譚暢,單瑤,2,周孝森,姚秋怡,蔡曉明,邊磊*
1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所,浙江 杭州 310008;2. 河南科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003
視覺信息是昆蟲搜索食物、定位寄主和飛行導(dǎo)航等行為的重要線索,昆蟲獲取的視覺信息質(zhì)量會(huì)受到自身復(fù)眼視覺能力的限制[1]。隨著昆蟲的生長(zhǎng)發(fā)育,其復(fù)眼的尺寸和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化,如一些蟻類和黃蜂復(fù)眼上小眼的數(shù)目會(huì)逐漸增加[2-4],小眼直徑增大[5-7]。復(fù)眼尺寸增加可以提高昆蟲識(shí)別視覺圖像的質(zhì)量,小眼數(shù)目的增加能提高視覺分辨率[8],小眼內(nèi)光受體的生長(zhǎng)可以提高其光靈敏度[9]。
昆蟲復(fù)眼的生長(zhǎng)與體型的生長(zhǎng)存在異速差異,復(fù)眼和體型的比例會(huì)隨著個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育逐漸縮小[6]。生物體的異速生長(zhǎng)規(guī)律符合冪函數(shù)[10],部分器官與主體特征之間異速生長(zhǎng)的關(guān)系可以用來預(yù)測(cè)器官在未來的變化和分析昆蟲對(duì)環(huán)境的適應(yīng)策略[11]。異速生長(zhǎng)指數(shù)和初始生長(zhǎng)指數(shù)是衡量生物體器官異速生長(zhǎng)的重要參數(shù),通過參數(shù)之間的對(duì)比可以分析器官在功能上的變化特征, 如沙漠螞蟻(Cataglyphis albicans、Cataglyphis bicolor和Cataglyphis fortis)和黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)復(fù)眼上小眼間角的異速生長(zhǎng)指數(shù)(-0.40 和-0.21)均低于小眼數(shù)目的異速生長(zhǎng)指數(shù)(0.75 和0.58)[3,12],說明這些昆蟲復(fù)眼的視敏度會(huì)隨著體型的增大而提高。異速生長(zhǎng)還可以表現(xiàn)在復(fù)眼的不同區(qū)域上,使這些區(qū)域分化為不同的特異性功能區(qū)[13],如苜蓿黃蝶(Colias eurytheme)羽化后個(gè)體之間在體型上存在差異,個(gè)體間復(fù)眼小眼間角的異速生長(zhǎng)指數(shù)在不同區(qū)域也存在差異[14],說明個(gè)體體型會(huì)影響苜蓿黃蝶復(fù)眼上特異性功能區(qū)的視覺能力。因此,聯(lián)系昆蟲復(fù)眼參數(shù)的異速生長(zhǎng)和視覺能力的變化特征,對(duì)衡量昆蟲的生長(zhǎng)發(fā)育是否伴隨著視覺能力的提升是必要的。
小眼間角是衡量并置復(fù)眼視覺分辨率的重要參數(shù),可通過組織學(xué)方法直接測(cè)定區(qū)域小眼的理論視敏度[15-16]。除此之外,通過觀測(cè)昆蟲區(qū)分垂直光柵或水平光柵所做出的行為反應(yīng)[17-19],明確昆蟲能區(qū)分的最細(xì)光柵條紋,同樣可以從行為上評(píng)估目標(biāo)昆蟲復(fù)眼的分辨率[20-21]。組織學(xué)方法得到的理論值可以提供復(fù)眼視敏度的具體范圍,由于昆蟲習(xí)性、光學(xué)像差和空間因素的影響,行為學(xué)測(cè)試得到的復(fù)眼分辨率通常低于組織學(xué)方法測(cè)定的理論上限[22-23],但卻能更好地代表昆蟲整體的視覺分辨率[24-25]。復(fù)眼的靈敏度是指光感受器捕獲光子的能力,與區(qū)域內(nèi)的小眼直徑、小眼接受角和視桿長(zhǎng)度相關(guān)[26],由于這些因素都受復(fù)眼體積的制約,所以復(fù)眼的光學(xué)靈敏度與復(fù)眼的大小密切相關(guān)。
小貫小綠葉蟬(Empoasca onukii)是茶樹上的重要害蟲,屬于不完全變態(tài)昆蟲,若蟲有5 個(gè)齡期[27],每次蛻皮后體型增大,復(fù)眼尺寸和小眼數(shù)量明顯增加。為了探明葉蟬的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)其視覺能力的影響,本研究采用組織學(xué)和行為學(xué)方法,測(cè)定不同齡期葉蟬的體型大小、復(fù)眼的光學(xué)靈敏度和視覺敏銳度,并采用異速生長(zhǎng)函數(shù)分析復(fù)眼視覺能力的異速生長(zhǎng)特征,最后通過模擬葉蟬的視覺能力評(píng)估其生長(zhǎng)發(fā)育過程中有效視距的變化,以期為深入研究葉蟬的行為生態(tài)學(xué)和研發(fā)無公害防治的技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。
小貫小綠葉蟬采自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所周邊茶園,采用龍井43 水培茶枝飼養(yǎng)。養(yǎng)蟲室溫度為24~27 ℃,相對(duì)濕度為65%~75%,光周期為14L∶10D。茶枝上葉蟬的卵孵化后,采集5 個(gè)齡期的若蟲和羽化1 d后的雌雄成蟲作為組織學(xué)和行為學(xué)試驗(yàn)樣本。
采集試蟲低溫麻醉后,用橡皮泥固定在觀測(cè)平臺(tái)上,采用超景深3D 顯微鏡(基恩士,VHX-6000,日本)搭載鏡頭VH-Z100 UR 在(500~700)×放大倍數(shù)下,掃描樣本的背側(cè)整體形態(tài)和單個(gè)復(fù)眼的3D 表面結(jié)構(gòu)。各齡期若蟲與雌雄成蟲的生物學(xué)重復(fù)為7 次。
通過超景深3D 顯微鏡的分析軟件測(cè)量試蟲前胸背板寬度(Inter tegular width,ITW,圖1A),復(fù)眼上小眼的數(shù)量(N),中部區(qū)域的小眼間角(Δ?)、小眼直徑(D)和視桿長(zhǎng)度(L,圖2A 和圖2B),其中Δ?為所測(cè)小眼3 個(gè)方向上小眼間角的平均值,D為所測(cè)小眼垂直與水平兩個(gè)方向角膜直徑的平均值。
圖1 葉蟬若蟲和雌雄成蟲背側(cè)圖Fig. 1 Dorsal view of nymph and adult of E. onukii
圖2 葉蟬復(fù)眼內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)量Fig. 2 Measurement of structural parameters in compound eye of E. onukii
將采集試蟲低溫麻醉后取下頭部,放入4%多聚甲醛中固定0.5 h,用0.1 mol·L-1pH 7.4的PBS 緩沖液沖洗3~5 次,每次沖洗10 min,70%、85%、95%梯度酒精分別脫水15 min 后,100%酒精脫水2 次,每次5 min,接著過渡至2∶1 和1∶1 的二甲苯酒精稀釋溶液,分別處理 20 min,然后采用梯度正丁醇溶液進(jìn)行處理。最后用二甲苯處理10~20 min。二甲苯與液態(tài)石蠟分別以2∶1 和1∶1 混合均勻加入待浸蠟組織,真空負(fù)壓條件下浸蠟30 min 后,轉(zhuǎn)入純石蠟溶液中浸蠟1~1.5 h。浸蠟組織包埋后進(jìn)行修塊,通過超薄切片機(jī)(Leica EM UC7)獲得厚3 μm 的復(fù)眼半薄切片,蘇木精-伊紅染色后,中性樹脂膠封片。
采用超景深3D 顯微鏡對(duì)制作好的復(fù)眼切片進(jìn)行觀測(cè)和拍攝,放大倍數(shù)為(800~1 000)×。通過ImageJ(V1.8.0,美國(guó))測(cè)量復(fù)眼中部區(qū)域內(nèi)視桿的長(zhǎng)度L(圖2C),L為區(qū)域內(nèi)5個(gè)視桿長(zhǎng)度的平均值。各齡期若蟲與雌雄成蟲的生物學(xué)重復(fù)為3 次。
小貫小綠葉蟬的復(fù)眼屬于并置復(fù)眼[28],其分辨率的高低在行為上表現(xiàn)為可以遠(yuǎn)距離識(shí)別明暗光柵的能力[21]。葉蟬若蟲對(duì)環(huán)境的光強(qiáng)度極為敏感,并對(duì)黑色表現(xiàn)出明顯的偏好性及趨性運(yùn)動(dòng)。若蟲的行為試驗(yàn)設(shè)計(jì)參考Kirwan 等[21]的方法,設(shè)計(jì)明暗相間的黑白光柵作為葉蟬若蟲的刺激(吸引)目標(biāo),通過行為反應(yīng)測(cè)定不同齡期葉蟬若蟲的視敏度。
行為測(cè)定裝置如圖3A 所示,圓形反應(yīng)室直徑15 cm、高度2 cm,反應(yīng)室下方放置輻射度為425 μw·cm-2的發(fā)光板,該亮度為晴朗天氣時(shí)下午16:00—17:00 葉蟬活躍時(shí)間段[29],芽下第二葉處的光照強(qiáng)度。反應(yīng)室側(cè)面背景為灰色,刺激目標(biāo)為明暗相間的黑白光柵(圖3B),暗區(qū)呈黑色(反射光強(qiáng)度最低),兩側(cè)逐漸過渡至白色(反射光強(qiáng)度最高)后再過渡至灰色,反射光強(qiáng)度的變化符合正弦函數(shù)[21],黑白光柵的平均反射光強(qiáng)度等于灰色背景的反射光強(qiáng)度(圖3C)。每次行為測(cè)試之前,反應(yīng)室使用無水乙醇擦洗并晾干。
圖3 小貫小綠葉蟬若蟲的行為試驗(yàn)裝置Fig. 3 Apparatus for the behavioral experiment of E. onukii nymphs
試蟲暗適應(yīng)10 min 后,在反應(yīng)室距離光柵的最遠(yuǎn)端釋放(圖3D),觀測(cè)若蟲的運(yùn)動(dòng)軌跡并通過反應(yīng)室上方的高速攝像機(jī)(Reverler,中國(guó))記錄。行為測(cè)試的時(shí)間上限為10 min,超過10 min 則認(rèn)定為若蟲對(duì)光柵無反應(yīng)。每次試驗(yàn)重復(fù)時(shí)將反應(yīng)室隨機(jī)旋轉(zhuǎn)90°,避免光柵方向產(chǎn)生的影響。每個(gè)齡期的若蟲各重復(fù)15 只。
行為軌跡采用視頻分析軟件 Tracker(V6.0.8,美國(guó))進(jìn)行分析,將葉蟬若蟲產(chǎn)生趨性反應(yīng)的起始位置標(biāo)記為識(shí)別點(diǎn) R,點(diǎn) R與黑色刺激區(qū)域之間的夾角即為若蟲的小眼間角(圖3D)。不同齡期若蟲的行為學(xué)小眼間角Δ?’取各重復(fù)試驗(yàn)的平均值。
1.5.1 視覺敏銳度和光學(xué)靈敏度
復(fù)眼的視覺敏銳度(A)為小眼間角(Δ?)的倒數(shù),單位為cpd(Cycles per degree,周/度);視距評(píng)估中采用行為試驗(yàn)得到的小眼間角(Δ?’)進(jìn)行計(jì)算。
復(fù)眼的光學(xué)靈敏度(S)采用公式(2)計(jì)算,單位為μm2·sr。
式中,D為小眼直徑,Δ?為組織學(xué)試驗(yàn)得到的小眼間角,L為視桿長(zhǎng)度,k值(0.006 7 μm-1)為節(jié)肢動(dòng)物光受體的光吸收系數(shù)[26]。
1.5.2 復(fù)眼的異速生長(zhǎng)規(guī)律
復(fù)眼的異速生長(zhǎng)符合冪函數(shù)方程,
式中,Y為表征復(fù)眼不同特征的變量,包括N、D、Δ?、L,x為表征葉蟬生長(zhǎng)指標(biāo)的變量ITW,a為復(fù)眼不同特征變量的異速生長(zhǎng)指數(shù),b為該變量的初始生長(zhǎng)指數(shù)[10]。
1.5.3 有效視距評(píng)估
AcuityView 是R 語言中評(píng)估生物體有效視距的常用模型[30]??赏ㄟ^生物體的視覺敏銳度、目標(biāo)圖像和不同觀測(cè)距離,生成以生物體視覺敏銳度為標(biāo)準(zhǔn)的不同距離下觀察到的目標(biāo)圖像。以葉蟬視覺敏銳度為標(biāo)準(zhǔn),以與實(shí)物大小一致的茶梢圖像(10 cm×10 cm,分辨率為1 024×1 024)為識(shí)別目標(biāo),采用R(4.2.0)生成不同齡期葉蟬識(shí)別茶梢的靜態(tài)圖像,模擬距離分別為2、5 cm 和10 cm,最后通過生成圖像的清晰度評(píng)估試蟲對(duì)茶梢的有效視距。
1.5.4 差異顯著性分析
采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,其中不同齡期葉蟬的前胸背板寬度和復(fù)眼的視覺參數(shù)采用單因素方差分析(ANOVA 和Duncan)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn);前胸背板寬度和復(fù)眼的視覺參數(shù)采用冪函數(shù)(公式3,2個(gè)參數(shù))進(jìn)行線性擬合。
隨著齡期的增長(zhǎng),葉蟬復(fù)眼的整體形態(tài)和小眼形狀發(fā)生顯著變化。復(fù)眼整體形態(tài)由近似橢圓形變?yōu)槟I形,1~3 齡若蟲復(fù)眼中部的小眼呈圓形,排列松散且密度較小,每個(gè)小眼周圍毗鄰4 個(gè)小眼;4 齡之后,復(fù)眼中部的小眼呈六邊形,排列緊密,每個(gè)小眼周圍有6 個(gè)小眼(圖4)。
圖4 各齡期小貫小綠葉蟬復(fù)眼的形態(tài)Fig. 4 External morphology of compound eyes of E. onukii in different instars
小貫小綠葉蟬在生長(zhǎng)發(fā)育過程中,每次蛻皮后其體型和各視覺參數(shù)均會(huì)發(fā)生顯著性變化。葉蟬的前胸背板寬度(體型)隨著生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)逐漸增大(F=204.6,df=6,P<0.05,圖1),復(fù)眼的小眼數(shù)目(F=483.62,df=6,P<0.05,圖4)和小眼直徑顯著增長(zhǎng)(F=36.94,df=6,P<0.05),小眼間角持續(xù)減?。‵=22.3,df=6,P<0.05),即葉蟬復(fù)眼的視敏度會(huì)隨齡期增長(zhǎng)而提高。葉蟬復(fù)眼的視覺參數(shù)符合典型的異速生長(zhǎng)規(guī)律,其中復(fù)眼視敏度(a=-0.65<1)和小眼直徑(a=0.35<1)的增長(zhǎng)慢于葉蟬體型的增速,小眼數(shù)目(a=1.37>1)的增速比體型高(表1),即葉蟬在生長(zhǎng)過程中視覺能力的提升主要依靠增加小眼的數(shù)目和增大復(fù)眼的體積來實(shí)現(xiàn)。
表1 各齡期葉蟬的前胸背板寬度、視覺參數(shù)(mean±SE)及其異速生長(zhǎng)參數(shù)Table 1 The width of the pronotum, visual parameters (mean±SE) and their allometric growth parameters for each instar of E. onukii
隨著葉蟬齡期增加,復(fù)眼中部區(qū)域的視桿長(zhǎng)度顯著增長(zhǎng)(F=278.59,df=6,P<0.05,圖5A),同樣符合異速生長(zhǎng)規(guī)律(a=1.22,b=0.036 ,R2=0.924) , 從 1齡若蟲的(17.51±0.42)μm 增長(zhǎng)至5 齡的(63.06±0.88)μm,待若蟲羽化后,雌雄蟲之間視桿長(zhǎng)度存在顯著性差異(雌蟲L=86.46 μm,雄蟲L=78.14 μm,P<0.05)。伴隨復(fù)眼中視桿長(zhǎng)度的增長(zhǎng),其光學(xué)靈敏度從1 齡若蟲的0.04 μm2·sr 逐步提升至 5 齡的 0.11 μm2·sr,符合異速生長(zhǎng)規(guī)律(a=0.88,b=4.47×10-4,R2=0.822,P=0.034);但若蟲羽化后復(fù)眼視覺靈敏度降低,雌蟲復(fù)眼的靈敏度顯著低于雄蟲(雌蟲S=0.069 μm2·sr,雄蟲S=0.08 μm2·sr,P<0.05),成蟲復(fù)眼光學(xué)靈敏度的下降導(dǎo)致其不再符合異速生長(zhǎng)規(guī)律(R2=0.467,P=0.091,圖5B)。
圖5 各齡期葉蟬復(fù)眼中部區(qū)域視桿的長(zhǎng)度和光學(xué)靈敏度的異速生長(zhǎng)特征Fig. 5 The rhabdom lengths of each instar and the allometric growth characteristics of optical sensitivity in the center partial of compound eye of E. onukii
行為試驗(yàn)中,空白對(duì)照內(nèi)若蟲的行為軌跡無方向性,呈曲線和螺旋狀(圖6A);存在刺激光柵的情況下,葉蟬若蟲釋放后會(huì)在反應(yīng)室內(nèi)隨機(jī)運(yùn)動(dòng),待若蟲探測(cè)到刺激光柵后,開始進(jìn)行無往返的趨向運(yùn)動(dòng)(圖6B~F),并且所有齡期的若蟲在行為試驗(yàn)中均對(duì)黑色光柵呈現(xiàn)出趨向運(yùn)動(dòng),1 齡和2 齡若蟲爬行速度緩慢,在搜尋過程中會(huì)有短暫的停頓,3 齡后的若蟲爬行速度變快,能夠很快接觸到刺激光柵。通過對(duì)行為試驗(yàn)中R 點(diǎn)和刺激光柵的夾角分析,1 齡若蟲到5 齡若蟲的小眼間角顯著降低(F=22.15,df=6,P<0.05),分別為(11.62±0.21)°、(11.48±0.27)°、(10.60±0.24)°、(9.80±0.25)°、(8.90±0.13)°,介于組織學(xué)結(jié)構(gòu)得到的小眼間角范圍內(nèi)(表1),葉蟬1~5 齡若蟲的視敏度分別為 0.086、0.088、0.094、0.102、0.112 cpd,若蟲復(fù)眼的視敏度符合異速生長(zhǎng)規(guī)律(a=0.28,b=0.019,R2=0.925)。
圖6 行為試驗(yàn)中若蟲的運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig. 6 Movement behavior trajectories of nymph of E. onukii in behavioral experiments
依托行為試驗(yàn)得到的葉蟬小眼間角,模擬葉蟬在0、2、5 cm 和10 cm 下識(shí)別的茶梢圖像(圖7),隨著齡期的增大,葉蟬復(fù)眼對(duì)茶梢的有效識(shí)別視距逐漸增加;但是隨著觀測(cè)距離的增大,感知圖像的清晰度迅速降低,說明葉蟬若蟲對(duì)圖像細(xì)節(jié)的分辨能力非常有限,葉蟬若蟲的復(fù)眼僅具有低分辨率視覺。
圖7 各齡期葉蟬復(fù)眼對(duì)靜態(tài)圖像感知的模擬圖Fig. 7 Simulations of viewing distance of each instar of E. onukii
昆蟲在生長(zhǎng)發(fā)育過程中各部位的異速生長(zhǎng)是為了適應(yīng)外界環(huán)境進(jìn)化保留下來的重要的發(fā)育特征[31]。小貫小綠葉蟬孵化后,1 齡若蟲往往只在其孵化的茶枝上活動(dòng),3 齡之后則善爬善跳,活動(dòng)范圍明顯擴(kuò)大[32]。復(fù)眼視敏度的逐步提高,使葉蟬可以感知臨近葉片或枝干的圖像細(xì)節(jié),準(zhǔn)確地判斷跳躍的位點(diǎn),若蟲羽化后開始具備飛行能力,復(fù)眼視敏度可達(dá)到0.14 cpd 以上,有效視距進(jìn)一步增大。但是為了優(yōu)先體型和運(yùn)動(dòng)相關(guān)器官的生長(zhǎng),葉蟬復(fù)眼整體視敏度的增速減緩,只有小眼數(shù)目的增速比體型快,表明葉蟬復(fù)眼在生長(zhǎng)過程中更注重視野的增加,以便于捕捉更大范圍內(nèi)的視覺信號(hào)。
相較于視敏度,葉蟬復(fù)眼的光學(xué)靈敏度在生長(zhǎng)過程中雖然也在增加,但并不符合異速生長(zhǎng)規(guī)律。節(jié)肢動(dòng)物在每次蛻皮后,新的小眼會(huì)出現(xiàn)在復(fù)眼的前端,導(dǎo)致原有的小眼會(huì)向后方移動(dòng)。復(fù)眼后部區(qū)域的小眼直徑通常很大,由于受到前端小眼的擠壓,視桿會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)而變長(zhǎng),因此節(jié)肢動(dòng)物在停止生長(zhǎng)后,復(fù)眼后部區(qū)域的小眼光學(xué)靈敏度也最高[2],導(dǎo)致復(fù)眼不同區(qū)域在視覺功能上出現(xiàn)異質(zhì)化。葉蟬羽化后中部區(qū)域的光學(xué)靈敏度降低,但是復(fù)眼后部小眼的靈敏度顯著提升,同時(shí)在背側(cè)的復(fù)眼形成了高視敏度的“敏銳區(qū)”,符合復(fù)眼不同區(qū)域異速生長(zhǎng)形成特殊功能區(qū)的策略[13]。如歐洲熊蜂(Bombus terrestris)和皺猛蟻(Rhytidoponera inomata)均是通過在有限的復(fù)眼上分化出特殊功能區(qū),滿足對(duì)應(yīng)齡期的行為需求[8-9]。雄性長(zhǎng)尾管蚜蠅(Eristalis tenax)的復(fù)眼上存在高靈敏度的“亮區(qū)”,用來在明亮的環(huán)境中捕捉獵物或?qū)ふ遗渑糩33]。
值得注意的是,在尚未明確視覺信息到達(dá)視神經(jīng)后處理機(jī)制的情況下,組織學(xué)測(cè)量得到的視覺參數(shù)僅僅是基于復(fù)眼結(jié)構(gòu)的理論值。一些研究認(rèn)為復(fù)眼視敏度在結(jié)構(gòu)分析和行為測(cè)試得到結(jié)果差異不大[24-25],而另一些研究則認(rèn)為行為測(cè)試遠(yuǎn)低于組織學(xué)方法[22-23],造成這種現(xiàn)象的原因多是由于復(fù)眼的區(qū)域化異速生長(zhǎng)。由于行為試驗(yàn)建立在昆蟲復(fù)眼的整體功能上,所以將復(fù)眼結(jié)構(gòu)分析與行為試驗(yàn)相結(jié)合,能更精確地揭示昆蟲視覺在特定環(huán)境下的視敏度[34]。雖然葉蟬復(fù)眼的視敏度和靈敏度在生長(zhǎng)發(fā)育后都有顯著提升,但是相較于活動(dòng)范圍更大或者飛行能力更強(qiáng)的昆蟲,如蜜蜂、蝴蝶和蒼蠅的視敏度通常介于0.3~1.0 cpd,蜻蜓、螳螂等捕食性天敵的視敏度在1.0 cpd 以上[35],葉蟬依然屬于低視覺分辨率的昆蟲。