刺探電位圖譜（ＥＰＧ）技術的原理與發(fā)展

胡想順　劉小鳳　趙惠燕

摘要刺探電位圖譜(EPG)術是用來記錄刺吸式口器昆蟲口針在寄主組織中刺探行為的電信號變化特征的技術，主要用于昆蟲刺探(取食)、傳毒行為，植物抗蟲機制等的研究，本文對其發(fā)展歷史、基本原理、波形特征和生物學意義進行了綜述，并討論了該技術目前存在的問題及應用前景。

關鍵詞刺吸式口器昆蟲；刺探電位圖譜(EPG)；電生理

中圖分類號Q 967

電信號是生物體內(nèi)信息傳遞的主要方式之一)，刺探電位圖譜(electrical penetration graph，EPG)技術是一種用來記錄刺吸式口器昆蟲口針在寄主組織中的刺探行為引起的電信號變化特征的技術，該技術使昆蟲口針在寄主組織中的準確定位成為可能。這對研究這類昆蟲的刺探(取食)、傳毒行為，了解植物抗蟲機制和昆蟲寄主選擇機制有重要的意義。

1刺探電位圖譜(EPC)技術及應用情況

Mclean和Kinsey首次設計了電子取食監(jiān)測儀(electricalfeedingmonitor)，用于檢測蚜蟲口針在植物組織內(nèi)的取食行為，初步證明蚜蟲的不同刺探行為和蚜蟲口針在植物組織中不同位置的輸出波形不同。此后歷經(jīng)40多年的不斷改進，特別是TJallingii采用直流回路系統(tǒng)和高值輸入阻抗(10⁹Ω)后，使其成為一項可將生物微電流(mV)放大50～5 000倍，輸出波譜圖的準確性、細致性和重復性更高的技術，這就是EPG技術。

2EPG技術的基本工作原理

將昆蟲與植物分別連人生物電流放大器的昆蟲電極和植物電極，昆蟲電極是一段長2～3 cm，直徑10～20 μm的金(銀或鉑)絲，末端用水溶性導電銀膠粘在昆蟲的前胸背板上，植物電極插在植物生長的土壤中，當昆蟲口針刺人植物組織時，回路接通，回路電流經(jīng)放大器放大后輸出一系列電流波譜(圖1)。由電阻變化引起的電勢波動稱為電阻(R)成分，由生物電生理變化引起的電勢波動稱為電動勢(emf)成分。調(diào)節(jié)放大器的輸入電壓可區(qū)分這兩種成分：極性及幅度隨輸入電壓而變化的是R成分，否則是emf成分—”。基于交流電路設計的系統(tǒng)稱為AC-EPG，其R成分和emf成分的變換都可引起輸出電壓的變化。基于直流電路設計的稱為DC-EPG，DC-EPG的R成分固定，輸出電壓的變化僅為emf成分，目前應用較多。

實驗證明，連入電路的蚜蟲受銀膠揮發(fā)性有機溶劑的毒害和電流對其肌肉、神經(jīng)、感覺器官以及微粒和離子運輸、唾液分泌的干擾都可忽略，但金絲對蚜蟲的束縛卻明顯減少了蜜露分泌，降低了繁殖力和壽命，迫使蚜蟲可能在它不喜歡的寄主(部位)取食(自由蚜蟲可選擇離開)。

3EPG的基本特征與生物學意義

EPG技術應用于實踐需要解決的關鍵問題是建立昆蟲行為和口針在寄主不同組織中時與輸出的電位波形圖之間的對應關系，前人結合透射電鏡、同位素示蹤、口針切割等技術已明確了蚜蟲的8種基本波形(np，A，B，C，E，F(xiàn)，G，pd，圖2)的生物學意義。

3．1蚜蟲的八種基本波形

3．1．1A波

蚜蟲口針剛與植物表面接觸導電狀態(tài)的反映，頻率5～15 Hz，不穩(wěn)定，幅度變化大，歷時5～20 s。A波總伴隨著水溶性唾液的分泌。

3．1．2B波

緊隨A波之后，峰值較高，每隔5—8 s有一次有規(guī)則的重復。B波都伴隨著凝膠型唾液的分泌，凝膠型唾液能形成保護口針的唾液鞘，此時蚜蟲的口針位于表皮及薄壁組織內(nèi)。

3．1．3C波

C波與B波無截然的界限，是EPG波中最復雜的波型。C波最典型的特征是有很多電勢落差(potentialdrops，簡寫為Pd波)。C波階段蚜蟲的口針位于表皮與微管束之間，反映的是胞外電勢水平。C波可以發(fā)生在任何組織中。在判讀中，一般將一些不能明確區(qū)分的波歸人C波，統(tǒng)計時A波、B波也歸人C波。

3．1．4Pd(potentialdrops)波

變幅一50mV到一180mV，每次持續(xù)5一15 s，分3個亞波段：Pd—I，Pd—Ⅱ，Pd-Ⅲ。從細胞外經(jīng)細胞膜進入細胞內(nèi)有一個約100 mV的電勢跌落，反之也一樣。Pd波反映了口針刺破細胞膜時所測的膜內(nèi)外電位差。

3．1．5E波

E波的電勢落差相當于Pd波水平，反映了口針刺探韌皮部篩管的過程。E波可以分為E1(2～4 Hz)、E2(4—7 Hz)兩個亞波和二者的混合波E1bE2，E1為主動分泌水溶性唾液到篩管中，E2為篩管中被動吸收的過程。

3．1．6F波

F波頻率達11—16 Hz，只出現(xiàn)在胞外水平。F波是口針在細胞膜外胞間或細胞壁內(nèi)的機械穿刺受阻的波形，與抗性關系密切。

3．1．7G波

G波也是一種胞外水平的波形，頻率范圍在4—6 Hz。是昆蟲在木質(zhì)部主動吸食的波形。

3．1．8np波

非刺探(電路未接通)波形。

3．2其他的EPG波形

蚜蟲口針的刺探總體為3個階段：刺探途徑階段(C波)，木質(zhì)部階段(G波)和韌皮部階段(E波)。其他刺吸式昆蟲與此相似，如粉虱、飛虱、葉蟬、蝽、螨以及薊馬，但也有變異。此外。也有一些生物學意義并不十分清楚的波形如重復Pd波(R—Pd)、點G波、E0波和變異的F波等的報道。

3．2．1H波和L波

溫室白粉虱(Trialeurodesvaporariorum)成蟲的C波可區(qū)分為4種亞波，并組成3種波序。幼蟲的波形分為表示吸食的高頻H波和非吸食的低頻L波，H波的長短反映了韌皮部汁液的質(zhì)量。而產(chǎn)卵波可區(qū)分為Ovi-I(產(chǎn)卵器劃破葉面)和Ovi-Il(產(chǎn)卵過程，粉虱卵依靠卵柄插入葉組織中，故產(chǎn)卵器脫離葉組織后仍保持導電狀態(tài)，直至卵粒脫離母體)。木薯粉蚧(Phenacoccusherreni)被3種寄生性跳小蜂寄生后，在胞外水平出了一種可能與壓力反應相關的類似E2波的新波形——H波。

3．2．2P波、Q波和R波

薊馬取食過程的波形，P波(時間為1 s或更短)表示取食開始，Q波(至少l一2s)可能是分泌唾液，是病毒傳播所必需的，R波(超過10 S)常伴隨產(chǎn)生疤痕。

3．2．3重復Pd波(R-Pd波)

Mclean和Kinseyl968年就發(fā)現(xiàn)了這種波，Tjallinglii也觀察到了這種波。R-Pd波序列大多發(fā)生在正常Pd波后，E波前，持續(xù)時間是正常Pd波的2—3倍，主要由Pd-II持續(xù)時間的延長引起。兩個R-Pd波的間隔明顯短于正常Pd波的間隔。由于篩管伴胞復合體中的轉(zhuǎn)膜電位比正常薄壁組織的低，R-Pd波的幅度低于正常的Pd波幅，因

此，R-Pd波有可能反映了篩管或伴孢的穿刺(正常的Pd波可能反應的是在不同的薄壁細胞中的穿刺)，而持續(xù)不變的R-Pal波序列可能是僅在一個篩管細胞或一個篩管細胞和一個伴胞中的反復穿刺。

3．2．4點G波、E0波和變異的F波

點G波頻率與G波相似，點G波可能是蚜蟲在刺探途徑階段(C波階段)的試探性主動吸食過程；一些抗蚜小麥品種中，緊接E1波之前常有一段小于10 s的和np波相似的波，可能表現(xiàn)的是蚜蟲口針剛到達韌皮部時短暫的判斷、休息和適應過程；11～16 Hz的F波中常會出現(xiàn)一些2～4 Hz的次級波，該波可能與口針阻塞(營養(yǎng)抑制物、營養(yǎng)不良或抑制唾液分泌的蛋白)有關。另一種F波和AC-EPG系統(tǒng)中的粉虱口針回撤波形極為相似，可能是蚜蟲口針遇阻后口針的重復回撤與刺探行為。

4 EPG技術的應用

EPG技術可用于協(xié)助理解環(huán)境因素(其他生物)對刺吸式昆蟲取食影響的研究，探討寄主植物對昆蟲的抗性機制如抗性因子定位、化學物質(zhì)或其誘導的對昆蟲的抗性，研究刺吸式口器昆蟲的刺探、取食機制及傳毒機制，也可以于刺吸式口器昆蟲的寄主專化型等等的研究中。筆者將另文論述。

5展望

一些基本波形與刺吸式昆蟲取食行為間的對應關系雖然已建立，但EPG波形特別是C波階段的波形中還有許多生物學意義不明但可以明顯區(qū)分的亞單元波，這些都有待技術的進一步完善與深入研究。

刺吸式口器昆蟲與寄主植物的對應關系很復雜。因此不斷有新波形被發(fā)現(xiàn)和描述，證實了EPG波形不僅有穩(wěn)定性，同時也有其多樣性。

雖然金(銀或鉑)絲十分纖細，但對昆蟲的束縛作用卻很明顯，要使昆蟲能在更大的范圍活動，需要柔韌性更好，重量更輕的導電材料，這有賴于新材料新技術的發(fā)展。昆蟲與電極間的連接也是亟待解決的問題，該技術的解決將有助于將EPG技術用于其他一些較大型的昆蟲與其寄主之間關系的研究中。

EPG圖譜分析和統(tǒng)計經(jīng)歷了最初的手工統(tǒng)計、Stylet系列軟件和Probing系列軟件的發(fā)展，但即使是Probing3．0版本軟件也需要人工輔助電腦分析統(tǒng)計，耗時耗工，因此還有待于自動化程度更高的軟件開發(fā)成功。