

昆蟲觸角是調節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雜環境，從而產生定位寄主、交配、產卵以及趨避等行為[8]。不同昆蟲的感器類型、數量、結構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[9]。對鱗翅目昆蟲觸角感器研究發現，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]。研究觸角超微結構，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制的基礎。本研究借助掃描電鏡，觀察美國白蛾觸角超微結構，了解其雌雄蛾觸角感器類型、數量及分布，為進一步研究嗅覺感受機制奠定基礎，為探索新的防治途徑和方法提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試昆蟲

美國白蛾卵采自山東省濟南市商河縣白蠟林地。人工飼料購自中國林科院森林生態環境與保護研究所昆蟲病毒研發中心。把卵置于光照培養箱內孵化、飼養。飼養條件：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。

1.2 樣品制備

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數50%、70%、80%、90%、95%和100%乙醇溶液進行梯度脫水各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上，用Quorum Q150T鍍膜儀進行噴金鍍膜。將制好的樣品在FEI quanta 200掃描電子顯微鏡進行拍照觀察。

1.3 數據處理

觸角感器的分類及命名標準參照Schneider[15]，圖像使用Image J_v1.8.0處理分析，數據使用Excel2016處理分析。

2 結果與分析

2.1 美國白蛾觸角形態概述

美國白蛾觸角具有性別二態性，雌性觸角形態為鋸齒狀，雄性觸角為雙櫛齒狀，也稱羽毛狀(圖1)。雌雄觸角均由柄節、梗節、鞭節3部分組成。柄節上部膨大，背覆鱗片，基部兩側分布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。梗節背面覆滿鱗片。鞭節約由45個亞節組成，其羽毛狀分支于縱軸腹面呈30°～90°夾角，夾角開口偏向外側；鞭節縱干及羽狀分支的背面覆滿鱗片，鞭節端部1/3的褶皺上有小孔(圖2a)；端部及基部鞭亞節感器類型較少；端部兩鞭亞節感器數量最少，基部兩鞭亞節次之；其他鞭亞節腹面及側面著生大量感器，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)。舌形感器為新發現的感器類型，為雄蛾觸角所特有。

圖1 美國白蛾觸角形態

2.2 美國白蛾觸角感器類型及特征

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)，位于鞭節腹面和側面，是數量最多的感器類型。毛形感器表面有螺旋紋(圖2f)，基部至末端漸細，觸角端亞節毛形感器數量極少甚至無。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：表中數據為平均值±標準差，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在鞭節端亞節位于該節中間位置，在其余各亞節均沿羽狀分支(或鋸齒)方向分布于分支端部臼狀窩內，個別彎曲SCH分布于羽狀分支側面偏下位置。數量一般為每亞節2個，雄蛾鞭節第1端亞節及中間少數亞節為4個，鞭節基部第1亞節無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)，數量較少，著生于鞭節腹面。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，位于鞭節各亞節羽狀分支近端部的腹面側緣，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在每個鞭亞節兩側各有1～5個，鞭節基部少有發現，且雄蛾數量多于雌蛾。SCO-Ⅱ無緣毛(圖2f)，感器呈錐形，位于凹陷腔內，數量少于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位于鞭節各亞節分支(或鋸齒)腹面邊緣外側面，鞭節基部少有發現。

2.2.5 栓錐形感器(SST)

栓錐形感器(SST)基部褶皺，栓端部光滑，端部凹陷內著生一個小錐形突。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，在鞭節端亞節有1個(圖2b)，其余亞節各有2個，分別位于各亞節端部兩側，偶爾在個別鞭亞節的一側有2個。

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數量較少，著生于觸角梗節和鞭節背面圓腔內，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，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，數量多于長錐形感器(圖2m)。BB于柄節兩側成簇分布。

2.2.8 舌形感器(SL)

舌形感器(SL)短粗，端鈍，基部至端部漸細，單側彎曲，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)。僅在雄蛾鞭節羽狀分支腹面發現2個(圖2k、n)。

3 討論

昆蟲的各種復雜生命活動主要依靠嗅覺系統實現，觸角上著生大量感器，作為嗅覺系統的主要載體發揮作用。觸角上感器的種類、數量和分布等受多種因素影響，如性別、觸角形態、所處環境、習性和食性等[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于柄節兩側成簇著生，SSQ于梗節和鞭節背面著生，余下感器主要分布于鞭節腹面羽狀分支。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及種類

ST是昆蟲觸角中最普遍存在的感器，通常數量最多，具有嗅覺和味覺功能，主要感知性信息素等[20]，對雄蛾尋找雌蛾交配具有重要作用。本研究結果發現，在美國白蛾觸角上，ST數量最多，分布最廣，且雄蛾數量明顯多于雌蛾；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元和受體可能主要位于ST-Ⅰ中。SB主要具有機械感受和嗅覺感受的功能[16]，內部結構與感知信息素的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，其功能可能是協助雄蛾尋找雌蛾。

美國白蛾SCH于各鞭亞節均有分布，為觸角上最長的感受器。這可能與SCH主要作為機械感器，最先接觸棲境，感受機械刺激有關[15，20-21]。此外，SCH也可以參與味覺功能，感受碳氫化合物[22]，Jiang et al.[23]發現棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)雌蛾觸角SCH可表達味覺受體(GRs)，識別D-果糖。SST的著生位置及數量與SCH相近，除鞭節端亞節和基部第1亞節外，均著生于鞭節腹面羽狀分支上。有研究認為，SST前端的錐狀感器，是觸角內容物的延伸，具有感受化學、溫濕度及機械的功能[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物等棲境條件的功能，協助雌蛾尋找適宜產卵場所。

SCO根據形態可分為具緣毛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]，也有研究發現沙漠蝗蟲(Schistocercagregaria)的SCO還具有表達離子型受體(IRs)的功能[29]。本研究中，雌蛾SCO-Ⅱ長度大于雄蛾，推測其可能與識別植物氣味，協助雌蛾產卵選擇有關。

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)中均有發現[4，30-32]，但其功能目前尚未清楚，有推測認為其具有機械感受的功能[33]，該推測有待進一步電生理和行為實驗研究。

BB在昆蟲中普遍存在，位于美國白蛾觸角柄節兩側，由長短兩種錐狀感器組成。BB作為機械感器，有感知重力，改變方向等作用[15]。夾竹桃天蛾(Daphnisnerii)BB有調節飛行時觸角角度和方向的作用，當去除該感器時，觸角會發生碰撞[34]。本研究中新發現的美國白蛾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有關，有待進一步研究。

4 結論

綜上所述，美國白蛾觸角雄性為雙櫛齒狀，雌性為鋸齒狀。在雌雄觸角上共發現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。本研究結果為后續研究美國白蛾觸角感器的功能及相關分子機制奠定了基礎。