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长足大竹象(Cyrtotrachelus buqueti Guer)属鞘翅目象甲科弯颈象属,又名竹横锥大象,毁灭性危害慈竹、水竹、绿竹等,在国内广泛分布于广东、广西、贵州、重庆、四川等地,一年发生一代,老熟幼虫8、9月入土,在地下经历老熟幼虫-蛹-成虫3个发育阶段于次年6、7月成虫出土,寡食丛生竹笋,在笋梢部取食、交配、产卵[1-2]。其幼虫生长在隐蔽的笋尖,蛹生活在地表以下,成虫全身坚硬,前期生活在地表以下,出土后生活在林间,既能飞行,又能爬行,其生存能力极强。在长足大竹象的研究方面,主要集中在其生物学特性、害虫防治、行为学如交配、产卵行为等方面[2-6]。形态学上,梁爽[7]、汪淑芳等[8]解剖研究了长足大竹象雌雄虫生殖系统的构造,杨瑶君等[9]应用电镜扫描分析了该虫成虫触角的超微结构,梁梓等[10]利用扫描电镜观察了长足大竹象成虫前胸背板和鞘翅的超微结构,刘阳[11]等研究了长足大竹象幼虫、成虫消化道的形态结构特征。呼吸代谢是昆虫维持生命和繁衍种群的基础 [12-13],有关长足大竹象呼吸系统形态结构的研究尚未见报道。
本文应用解剖和扫描电镜技术,主要研究以下2个问题:1)观察长足大竹象幼虫、蛹、成虫呼吸系统的形态结构,分析不同发育阶段呼吸系统的差异;2)研究幼虫、蛹、成虫呼吸系统的结构特点,探索该结构如何适应生命活动与生活习性。以期为研究长足大竹象的生物学特性及系统分类提供理论依据。
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在体视解剖镜下观察到长足大竹象的气门结构如图1、2、3。可知长足大竹象成虫共有9对气门,分别位于前胸与中胸的节间膜上、中胸与后胸的节间膜上、腹部1~6节两侧的侧膜上以及腹部末节的背板前端两侧各一对,结构分布图示如图1。每对气门均为有效气门,属多气门型。根据控制气门开闭的部位,长足大竹象成虫的前胸、腹部气门属于内闭式气门,外观呈不规则椭圆形(见图2A,C,D);而中胸气门与其余气门差异较大,外观呈闭合弓形(见图2B),属外闭式气门。各部位的气门大小不一,分别测量各气门的长短轴,结果见表1。中胸气门最大,气门直径3 041.82±84.64 μm,其次是前胸气门,长轴直径2 200.74±257.65 μm,短轴直径821.81±65.55 μm,明显较腹部气门大,腹部1~7节气门大小呈递减趋势。
前胸气门具有围气门片,表面光滑,无疏水性毛状物(见图2A、图3A);气门腔口呈椭圆形,内壁略向外突起。胸部2对气门及第7腹节气门周围均无疏水性毛状物(见图2A、B、D)。腹部1~6节气门,分布于每一体节两侧的侧膜上,气门周围均有疏水性毛状物(见图2B、图3B),形态上无明显差异。
气门腔内壁表皮质突形成棘状的过滤机构,又称筛板[15],外观呈二唇形(见图3)。长足大竹象成虫气门的筛板呈3种形态:一种呈刺状覆盖在内壁表面,末端分支较少且长(见图4a);一种呈鳞片状覆盖,末端分支多且短,呈梳状,层次分明(见图4b);另一种呈嵴状排列,突起顶端有锯齿状的缺刻(见图4c)。前两种位于气门腔口的唇形活瓣上,后者位于气门腔内。这些筛板具有防止水分、灰尘和微生物等外物侵入的功能。长足大竹象不同部位气门的筛板数量有差异,胸部气门内的筛板数量多于腹部气门,与气门大小的排序相对应,呈递减趋势。
Figure 2. Anatomy form of prothorax (A), mesothorax (B), 1-6th abdominal segment(C), 7th abdominal segment (D) spiracles of adult
Figure 3. SEM of prothorax (A), 1−6th abdominal segment (B), 7th abdominal segment (C) spiracles of adult
气门位置
spiracles position气门长轴
long axis/μm气门短轴
minor axis/μm前胸气门 prothorax 2 200.74±257.65 821.81±65.55 中胸气门mesothorax 3 041.82±84.63 / 第1腹节气门Segment 1 857.70±94.24 446.82±45.01 第2腹节气门Segment 2 730.27±76.42 377.68±29.31 第3腹节气门Segment 3 653.56±25.51 373.00±26.75 第4腹节气门Segment 4 664.47±27.11 357.74±27.22 第5腹节气门Segment 5 622.18±29.07 346.64±31.68 第6腹节气门Segment 6 341.35±36.43 201.76±27.30 第7腹节气门Segment 7 305.50±28.35 200.29±42.95 Table 1. Size of spiracles on different parts of adult
Figure 4. SEM of spiny (a), scaly (b), lirellate (c) filtrate mechanism on spiracular atrium wall of adult
长足大竹象幼虫体表无明显的气门结构,扫描电镜下观察到气管口(见图5A)。幼虫体表着生大量芽状的棘刺,密度约为16 842个/mm2(见图5C),而气管口附近有直径约为200−500 μm光滑无棘刺的圆形区域(见图5A、B),中心处基部着生有一根毛状物,长度约为30~800 μm,有的气管口周围表皮有小的刺状齿突(见如图5A-a)。气管口结构的数量较多,大小不一,在体表其余部位多为单生(见图5A-b),分布无规律,仅在虫体两侧及尾部成对分布(见图5A-c、A-d)。幼虫尾部体表结构呈小盾片,端部突起为尖锐的针芒状,与体节棘刺有明显差异,排列更紧密,密度约为17 466个/mm2(见图5D)。
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气管是由虫体壁内陷形成的管道系统,向内分出许多分支。长足大竹象的气管为淡黄色或白色透明,主气管分布于体内两侧,连接各气门气管;气管的最前端与口器相连,二级气管分出三级气管及微气管伸入各组织器官。主气管下分为3条主要支气管:伸向背面的背气管,分支分布至背肌;伸向腹面的腹气管,分支至腹肌及腹神经索;伸向中部的分支分布至消化道、脂肪体、生殖系统等的内脏气管。总的来说,成虫主气管较粗,支气管较细而短,气囊丰富,胸部、尾部气门气管间形成腹气管连锁;幼虫气管发达,主气管较细,支气管数量多且较成虫粗而密集,无气囊。
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幼虫气管对称分布于虫体内两侧,整体呈白色透明,有两条明显的侧纵干(见图6A),直径约为815 μm,侧纵干与体壁有10个紧密连结的结点,无气门气管,结点处呈淡黄色,分支出3条气管分支(见图6B),分别为背气管、腹气管、内脏气管,未发现横向的气管连锁。二级气管长度为8 800~14 200 μm,直径为475~645 μm,不断分支形成微气管伸向背部及腹部的组织处。幼虫主气管较细,但气管分支发达,分支明显较粗且密集,且无气囊结构。
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蛹的气管系统兼具幼虫和成虫的一些特点。两条侧纵干对称分布于虫体两侧,直径约为1 025 μm,每条侧纵干与体壁共10个结点,气门气管不明显;结点处有许多较细的气管分支,尚未完全分化形成气囊或背腹气管,微气管发达;前胸、中胸及尾部结点处各发出1条支气管与另一侧纵干相连通,构成横向的气管连锁(见图7A)。蛹的气管较幼虫少,主气管较粗,分布与排列与成虫气管系统相似,但分支气管均很细,且无气囊结构。蛹气管系统充分显示出蛹期的组织解离和重组的过程。
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成虫气管最前端与口器相连,体壁的气门延伸出一小段气门气管与主气管连通(见图8A、B),成虫体内每一气门都具有独立的气门气管;主气管较粗,直径约为1 175~1 495 μm。成虫主气管及各气管分支上着生丰富的白色囊状结构,即气囊(如图8B、C),该结构大小不一,直径为305~940 μm;气囊是气管局部膨大形成的,在充盈状态下呈梭形结构,它的主要作用是容纳较多的空气在体腔,以减轻身体的重量,增加飞行时浮力,并协助气管交换气体。气囊结构与成虫飞行、捕食、繁殖等生活习性相适应。
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气管内壁以内褶或局部加厚的方式形成螺旋盘绕状的内脊,称为螺旋丝(见图9)。成虫螺旋丝直径约3.46 μm,幼虫约4.12 μm。扫描电镜下可见气管内壁有皮质突起形成的网状结构,幼虫气管内膜的网状结构上零星地散布着很多直径0.1~0.25 μm的圆形颗粒。